论文-双平臂自旋自升座地抱杆总体设计方案选型.doc

双平臂自旋自升座地抱杆总体设计方案选型张松华 余秋安 高文林（湖北省输变电工程公司，武汉市，430063）摘要文章介绍了一种新型大跨越组塔抱杆的设计方案。该抱杆结合了送变电行业的施工特点及常用抱杆的经验，并吸取了建筑塔吊的成熟技术。关键词平臂 抱杆 片式标准节 塔吊 大跨越 组塔我公司有三个大跨越工程等待开工，公司党委决定研制一副抱杆用于跨越塔的组立施工，并决定抱杆的设计必须满足以下原则：1、新抱杆能满足这三个不同大跨越工程铁塔组立的需要；2、新抱杆能满足未来特高压线路铁塔组立的需要；3、安全可靠、工艺创新、经济适用；4、吸取建筑塔吊的成熟技术，抱杆主要零部件尽量全部采用塔吊的标准零部件三个大跨越工程分别位于襄樊（跨汉江）、荆州（跨长江）、黄石（跨长江），全为钢管结构羊角塔，跨越塔净高约150200米，单基总重量约为360700吨。一、座地还是悬浮？抱杆的总体设计首先要决定一个基础性的问题：抱杆是座地还是悬浮？选定答案后，以此为基础再逐步深入对其他机构进行选型。抱杆从根本上分为二大类：座地式及悬浮式。所谓“座地式”，就是抱杆根部通过预埋基础座在地面上；所谓“悬浮式”，就是通过4根绳索或钢拉杆连接抱杆根部与铁塔的4根主材，将抱杆兜在空中。如图一。“座地式”相对于“悬浮式”有以下优点：1、 “座地式”抱杆通过附着相对固定在塔身上，抱杆头部可以不打拉线，因此地形适用性大大强于“悬浮式”；2、 “座地式”抱杆没有悬浮承托绳或拉杆，直接座于地面，安全风险明显高于“悬浮式”；3、 高塔（大于100米）的落地拉线，长度和自重都很大，受风力等影响明显，拉线的安全风险随塔高的增加而加大。因为“座地式”抱杆不要拉线，因此比“悬浮式”抱杆更适合于高塔。4、 “悬浮式”的落地拉线往往限制了抱杆头部旋转，而“座地式”不存在此问题。5、 “悬浮式”抱杆升抱杆时需要不断提高提升滑轮组的挂点和承托绳的挂点，同时要多人松弛外拉线，升抱杆过程比较繁杂。而“座地式”抱杆一般通过顶部加节或根部加节升高，升抱杆的操作比“悬浮式”抱杆相对简单可靠一些。但“座地式”相对于“悬浮式”也存在一个缺点：“座地式”杆身采用的标准节大大多于“悬浮式”，随着塔高的增加，节数相差更多。这无疑会加大制造投入，同时也增加了储存、保养、运输的成本。以安全优先的原则，本抱杆决定采用“座地式”。二、顶部加节还是根部加节？座地抱杆随着铁塔的升高，必须也节节加高，保证抱杆头部始终在铁塔之上。座地抱杆常用的升高方式只有二种：顶部加节和根部加节。所谓“顶部加节”就是类似于塔吊，利同液压顶升套架在抱杆上部增加标准节。其大概步骤如图二：顶升油缸支撑在标准节主弦杆的专用踏步耳上，随活塞杆的外伸而将套架和抱杆头部一起顶起来，形成标准节的引进空间，将标准节落位并用螺栓连接，回落套架，即完成了加节的操作，如此不断循环。所谓“根部加节”就是利用4套滑轮组将抱杆整体上提，在抱杆根部再加入标准节，大概步骤如图三。“顶部加节”相对于“根部加节”有如下优点：1、“顶部加节”采用塔吊成熟的液压顶升技术，可靠安全，工效高。2、“顶部加节”采用塔吊标准部件，投入少；而“根部加节”至少需配置二台大功率卷扬机、定制一副套架结构、四套滑轮组，投入大。塔越高这些设备越庞大，投入越大。3、随着铁塔升高，抱杆加长，“根部加节”的滑轮组载荷越来越大；而“顶部加节”的操作载荷几乎保持不变。