簡易桅桿起重系統中安全穩定分析

陳 晨

(黑龍江省水利第二工程處，哈爾濱150302)

0 前言

某小型工程位于山區，場地狹窄，地形復雜，交通不便，常規起重機械難于現場吊裝施工使用。經核算構件最大處重為800 kN，故采用結構簡單，制作容易，安裝和拆除方便，造價低的桅桿式起重系統。主要組成［1］見圖1。

圖1 桅桿起重系統

1 地錨的設計

地錨的類型很多，常見的有埋樁地錨、打樁地錨、捆龍地錨、混凝土地錨及炮眼地錨等。大型永久性地錨多采用鋼筋混凝土結構，吊裝作業中的臨時地錨多采用圓木或型鋼制成。本工程簡易桅桿重系統采用圓木捆龍地錨固定系統。

桅桿式起重系統是利用地錨將纜風繩、卷揚機、起重滑車或承重繩固定在地基上，在使用時，桅桿應保持一定的傾角(一般≤10°)。以便在吊裝時，構件不致碰撞桅桿。纜風繩≥4根，纜風繩與地面的夾角為30°～45°，角度過大則對拔桿將產生較大的壓力，纜風繩多采用鋼絲繩，需進行防腐處理和拉力試驗。桅桿式起重系統施工操作的安全性取決于地錨造型和施工質量，因而必須十分重視。

圓木捆龍地錨由3根直徑18 cm、長4 m的圓木組成，埋入深度3 m，由鋼絲繩捆扎，并由坑底沿斜槽斜向拉出與纜風繩相接，纜風繩與地面的夾角為30°，鋼絲繩距圓木端的距離為1 m。圓木抗折強度經實驗檢測為14 MPa。圓木捆龍后，采用黏性土回填壓實，壓實后經環刀取樣，測得土壤堆積密度為18 kg/m3，地錨的摩擦系數為0.4。具體布置見圖2。

圖2 地錨布置圖

2 地錨的穩定計算

根據設計布置分析，可以看出地錨主要承受纜風繩所產生的拉力，其拉力可分解為水平分力和垂直分力，水平分力對坑壁土產生壓應力，而垂直分力對地錨形成上拔力;若前土壁受壓失穩或地錨抗拔失穩，將導致起重系統損壞。因此，水平地錨設計必須進行強度和抗拔穩定性及土壁抗壓穩定性驗算。

綜上分析，水平地錨的計算內容應包括:在垂直分力作用下地錨的抗拔穩定性;在水平分力作用下側向土的強度;地錨強度的計算［2］。

2.1 地錨的抗拔穩定性計算

由鋼絲繩或鋼筋環自坑底沿斜槽斜向拉出的，地錨的抗拔穩定性按下式計算:

式中:K為安全系數，一般取1.6;Fy為地錨荷載的垂直分力;Fy=Fsin?，其中F為地錨荷載，?為纜風繩與地面的夾角。G為作用在地錨型鋼上的土重;HLγ;式中b為型鋼寬度;b'為受壓區土的有效寬度，b'=b+Htgφ，φ為土的內摩擦角，松土取15°～20°，一般土取 20°～ 30°，堅硬土取 30°～40°;H為地錨埋深;L為型鋼長度;γ為土的堆積密度。T為土壤摩擦力，T=ksFx，ks為摩擦系數，Fx為地錨荷載的水平分力;Fx=Fcos?。地錨的抗拔穩定受力分析見圖3。

圖3 地錨的抗拔穩定受力分析簡圖

該工程地錨的抗拔穩定性計算為:

1)水平方向的分力:

2)垂直方向的分力:

3)地錨的土重:

4)摩擦力:

5)穩定性計算:

2.2 側向土的強度計算

側向土的受力分析見圖4，地錨的容許承載力計算公式為:

式中:［σ］為地錨埋深H處土的容許承載力，［σ］=tg2(45°+)Hγ;K1為降低系數，一般取0.5～0.7。

計算公式為:

3 m處土壤容許承載力計算公式為:

因［?］K1≥，所以側向土的強度滿足要求。

圖4 側向土的受力分析簡圖

2.3 地錨強度計算

地錨強度計算公式為:

1)地錨軸向力計算:

2)水平方向所受彎矩計算:

3)垂直方向所受彎矩計算:

4)截面抵抗矩計算:MPa＜ ［f］ =18MPa

故地錨型鋼強度滿足要求。

3 結論

桅桿式起重系統雖然結構簡單，制作容易，安裝和拆除方便，造價低。但與常規起重設備相比，其起吊重量、安全穩定性等還距有一定的差距。故在使用時，除要進行設計安全穩定分析計算外，在進行吊裝施工作業時，還要重視如下問題:

1)吊裝裝作前必須對設備情況、構件特點、操作要求、安全注意事項等內容進行施工交底。

2)使用前查明滑車的額定起重量，不準起負荷，同時檢查滑車各零部件是否完好，裝配有無問題，如有缺陷，嚴禁使用。

3)滑輪直徑與鋼絲繩直徑的比值，不應小于規范規定的數值。

4)使用的鋼絲繩直徑必須符合規定要求，鋼繩與滑輪槽偏角不超過4°～6°。鋼絲繩不得出現銹蝕破損等現象。

5)在受力方向變化較大的地方和高空作業中，不宜使用吊鉤型滑車，應選擇吊環式滑車，以防脫鉤，如用吊鉤型時，必須用鉛絲封口。

6)吊鉤表面應光滑，不得有裂紋、無剝裂、折疊、銳角、毛刺、過燒等缺陷。不得使用鑄造的吊鉤。

7)電動卷揚機安裝距離不得小于桅桿高度。卷筒的中心至最近的一個導向滑車的距離應大于卷筒長度的20倍，當繩索繞到卷筒的防繞入，當繩索繞到卷筒的中心時，繩索應與卷筒中心線垂直。

只有這樣才能確保桅桿式起重系統吊裝作業的順利運行。

［1］嚴心娥.土木工程施工［M］.北京:北京大學出版社，2010:98-99.

［2］馬寧.土力學與地基基礎［M］.北京:科學出版社，2008:75-80.