1　工程概况

某核电项目的一个大型钢结构模块呈锥形结构，是核岛厂房的封顶结构，该结构下半径21.4m，上半径5.18m，高度12.4m，重量达1030t，由32根主框架梁及主框架梁间的支撑梁、覆面板等结构组成。将该结构在地面拼装成整体钢结构模块，采用大型起重设备将该模块整体吊装至核岛既定位置；该模块共设置32个吊点，吊索具分为一级索具、二级索具，一级索具与吊钩直接连接，二级索具通过分配器与一级索具连接，模块吊索具连接如图1所示，经计算分析，二级索具最大理论索力值为40.5t。

图1　钢结构模块吊装示意

2 大型钢结构模块吊装特点

2.1　模块就位精度要求高

该模块吊装就位空间余量仅有75mm，模块重量 约1030t，模块直径42.8m，模块高度12.4m，吊装过程中，模块下口直径变形允许的极限偏差在模块直径的1/900内，才能满足模块就位条件。模块吊装的这一高精度指标要求精确控制索力偏差，索力偏差理论值要与索力偏差实际值相匹配。

2.2　索力监测精度要求高

索具受力是保证模块吊装质量安全的重要环节，根据有限元计算结果，各吊点实际受力与理论受力的偏差不得超过10%，这就对索力监测设备的精度提出了更高的要求。传统模块吊装索力监测主要有两种方法：（1）由索工根据已有施工经验感知索力，该方法仅能对索力进行大致判断，无法精确感知索力大小；（2）采用粘贴应变计测定索具应变进行索力监测，由于应变计受阴雨、暴晒、大风、安装人员技术水平等外部因素影响较大，索力监测精度不高。上述两种方法均存在严重的技术缺陷，吊装过程中无法保证索力监测的高精度。

2.3　索力调整难度大、效率低

为保证模块吊装的质量安全，模块分级起吊，模块在受力400t、800t、模块离地3种受力状态下进行索力调整。采用传统花篮螺栓进行索力调整，作业人员人工扳动花篮螺栓调整索具长度，此时需要索具不受力，因此在调整过程中起重机需要反复起钩、落钩。同时，起重机在起钩、落钩过程中各位置索具长度又存在微变化，造成索力重新分配。为保证索具实际索力与理论索力的偏差不超过10%，索力需要反复多次调整。另外，模块吊装用钢丝绳索具重量达70t，作业人员需要在搭设的专用作业平台上人工扳动花篮螺栓进行反复调整，因作业空间、索具自重大等因素，花篮螺栓调整难度大，调整1根索具往往需要多组作业人员轮流调整。因此，这种索力调整方法难度大、耗时长、效率低，按照以往索力调整经验，该方法调整时间约4d。

为解决上述钢结构模块吊装时就位、索力监测和调整的难点，经过多次研究、反复论证，采用索力监测、调整系统进行索力监测、调整，即采用销轴传感器代替原来的销轴，通过传感器、信号接发装置实现索力监测的无线传输、可视化、高精度监测，采用液压动力调整装置进行索力调整，实现在索具受力较大情况下对索力进行快速、自动化调整。

3　索力监测调整技术

3.1　索力监测、调整装置设计

3.1.1　索力监测装置设计

（1）组成介绍。索力监测装置包括索力测量系统、信号转换和传输系统、信号采集系统、以及信号处理和决策系统，具体如图2所示。

图2　监测系统的主要组成部分

（2）索力监测系统设计。监测系统的核心是相关的传感器，现用于索力监测的传感器类型主要包括应变片、引伸仪、轴销式传感器、磁通量传感器4种类型，其技术指标见表1。由表1可以看出其他3种传感器相较于轴销式传感器同时具有测量精度高、稳定性好、便于标定、可重复使用、造价适中等优势，适合用于索力测量。该索力监测系统使用的轴销式传感器根据吊索具中轴销的尺寸进行定制。

表1　现有索力监测传感器技术指标

在吊装过程中轴销式传感器属于主要承载器件，其必须满足吊装过程中的强度要求，销轴传感器额定载荷50t。销轴传感器逐个进行强度验证实验，以及索力测试精度标定，标定荷载不低于额定荷载，标定值550kN，实际值与标定值偏差最大为0.65%，标定的具体实际值见表2。

表2　销轴传感器实际读数信息

数据采集系统以及数据分析和决策系统在实验室预先安装调试完成，采用点对点的接收方式，当接收传输系统发送的测量信号后，可以在电脑终端上实时图形显示测量结果，并自动存储测量结果。若有索力超限，系统进行报警，提示现场指挥人员作出决策。