4、“顶部加节”时，腰箍（或锚环）与杆身相对固定，可实现“刚性附着”；而“根部加节”需要腰箍上有滑轮，使杆身可相对腰箍上下滑动，一般采用绳索张紧形式的“软附着”，削弱了附着的作用。 “顶部加节”相对于“根部加节”也有如下缺点：1、 加节时，需要至少4个人在高空平台上操作，每天大约操作一次；而“根部加节”都在地面操作。2、 我公司没有“顶部加节”的相关操作经验，操作人员需专门进行培训。3、 电缆收放卷筒必须布置到杆头，电缆布设比较不便。详见后文。以安全高效的原则，本抱杆决定采用“顶部加节”。三、起重臂数量塔吊只有1个起重臂，大跨越抱杆一般有2个臂，甚至还有的抱杆有4个臂。如图四： 铁塔吊装一个很大的特色就是被吊塔材的重量和布置位置往往是非常对称的，如图五。如果采用类似于塔吊的一个臂，只有等前一次所吊塔材完全就位后，才进行下一吊装，在铁塔较高时，每次吊升的行程较大，故整个工效非常低。塔头必须可以至少270旋转，以保证可以吊到4个方向的塔材。只要一套主卷扬系统。如果采用送变电行业普遍使用的双臂，就可以双臂同时作业，双臂吊重几乎相等，可以起到相互平衡重力矩的作用，代替了塔吊的配重臂。塔头必须能90旋转，以保证可以吊到4个方向的塔材。要2套主卷扬系统。由于双臂较短，受高空风力作用较小；双臂自重较小也几乎相等，对“顶部加节”很有利，加节时套架受力较小也比较平衡。如果采用4个吊臂，就可以4臂同时作业，对称臂的吊重也几乎相等，可以起到相互平衡重力矩的作用。塔头不需要旋转就可以吊到4个方向的塔材。要4套主卷扬系统。但塔头体积大，受高空风力的影响明显；同时重量大，“头重脚轻”，抱杆整体稳定性风险较大，对附着要求较高。以安全高效的原则，本抱杆决定采用“对称双臂”。对称双臂受高空风力作用时，可能不会象塔吊吊臂一样自动回转至受风面积最小的状态，因此为了加强抱杆头部在非工作状态下抵抗台风的能力，需要在旋转支承下座上，在其四角方向预留4个挂孔，用于挂接4根内拉线。在工作状态，拆除内拉线；在非工作状态时，需张紧内拉线。四、起升卷扬在杆头还是在地面？我们公司和其他送变电公司历来的施工经验是将起升主卷扬布置在地面上，而所有塔吊一般都把起升主卷扬布置在配重臂上。如图六。因为跨越塔较高，起重量也较大，因此主起升卷扬体积和自重都很大，塔吊将其布置在配重臂上，能起配重的作用。双臂抱杆不宜将主卷扬布置到抱杆头上，因为抱杆没有配重臂，2台卷扬没有合适的布置空间，如强行布置到抱杆头上无疑要增加布置平台，会增加高空风力的危害，同时也会出现前述的“头重脚轻”的不利现象。如果布置在地面还有一个好处就是可以加强监控，便于维修。本抱杆决定将主起升卷扬布置在地面上。五、连到主卷扬的起升钢丝绳从杆身内部走还是在外部走？因为主卷扬布置在地面，于是必然存在一个起吊钢丝绳怎样从地面的卷扬连到抱杆头部变幅小车的问题。具体只有二种方法：一种是钢丝绳从抱杆杆身的外面上下穿行，另一种是钢丝绳从抱杆杆身内部的结构间隙中上下穿行，如图七。钢丝绳在外相对在内有如下不足：1、 在单臂作业时，钢丝绳张力对抱杆中心有较大的偏心，会产生附加的有害弯矩。如图八。2、 附着杆之间的夹角只有90，钢丝绳位于2根附着杆之间。当抱杆杆头旋转时，附着杆势必会妨碍钢丝绳移动，造成抱杆头部只能进行45的双向旋转。而双臂抱杆要求抱杆头部至少能执行90的双向旋转。如图九。3、 钢丝绳阻碍标准节的加节。如图十，左侧钢丝绳“挡住“了标准节的去路。