桁架式扁擔(dān)梁的應(yīng)用與設(shè)計

葛為結(jié)

（寧波高新區(qū)海星船舶設(shè)計有限公司，浙江 寧波 315000）

在海上工程建設(shè)中經(jīng)常使用混泥土管樁，由于混泥土管樁一般為細(xì)長形，吊裝、運(yùn)輸時首先要考慮管樁在起吊過程中容易發(fā)生變形的情況。通常吊裝、運(yùn)輸此類管樁的流程如下：在工廠里用龍門吊上的起吊裝置通過鋼索與扁擔(dān)梁頂部的起吊裝置相連，然后利用扁擔(dān)梁底部的多個起吊裝置用鋼索與管樁相連，然后龍門吊提升扁擔(dān)梁，同時提升管樁并吊運(yùn)至船上，再通過船運(yùn)到指定的海上目的地。本文所研發(fā)的扁擔(dān)梁，已建造成功，在實(shí)際應(yīng)用中得到了用戶的認(rèn)可，對起吊細(xì)長形物體提供安全保障。見圖1。

圖1 龍門吊及扁擔(dān)梁起吊圖

1 扁擔(dān)梁的作用

用龍門吊吊運(yùn)管樁的過程中，扁擔(dān)梁起到了以下作用。（1）龍門吊吊鉤通過鋼索與扁擔(dān)梁頂部吊點(diǎn)垂直連接，使龍門吊受力最小，此時龍門吊的起吊能力最大。龍門吊起吊時若直接采用鋼索起吊，兩吊點(diǎn)間鋼索的夾角越大受力就越大，若兩吊點(diǎn)相距很近，管樁因兩端懸臂太長而發(fā)生變形甚至斷裂。（2）扁擔(dān)梁底部的多個吊點(diǎn)與管樁相連，此時管樁受力比較均勻，不容易發(fā)生變形或斷裂。（3）利用扁擔(dān)梁后可將吊裝范圍擴(kuò)大好幾倍。若直接用吊機(jī)上的吊點(diǎn)起吊物體，一般被吊物體長度局限在20m以內(nèi)。

2 扁擔(dān)梁的設(shè)計及分析

2.1 設(shè)計要求

龍門吊及管樁情況：已有起吊能力為80噸的龍門吊兩臺，兩臺龍門吊并排安裝，兩臺龍門吊起吊裝置間距為20米；被吊管樁最大長度88米，最大重量120噸，最大直徑約1.5米。

根據(jù)上述情況，對扁擔(dān)梁的具體設(shè)計要求如下：（1）根據(jù)管樁長度，起吊時端部的懸臂長度需控制在10米以內(nèi)。（2）扁擔(dān)梁底部每間隔約1.5米設(shè)置1個吊點(diǎn)，每個吊點(diǎn)負(fù)荷16噸。（3）扁擔(dān)梁起吊時具備自動調(diào)整平衡的能力。

2.2 設(shè)計分析

（1）主體結(jié)構(gòu)分析。根據(jù)設(shè)計要求，單臺龍門吊的起吊能力為80噸，兩臺龍門吊的起吊總能力為160噸，由于被吊管樁最大重量為120噸，所以扁擔(dān)梁自重需控制在40噸以內(nèi)。目前常用H型鋼結(jié)構(gòu)、雙C型鋼結(jié)構(gòu)、工字鋼結(jié)構(gòu)的扁擔(dān)梁，由于其結(jié)構(gòu)簡單，一般在兩端各設(shè)幾個吊點(diǎn)，常用于起吊長度較小的物體，不適用于起吊上述長度較長的管樁。另一種箱形結(jié)構(gòu)的扁擔(dān)梁，外部采用鋼板、內(nèi)部采用筋板的型式，制作工藝簡單，起吊能力較大，是目前較常用的一種起吊管樁的扁擔(dān)梁。但箱形結(jié)構(gòu)的扁擔(dān)梁由于自身重量較大，經(jīng)初步估算，符合設(shè)計要求中起吊能力的箱形結(jié)構(gòu)梁，其自身重量要超過40t，預(yù)計要達(dá)到60t左右，無法滿足龍門吊的起吊能力。經(jīng)分析，要把符合設(shè)計要求的扁擔(dān)梁自重控制在40t以內(nèi)，需用桁架結(jié)構(gòu)。桁架結(jié)構(gòu)扁擔(dān)梁能否用于管樁的起吊待分析計算。根據(jù)設(shè)計要求中的描述，管樁最大長度為88m，起吊時端部的懸臂長度需控制在10m以內(nèi)，則扁擔(dān)梁兩端端部吊點(diǎn)之間的最小距離為68m，總長約70m。吊具、吊索預(yù)估重量為5t，則扁擔(dān)梁的主體結(jié)構(gòu)重量需控制在35t以內(nèi)。

（2）自平衡系統(tǒng)分析。起吊管樁前，扁擔(dān)梁與管樁之間的綁扎位置一般由工作人員通過目測選擇，由于管樁較長，綁扎位置的不均衡性會導(dǎo)致扁擔(dān)梁受力不均衡，此時，扁擔(dān)梁由于局部受力過大而發(fā)生變形，對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較大；也會導(dǎo)致龍門吊受力不均衡，2個龍門吊中其中一個負(fù)荷小于額定負(fù)荷，另一個負(fù)荷變大甚至超出其額定負(fù)荷，影響龍門吊的起吊能力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。因此扁擔(dān)梁起吊時需具備自動調(diào)整平衡的能力。

