800 t船塢龍門吊主梁的預拱設計與建造

李冬明， 沈位軍， 袁愛東， 沈旭東

(滬東中華造船(集團)有限公司，上海 200129)

0 引 言

大型船塢龍門吊作為船廠的大型吊裝設備，承擔著吊裝大型分段及總段的任務，可大幅縮短船舶的建造周期、提高生產效率，在船舶建造中起著不可替代的作用。隨著世界船舶大型化的發展趨勢和船舶總段建造法的推廣，國內各大造船廠逐漸開始建造大型船塢龍門吊[1-4]。

800 t大型龍門吊跨度近200 m，重數千噸，主梁因受到自身重量、起吊重量的影響，不可避免地會產生一個向下的撓度變形。變形過大往往導致起重小車的爬坡或溜車現象，這對龍門吊的安全生產和高效運行有著不少負面影響。為保證龍門吊的平穩運行，主梁在設計時必須具有一個向上的預拱度，以抵消將來在起吊作業中梁自重、起重物產生的下撓度[5-9]。

1 工程概況及基本參數

800 t龍門吊起重機是船塢配套設備，為單梁門式結構，由主梁、剛性腿、柔性腿、維修吊、上小車、下小車及行走機構等組成。剛性腿與主梁采用焊接聯接，柔性腿為圓管結構采用撓性鉸連接。龍門吊起重機自重4 300 t，主梁總長187 m，跨度178 m。主梁上部設置1臺起重量為350 t+350 t的上小車、1臺起重量為400 t的下小車，單機抬吊重量為800 t。

主梁為倒梯形箱梁結構，為減小自重提高性能，各部位的板厚及重量均不相同，將其分為15個不同的分段進行建造，然后現場進行合龍總組。

2 主梁的預拱設計

在主梁進行設計時，梁中預拱值F的計算式[9]為

F=F0+fz+fxc+fk

(1)

式中：F0為主梁吊裝后的預拱度；fz為主梁自重下撓度；fxc為小車重量引起的下撓度；fk是拱度修正值(焊接變形、材料蠕變等影響)，可取值為(0.2～0.25)fz。

主梁吊裝后的預拱度是保證起吊小車穩定運行的一個指標，按照國家標準(GB/T 14406-1993)，可根據主梁跨度S確定，即

F0=kS

(2)

式中：k為經驗系數，取值(0.9～1.4)/1 000。根據經驗，取較大值F0=245 mm。

由于主梁各分段的長度、板厚不同，重量也不相同，式(1)中的各下撓度參數難以直接得到，采用Patran軟件進行有限元計算精確確定。圖1為有限元計算模型，球扁鋼、角鋼、扁鐵、鋼管等采用Bar單元模擬，剛性腿側邊界條件采用剛性固定約束，柔性腿側邊界條件采用鉸接約束[10]。經計算，fz=197 mm，fxc=67 mm。拱度修正值考慮到分段數量較多，取較大值fk=48 mm。

圖1 主梁及端面有限元模型

根據上述結果，800 t龍門吊的梁中預拱值為

F=245 mm+197 mm+67 mm+48 mm

=557 mm

(3)

整個主梁長度范圍內的預拱曲線f(x)采用拋物線來確定[9]，即

(4)

式中：x為主梁長度方向坐標值，梁中位置對應x=0。對于每一分段，采用此方法確定分段左右兩側的拱度值。

3 主梁分段建造

3.1 建造難點

主梁為倒梯形箱梁結構，分為15個分段，每個分段由頂板、底板、側腹板、橫隔板和T型件等組成。主梁分段的建造，主要問題在于主梁焊縫眾多，在裝配焊接過程中容易出現各種變形，且承軌板的平整度要求很高，精度控制比較困難。難點如下：

(1)上部分段整個框體的尺寸精度控制，包括基本的焊接變形及分段吊裝翻身過程中的變形。

(2)上部分段頂板需要安裝吊車軌道，承軌頂板的平整度控制要求高、焊接變形影響大。

(3)下部箱梁上表面安裝有下小車起重軌道，上表面平整度控制要求高，且上表面拼板由于存在較大的板厚差，焊接變形影響明顯，建造精度控制困難。

在建造策劃階段，將主梁分段建造時分為上部和下部兩個分段建造。上部由頂板和2個側翼板組成，下部為梯形墩座結構形式。上部分段制作分成頂板片段、2片側翼板片段，為保證上表面軌道平整度，以頂板為基面進行合龍。下部分段以上表面為基面進行反造，確保下小車軌道的平整度。上下部分段單獨制作完成，在側造胎架上進行拼裝。主梁分段建造流程如圖2所示。

