大型塔吊在钢索塔安装中的选型与配置

王立英，彭 武，王栓让，马建磊

（中交第二公路工程局有限公司，陕西 西安 710065）

0 引 言

目前合金钢材料在大跨径桥梁中的应用越来越受到关注，大型塔吊在大跨径桥梁钢结构安装中也越发重要，如南京长江三桥和泰州长江公路大桥的钢塔节段吊装质量在139.6～144t之间，采用3 600t·m、160t塔式起重机吊装；马鞍山长江公路大桥和武汉鹦鹉洲长江大桥中塔钢塔节段吊装质量分别在200～230t之间，采用5200t·m、240t塔式起重机吊装。

本文以南京浦仪跨江大桥为背景，研究该桥主桥独柱钢索塔节段施工吊装用大型关键设备，为钢塔柱吊装提供安全可靠的保障［1－3］。

1 工程概况

南京浦仪跨江大桥主桥为跨径50m＋180m＋500m＋180m＋50m的独柱形钢塔双索面钢箱梁斜拉桥。索塔顶处高程为＋177.4m，东塔塔底高程为＋13.0m，塔柱高164.4m。索塔采用切角矩形断面，单箱多室布置，由四周壁板和三道腹板构成。为了减小塔柱截面风阻系数，改善涡震性能，布置尺寸为0.8m×0.8m的切角，将截面进行钝化。钢索塔构造如图1所示。

图1 钢索塔构造

钢塔柱共划分为19个节段，节段长度除T1外，其余为7.0m～14.4m不等。节段间采用栓接接头，最大节段T1重约610.12t。

T1～T5节段采用大型浮吊一次性安装就位，T6～T19节段每个节段分为2个安装块段，采用大型塔吊起吊安装。

2 大型塔吊的选型定位

2.1 选型原则

鉴于目前国内3 000t·m级及以上大型塔吊资源的有限性和国内钢结构桥梁设计逐年增加，节段质量增加趋势明显，对大型塔吊选型时考虑在满足浦仪大桥使用要求的前进下应适度超前，故选型定位在3 000t·m级，额定起质量为200t。

2.2 选型依据

南京浦仪跨江大桥东索塔高164.4m，竖向共分为19个节段，T1～T5节段采用大型浮吊一次性安装就位（图2），T6～T19节段每个节段划分为2个安装块段，采用大型塔吊起吊安装（图3）。T6～T19节段中T13的中跨侧块段最重（117.2t），加上1／2钢锚梁自重约17.8t，吊具自重约8t，则塔吊最大吊重约为143t。为满足南京浦仪跨江大桥索塔节段吊装需要，初步确定起重力矩为3 000t·m级，根据适度超前的选型原则，结合国内钢结构索塔结构桥梁发展趋势和市场调研规划桥梁中钢索塔节段分段重量［4－5］，最终选择额定起吊质量为200t，其型号为STT3930-200t。

图2 索塔T1～T5节段吊装

图3 索塔T6～T19节段吊装

3 大型塔吊的结构要求及配置

3.1 结构设计

大型塔吊多用于大型桥梁、超高型房屋建筑、风电、火电等领域。本次将大型塔吊首次用于大型桥梁钢塔节段吊装，在产品设计和制造上采用国际最高标准，确保产品的品质和安全［6－10］。

3.1.1 整体式固定地脚

为了保证大型塔吊的整体稳定性，确保安装水平精度和垂直度，固定地脚采用整体式制作，这样可以达到以下几个目的：稳定性好，强度高；轴孔由数控机床整体加工，精度高，便于安装；打基础时不需要固定框或标准节协助，安装便易；地脚锚固性能好，抗拔力更大。整体式固定地脚如图4所示。

3.1.2 塔身整体式结构设计

考虑大型塔吊附着在柔性的钢结构索塔上，塔吊在吊装索塔节段过程中与钢塔柱会产生耦合作用，应确保塔吊标准节的变形在合理范围内。

塔身选择整体式设计，主要钢结构采用Q460C高强材料，其刚度更强，不会出现扭转变形。塔身节采用单销轴连接，销轴孔用数控机床整体加工，保证了精度，安拆方便。

图4 整体式固定地脚

塔身分为加强节、标准节（图5）及附墙节，优异的加工精度确保了塔身不同节段之间的互换性。

图5 标准节结构

3.1.3 顶升套架结构和液压顶升系统设计

为了解决超大件运输问题，顶升套架设计为双拼装式套架，安装及拆除快捷、运输方便。顶升泵站设在顶升油缸上方，便于观察和操作，配备顶升横梁专用移动辅助油缸，省力安全。

顶升油缸设计采用三油缸后侧顶升，以液压缸机械连接方式同步回路，采用刚性梁将液压缸连接起来，连接件具有良好的导向结构和刚性。将多个油缸的有杆腔和无杆腔分别联通，使各个油缸压力保持一致，以实现多油缸同步回路。为达到油缸带载工作时的自主平衡，采取3个平衡阀并联统一供油的措施。为确保空载提升元宝梁平衡，为每个油缸设计了单独的控制阀，随时调节油缸的空载状态。油缸带载时，使用三合一的主阀操控。顶升液压系统配有防爆阀、平衡阀以及多个具有安全保护功能的溢流阀，在一个溢流阀发生故障时，其他溢流阀依然会保护系统不超载，保证了顶升安全。