3 扁擔(dān)梁主結(jié)構(gòu)的設(shè)計

根據(jù)上述主體結(jié)構(gòu)的分析，該扁擔(dān)梁主體結(jié)構(gòu)重量需控制在35噸以內(nèi)，若用普通強(qiáng)度的鋼料可能會超重。從強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性考慮，主要材料采用Q345無縫鋼管或板材。

從受力情況考慮，該扁擔(dān)梁與龍門吊吊點(diǎn)連接區(qū)域的受力最大，兩端受力較小，因此采用變截面在確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足時可減少重量。中部40m范圍內(nèi)的截面尺寸大致為：寬度1.5m、高度2.8m，40m以外寬度保持不變高度逐漸變小，兩端面處高約1米。長度方向主桿采用直徑為φ245mm的無縫管，每間隔1.5m設(shè)橫向框架。頂部設(shè)水平斜撐，側(cè)面設(shè)垂向斜撐，以抵抗起吊時發(fā)生的扭轉(zhuǎn)變形與彎曲變形。底部每隔1.5m設(shè)置一根橫向工字鋼，便于焊接起吊眼板，設(shè)置工字鋼另一個優(yōu)點(diǎn)是加大底部起吊點(diǎn)的截面積，加大吊點(diǎn)的剪切面積和扭彎模數(shù)，以提高吊點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

4 扁擔(dān)梁起吊裝置的設(shè)計

該扁擔(dān)梁的起吊裝置由頂部和底部兩部分組成。頂部起吊裝置用于與龍門吊連接，底部起吊裝置用于與被吊管樁連接。頂部距中10m處各設(shè)置一個箱形底座，箱形底座上方設(shè)置大滑輪組，大滑輪組通過鋼索與龍門吊起吊裝置連接。

底部每隔1.5m設(shè)置一組小滑輪組，一根長約80m的鋼索架于小滑輪組上，鋼索兩端固定于扁擔(dān)梁固定滑輪上，在每2組小滑輪組之間設(shè)置一套卸扣和吊鉤，共46套。起吊時，管樁上的吊點(diǎn)通過滑輪與鋼索沿起吊梁長度方向來回滑動，進(jìn)而適應(yīng)貨物重心在不同位置，解決由于綁扎位置不均衡引起的重心不平衡性，使該扁擔(dān)梁具備自動調(diào)節(jié)平衡的功能。

5 焊接要求

該扁擔(dān)梁的制作過程需嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件及起吊零部件的對接焊縫、角焊縫需一級焊縫，所有焊縫需焊透。焊縫要求采用超聲波探傷進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢查，所有耳板處焊縫需做滲透檢測。

6 扁擔(dān)梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

參考《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)要求，采用通用軟件MSC.Patran/Nastran用三維有限元模型對該扁擔(dān)梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析。

6.1 載荷分析

扁擔(dān)梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析時的載荷由以下三部分組成：一是起吊物重量即管樁重量。管樁重為120t，強(qiáng)度分析時取120%的安全工作負(fù)荷。二是扁擔(dān)梁結(jié)構(gòu)自重。三是風(fēng)載荷。風(fēng)載荷按下式計算：=26.4kN，（C風(fēng)力系數(shù)，取1.2；A吊物受風(fēng)面積；P風(fēng)壓，Pa，其中風(fēng)速v取20m/s）。

6.2 扁擔(dān)梁三維模型及分析結(jié)果

扁擔(dān)梁三維模型采用板單元和梁單元模擬。有限元分析時對模型頂部2個吊點(diǎn)位置進(jìn)行約束。載荷加載按12個吊點(diǎn)，均布加載。扁擔(dān)梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 合成應(yīng)力云圖（N/mm2）

圖3 剪切應(yīng)力云圖（N/mm2）

6.3 強(qiáng)度衡準(zhǔn)

扁擔(dān)梁結(jié)構(gòu)材料采用Q345鋼材，物理特性參數(shù)如下：彈性模量E=2.06×105N/mm2；泊松比μ=0.3；屈服強(qiáng)度ReH=345N/mm2。

強(qiáng)度衡準(zhǔn)依據(jù)：參考《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，強(qiáng)度安全系數(shù)取1.48，則合成許用應(yīng)力為：345/1.48=233 N/mm2，剪切許用應(yīng)力為134N/mm2。

從分析結(jié)果得知，扁擔(dān)梁結(jié)構(gòu)最大合成應(yīng)力為187N/mm2，最大剪切應(yīng)力為93.3N/mm2，小于許用應(yīng)力。根據(jù)強(qiáng)度分析情況，扁擔(dān)梁在120%安全負(fù)荷時，強(qiáng)度滿足要求。但兩端變形量稍微大了點(diǎn)。由于扁擔(dān)梁自重的限制，很難通過加大結(jié)構(gòu)的方式來減少變形量，經(jīng)過分析，計算時取了起吊安全負(fù)荷的120%，實(shí)際起吊時重量不會超過100%，對扁擔(dān)梁兩端結(jié)構(gòu)形式做調(diào)整，將兩端做成起翹形以減少扁擔(dān)梁變形帶來的影響。

7 結(jié)語

根據(jù)用戶幾個月的使用情況，該扁擔(dān)梁起吊時會發(fā)生彈性變形，經(jīng)過專業(yè)儀器測量，變形值在許用范圍內(nèi)；該扁擔(dān)梁起吊結(jié)束后檢查梁體，梁體無變形、無裂縫、焊縫無開焊，各起吊裝置無變形，該扁擔(dān)梁底部自平衡調(diào)節(jié)用鋼索在起吊點(diǎn)處有磨損，此鋼索的磨損在預(yù)料中，一般在使用一定周期后會更換。扁擔(dān)梁整體質(zhì)量很好，起吊能力滿足用戶的需求，得到了用戶的認(rèn)可。