3.1.2　索力调整装置设计

（1）组成介绍。索力调整装置包括耳板、顶杆、锁紧螺母、导向柱、圆板、液压装置固定位置、液压装置。索力调整装置是将伸缩装置和液压动力装置相结合，形成可伸缩的液压动力调整装置，调整装置圆板、连接板、吊耳均采用锻造工艺成型。索力调整装置额定荷载50t，即索力调整装置须在50t拉力下能够正常使用。索力调整装置设计根据GB50017—2017《钢结构设计规范》 进行相关取值和分析，为验证装置的有效性，采用有限元法对索力调整装置进行计算分析。并给出了模型的边界条件，即在调整装置一端施加固定约束，而在另一端 y 方向施加50t的荷载。

（2）索力调整装置设计。根据整体应力云图可知，应力分布较为合理，最大应力为714.4MPa，出现耳板上，此处有应力集中点，耳板是由40Cr材质钢板锻造而成，40Cr钢板下屈服强度为780MPa，满足调整装置受力要求。 

根据整体位移云图可知，整体位移分布较合理，最大变形位移为 y =2.096mm，位置为油缸行程调整连接板吊耳处，此变形为弹性变形，满足使用要求。

3.2　索力监测、调整装置应用

3.2.1　验证试验

索力监测装置额定荷载50t，在实验室进行标定和信号接收试验。

索力调整装置额定荷载50t，在实验室进行1.25倍拉力试验和4倍破断拉力试验。

索力监测装置和索力调整装置按实际使用情况进行连接，确保二者尺寸匹配性满足使用要求。

3.2.2　工艺流程

在大型钢结构模块吊装中应用索力监测、调整装置对32个吊点位置索力进行监测和调整，具体步骤：一级索具连接→销轴传感器与索力调整装置、吊耳连接→二级索具与索力调整装置、一级索具连接→吊索具拉紧→起重机提升模块400t→索力监测调整→起重机提升模块800t→索力监测调整→起重机提升模块离地→索力监测调整。

3.2.3　索力监测、调整

在32根二级吊索与吊耳连接处，安装销轴式索力传感测试系统，并利用信号放大系统、无线发射系统对吊索索力进行实时监测，并在电脑上以动态图形显示测量结果。

在起重机提升模块400t、800t、离地时起重机暂停起吊、保持起吊荷载，对二级索具受力进行监测和调整，起重机读数见表3。

表3　二级索具检查时起重机读数

通过观察索力监测系统的索力读数，找出实际索力与理论索力偏差超过10%的索具，作业人员对索力 进行调整。索具调整时优先采用索力调整装置调整，作业人员通过调整装置内部的液压动力装置的长短调整索具长短，从而快速达到索力调整的目的。

索力调整装置使用注意要点及流程：液压动力装置快速插头安装→手动泵开关开启→液压动力装置加压→索力调整装置调整到位→螺母拧紧→手动泵开关关闭→液压动力装置快速插头拆除。

在索力调整过程中，作业人员观测索力变化，当所有索力与理论索力的偏差低于10%时，暂停索力调整，进行下一步吊装活动。

4　索力监测调整对比

模块吊装前，经过1d的索力调整，二级索具的实际索力与理论索力的偏差均满足要求，索力调整值见表4，采用索力监测、调整装置后，钢结构模块吊装能够将索力值控制在理想范围内，满足钢结构模块吊装需求。与前期使用花篮螺栓进行索力调整相比，液压动力调整装置在工期、人员投入等方面具有较大的优势，具体见表5。

表4 　模块索力调整后索力信息

表5　索力调整对比分析

5　结论

经过反复计算、试验验证和现场应用，索力监测、调整装置施工方法切实可行，并具有以下优势。

（1）索力监测装置可提高大型钢结构模块吊装时索力监测精度，确保模块各吊点受力贴近理论受力，减少模块吊装变形，保证模块吊装质量、安全。

（2）索力调整装置可以减少作业平台搭设工作，减少大量高空作业等安全风险，大幅降低索力调整难度，减小模块吊装安全风险，节约大量人、材、机投入，减少模块吊装成本。

（3）索力监测装置和索力调整装置配合使用，可以减少索力调整时间（模块吊装工期）3?d，大幅提高索力调整效率，缩短大型钢结构模块吊装工期。

随着大型起重设备的普及、模块化施工理念和绿色施工理念的发展，模块化施工逐步向大重量、大体积方向发展，同时对模块各吊点受力偏差和模块本体变形提出了更高的要求。采用传统索力监测、调整方法很难解决大型钢结构模块吊装中索力精度问题和索力调整过程中的成本问题，本研究所描述的索力监测、调整方法实现了大型钢结构模块吊装自动化零的突破，为今后大型钢结构模块吊装中索力监测、调整提供了一个新的思路和方向。