要解决这个问题只有三种方法：一是使用片式标准节；二是将标准节改到从侧面插入，但势必在杆身侧面要分别增加二付“副臂”，用于吊升标准节；三是将钢丝绳多次转向后，从杆身侧面下行，如图十一，这不仅加大了结构的复杂性，同时也对抱杆产生了较大的附加扭矩，将大大增加杆身、附着和旋转机构的承受负荷，旋转机构也需进行较大改造。4、 在抱杆头部旋转时，由于地面卷扬机是固定不动的，钢丝绳地面一端也就相对抱杆杆身固定，而抱杆头部的钢丝绳另一端是相对抱杆杆身旋转的，这样钢丝绳会在杆身上出现螺旋缠绕现象，如图十二，这对杆身及钢丝绳的保护都不利，同时也会象第3条一样产生较大的附加扭矩。钢丝绳在内也有如下不足：1、 同样存在“挡路”的问题，解决办法只能采用片式标准节。而片式标准节在高空组装时比整体式标准节要困难，而且制造成本也偏高。2、 标准节内部爬梯和休息平台可能需要适当调整位置，以避开钢丝绳。本抱杆决定钢丝绳在杆身内部穿行，同时采用“片式标准节”。片式标准节的安装有二种可行的方案。一是不修改顶升套架，将3片标准节在地面组装为“”形，与第4片简单绑扎后被起重臂一起起吊到顶升套架的平台上，然后先将独立的第4片从套架内饶开中间的钢丝绳放到位，再将“”形的其他3片直接推到位，最后上紧插销和螺栓就可以了。安装步骤如图十三：第二种方法需要修改顶升套架。我们的抱杆是对称双臂，可以考虑将套架由一个开口，改为对称地开二个口，这样标准节就可以从相对的二个方向同时进位安装，避免了标准节片子在套架比较窄小的空间内避饶钢丝绳的问题。修改后的套架，顶升油缸原位置因为要开口，因此油缸位置需改到套架的侧面。套架开双口，可能会削弱自身的负载能力，因此有必要在标准节装到位后，对套架进行局部补强。该补强能方便装拆，因为每次加节前要拿掉补强，加节结束后，又要装上补强。如图十四。六、抱杆回转方式我公司以前的老式抱杆，包括K2工程的双平臂抱杆，都是采用抱杆头尾加轴承，抱杆实现整体人工旋转的。而塔吊通过成熟的回转支承结构实现机械回转。后者的先进性不言而喻。塔吊也分上回转和下回转二种回转方式。如图十五。在抱杆长度较大时，抱杆自重很大，如采用下回转，回转结构负荷太大。而且下回转时，抱杆杆身基本也是整体回转，附着锚环与杆身相对转动，增加了锚环的制造难度，削弱了附着的作用。本抱杆决定采用上部回转支承实现抱杆头部回转。由于抱杆只需要90的双向旋转，因此要求回转机构的控制系统能有效的控制回转的角度范围，因为当回转角度超过180时，杆身内部的二根主钢丝绳肯定会出现缠绕现象，如图十六。七、抱杆总体结构经过以上选择，抱杆总体结构基本成形，它具有以下特征：1、 抱杆座地；2、 利用液压顶升套架，上部加节；3、 对称双平臂；4、 主卷扬布置于地面，钢丝绳在杆身内部上下穿行，采用片式标准节；5、 采用上部回转支承实现抱杆头部90的双向旋转；抱杆总体结构方案如图十七。本抱杆正式名称为“双平臂自旋自升座地抱杆”。本抱杆从机构上可分为八大系统：1、 主起升系统：包含二套主卷扬机、地面转向滑轮、起重臂根部转向滑轮、钢丝绳、吊钩及小车。2、 回转系统：包含回转支承、电动机、耦合器、减速器、制动器等。3、 变幅系统：包含小车、钢丝绳、转向轮、变幅卷扬等。4、 附着系统：包含锚环、附着杆、预焊在铁塔主材上的锚耳等。5、 顶升系统：包含顶升套架、顶升油缸及油路等。6、 安全限制系统：包含缓冲器、起重量限制器、幅度限制/指示器、起重力矩限制器、起升高度限制器、回转角度限制器、风速仪等。