由于梁拱值變化趨勢是越靠近兩端斜率越大，這就使分段接縫處易形成下窄上寬的喇叭口形接縫，因此兩端處的分段頂板需要預留一定的裕量。

3.2 承軌板的拼裝與焊接

承軌板采用3張不同厚度鋼板拼裝而成，其拼板詳圖如圖3所示。由于薄板與厚板的焊接收縮不一致，因此在焊接階段容易導致薄板的波浪變形。在拼板過程中為保證平整度，采取如下措施：(1)在拼板的四周，采用馬板將拼板和鋼平臺進行固定；(2)在焊接過程中，加放10 mm反變形；(3)結合正面焊接的變形情況確定反面碳刨的深度，將變形量通過調整反面焊接熱輸入的方式進行矯正。采用這些措施后焊接變形控制效果良好，平整度完全滿足要求。

圖2 主梁分段建造流程

圖3 承軌板拼板詳圖

3.3 主梁上下部分段的合龍

主梁上下部分段的合龍在側造胎架上進行，流程如圖4所示。為避免仰焊的出現，2個分段在合龍后完成平角焊和立角焊的焊接，然后對整個主梁分段進行180°的翻身，完成其余焊接。在主梁上下部分段的合龍過程中，重點關注頂板的水平度和下小車承軌板的水平度。采用蕩鉛垂的傳統方法進行焊接過程的監測，隨時調整變形情況，改變焊接的順序，確保2個重要平面的水平度，避免扭曲變形的情況出現。

圖4 主梁上下部分段合龍示例

3.4 主梁分段的總組

因為主梁有拱度，為確保現場總組的實際拱度值與設計值相符，采用剛性總組胎架進行定位。在所有總組胎架布置到位后，在所有胎架上標記水平等高參考點，然后根據預拱曲線，調整各胎架至預拱高度值，最后完成各分段定位，并再次檢測各分段預拱高度。

分段定位結束，需要將分段在寬度方向約束固定，長度方向不建議有較強約束，以避免焊接過程中的收縮變形與長度方向的固定約束相沖突而引起應力集中現象。

為保證總組焊接質量，需要嚴格控制焊接順序。分段焊接時以梁中間分段為基準，由中部向兩側依次推進。在對接面上，由于分段對接縫高為12.8 m，最寬處為9.6 m，為避免焊接變形對主梁精度產生影響，在寬度方向上需要采用對稱焊接工藝，可先焊接下箱體，再焊接上翼緣板，最后焊接上箱體側腹板。

4 龍門吊主梁拱度的檢驗

龍門吊在現場總組合龍后進行吊裝，按照建造要求對其進行完工檢測。對主梁在如下兩種工況下的拱度進行測量：

(1)空載工況檢測，起吊小車位于中部，無吊重。

(2)重載工況檢測，起吊小車位于中部, 滿載吊重。

每種工況測量2次，先空載、重載工況測量，吊重卸載后，再次進行空載、重載測量。為確定拱度，測量主梁在剛性腿、柔性腿和梁中等3處位置的距地高度，梁中相對于兩側的高度差即為拱度。測量數據如表1所示。測量結果表明，主梁的預拱控制效果比較理想，空載工況的預拱度同設計值F0=245 mm比較接近，說明所采用的建造工藝方法是可靠的。

表1 800 t龍門吊預拱度實測數據 mm

5 結 語

以800 t船塢龍門吊主梁的預拱設計與建造為研究背景，通過分析與經驗總結，提出具體的設計方法與合理的建造工藝，并將其應用到實際工程項目。該龍門吊成功建造并順利驗收，焊接變形控制良好、平整度高，建造質量與精度完全達到設計要求。實踐證明，所采用的建造工藝有效可行，能夠較好地保證船塢龍門吊主梁的建造質量與精度，但在建造速度方面稍有欠缺，有待將來改進。