图6 顶升套架和液压系统

3.1.4 起重臂梯形臂架结构形式

起重臂架的主要钢结构采用Q460C高强材料，保证了塔机主要结构件的安全裕度和塔机寿命［11］。

起重臂架（图7）上弦为整张Q460C高强钢板切割而成，无焊缝。起重臂架下弦变幅小车轨道采用焊后加工工艺，精度高。起重臂臂架上弦采用“三板夹二板”连接形式，增加剪切面，大大减少销轴截面尺寸。

图7 梯形臂架结构

变幅小车设计有车轮纠偏装置，确保任何载荷下车轮与下弦轨道面100%接触，极大地提高了臂架轨道寿命和塔机吊载的安全性能。

3.2 主要功能配置

在大型塔吊选择定位时，从设计理念、安全因素、智能控制等方面对主要功能配置也提出了诸多要求［12－15］。

3.2.1 双起升机构设计

STT3930-200t型塔吊采用双起升机构（图8～10），电机功率为324kW，容绳量可达2 400m，8倍率绕绳时可安装近300m高，满足目前市场调研的索塔施工高度。同时吊重小于100t的重物时，可切换为单机构工作，提高效率。

3.2.2 顶升悬挂感知智能系统

图8 双起升机构

图9 双重制动系统

图10 双卷筒起升机构钢丝绳穿绕形式

塔吊自行整体顶升安装及拆除是塔吊安全管理的重要内容，也是目前容易出现安全事故的环节。STT3930塔机采用三油缸后侧顶升设计，以液压缸机械连接方式同步回路。套架、标准节、油缸、顶升横梁的连接采用机械连接，其中套架相当于“刚性梁”，套架、套架滑块与标准节组成导向装置。该同步回路具有结构简单、工作可靠的特点。

为确保每次顶升安全可靠，在顶升横梁上设有顶升悬挂感知智能保护系统（图11），即安全监控及报警系统，确保每一次顶升时自动识别顶升横梁挂入情况，预防人为失误。

3.2.3 液压拔插销系统

塔吊标准节、塔头、臂架、平衡臂、压重底架等所有销轴的安拆均采用液压拔插销器（图12），避免安拆人员高空移动销轴，确保安装人员始终在平台内施工作业，降低了装配工人的劳动强度及风险，使得塔机安拆工作更安全、高效。

图11 顶升悬挂感知智能保护系统

图12 液压插拔销器

3.2.4 自悬挂自脱钩电动引进系统

STT3930塔吊在结构设计上引进了自悬挂自脱钩电动引进系统（图13），通过靠近塔身侧的挂钩悬挂标准节安装专用吊具，在起升到安装高度后，由塔吊操作人员自行摘挂标准节，不需要安拆人员辅助，减少了安装操作人员数量，降低了人员操作安全风险，同时通过自悬挂自脱钩减少了常规安装过程中人员的操作工序，提高了安装效率。

图13 自悬挂自脱钩电动引进系统

3.2.5 智能安全监控系统

塔机配置高标准的安全监控管理系统（图14），该系统设计有4个视频监控系统，可实时在电脑上显示塔机或塔机群的工作状况，同时具有黑匣子记录功能、防互撞和区域保护功能，可实现塔吊使用过程中的全方位监控。

图14 智能安全监控系统

故障诊断系统由变频器及力矩限制器组成，两者都具备故障诊断及故障报警检出功能，能在第一时间发现故障并切断输出，保护设备的安全。力矩限制器通过采集各行程传感器及力传感器的实时信号，反馈计算塔机的实时状态。当行程传感器或力传感器出现断线或短路故障时，力矩限制器实时报警，提示操作者当前故障发生的原因，便于排查解决。

变频器通过编码器实时监视运行机构的反馈，一旦机构出现运行超速，变频器检出故障，就会通过制动逻辑命令切断制动器电源以及电动机的输出电源。

3.2.6 智能化和精准定位功能

（1）塔机起升定距离运行。起升机构可定距离运行，当司机在显示屏中设定好起升或者下降运行的距离值，起升机构只会运行设定的相应距离且到设定距离后自动停止。

（2）蚁速运行（超低速满载运行）。塔机起升机构可以低于0.5Hz的低速满载运行，通过联动台上“正常／慢速／遥控”选择开关及精准定位功能，可实现毫米级动作。

（3）制动器保护功能。当起升机构的制动器出现故障不能抱闸或者抱不紧导致重物下溜时，变频器在通电模式下能自动检测该故障，同时输出报警信号提示司机将重物下放到地面。

3.2.7 变幅小车防断绳装置

变幅小车的钢丝绳规格小，使用和检查也容易被忽视，为确保变幅小车安全使用，防止发生意外，设置变幅小车防断绳装置（图15）。STT3930防断绳装置通过安装在变幅小车上的防断绳杆动作，使防断绳杆端头插入到臂架侧面斜腹杆中，从而使变幅小车停止运行。

图15 防断绳装置

4 结 语

STT3930-200t型塔吊的选型思路与实践，首先是在满足南京浦仪跨江大桥主桥钢索塔节段吊装施工的基础上，再进一步考虑特大型桥梁建造中采用钢塔结构逐步增多、钢结构节段单元划分越来越大、对吊装设备的能力要求越来越高的趋势。在设备配置中，融入了信息化、智能化、安全监控及人性化设计等先进技术，整体配置具有一定的前瞻性和技术领先水平，大幅提高了设备安全性能和使用效率。该型塔吊在南京浦仪跨江大桥的成功使用，将为其他类似工程提供有益的参考。