7、 电气集中控制系统：包含起升控制、回转控制、小车变幅控制、液压顶升控制等。8、 电视监控系统：在抱杆头部装有监控探头，便于地面人员观察塔材就位及抱杆加节等操作。八、抱杆拆除跨越塔组立完成后，就要准备拆除抱杆了。抱杆布置在铁塔内部，而铁塔顶端平口尺寸一般只有5到6米，如图十八，因此抱杆的双臂肯定无法通过此平口直接下降，不能执行象“加节”那样简单的反操作。用塔吊在塔内组立铁塔同样存在这个问题，塔吊的解决办法是将头部“高空解体”。而我们的抱杆臂长小，没有笨重的配重臂，可以通过折叠回收起重臂的方法来拆除双臂。双臂折叠回收的过程如图十九。为了实现可回收的目的，在起重臂根部和撑架下部预先设计有一套销耳，我们称之为“回收耳”。同时在起重臂中部和撑架顶端预先设计有挂滑轮组的挂孔。先在挂孔上挂好滑轮组，通过地面绞磨慢慢提起起重臂，撤掉起重臂拉杆。当“回收耳”配合到位时，在“回收耳”内插上插销，然后去掉起重臂根部的绞销。继续回收，最好将起重臂和撑架绑扎位一体，这样就可以实现整体下沉了。接下来的步骤如图二十，用滑轮组提住杆身，利用铁塔拆除抱杆下部杆身，然后用滑轮组慢慢放低抱杆头部，直到抱杆最高点低于铁塔地线支架平口，在抱杆头部和地线支架平口之间新加一套滑轮组，利用这套滑轮组一直将抱杆头部下放到地面，最后采用吊车或利用铁塔塔身将其一一分解拆除。也可以先将抱杆头部从旁边放下地后，再去拆除余下抱杆下部杆身，这样可以避免将抱杆头部悬在空中的同时拆卸其他杆身潜在的安全风险，也可以节省一套吊装设备。九、附着系统抱杆布置在铁塔内部，在铁塔四角的主材上预先焊上挂孔，作为附着杆和铁塔的连接点。外附着时，塔吊的附着一般采用3杆或4杆。我们的抱杆的优点是可以四个方向对称布置附着杆，附着杆尺寸相对可以小一些。考虑到杆身扭矩的作用，抱杆的附着系统决定共用5根杆。如图二十一。考虑到铁塔的承受力，附着杆必须布置在铁塔有水平材的节点上。跨越塔水平材间的间距从地面到塔腰一般是逐步递减的，具体约为19m12m。导线横担以下有一端长约26m无水平材，但该段开口较小，塔材较轻。从导线横担附近开始向上，铁塔水平材间距一般只有约5m5.5m。根据塔材特点，附着的垂直布置间距可以这样确定：1、 塔身下部，附着的垂直间距不大于20m，即每档水平材处设一附着。第一道附着离抱杆起重臂垂直距离应小于25m；2、 塔身腰部，附着的垂直间距不大于30m，即每二档水平材设一附着。第一道附着离抱杆起重臂垂直距离应小于20m；3、 塔身上部（中间无水平材，高约26m），附着的垂直间距不大于13m，即在该段中间无水平材处也要打附着。即使无水平材，但该段吊装负荷较小，铁塔也可承受。第一道附着离抱杆起重臂垂直距离应小于20m；4、 塔身顶部，吊横担，负荷大，附着的垂直间距不大于10m，也是即每二档水平材设一附着。第一道附着离抱杆起重臂垂直距离约小于15m；虽然，上面第3条略有差异，但仍可以确定附着的布置原则为：附着的垂直间距不大于30m，第一道附着离抱杆起重臂垂直距离约小于25m。十、电缆布设由于集中控制系统在地面，几乎所有操作的控制电缆都要从抱杆头部穿行到地面控制中心。在铁塔很高，电缆自重很大，而且抱杆不断加节顶升的情况下，电缆的布设必须考虑二个问题：一是收放卷筒的布置位置，二是电缆怎么上下穿行和绑扎。随着抱杆的顶升，电缆在杆身上需要逐步向上绑扎。这样电缆不会因为缺少绑扎，被自重拉断或被风力吹摆不定。收放卷筒的作用是确保