復雜工況下的汽車起重機吊裝安全計算方法

張俊杰

(四川能投建工集團有限公司第二分公司, 四川成都 610000)

隨著我國建筑施工行業(yè)的迅猛發(fā)展，施工現(xiàn)場對汽車起重機的需求越來越多，并且隨著新工藝、新技術、新結構的大量應用，大型起重吊裝的工況也越來越復雜(復雜工況是指：吊機工作空間受限；工作場地未能提供足夠的支腿反力，需要進行地基承載力加固措施；被吊裝物體單件重量超過100 kN，形狀不規(guī)則等)。如何保證復雜工況下的大型吊裝工作安全可靠，已經(jīng)成為了施工現(xiàn)場比較棘手的問題。

汽車起重機的相關計算，并無統(tǒng)一規(guī)范固定公式，除《建筑施工計算手冊》和部分高校教材有部分計算公式外，還有一些專業(yè)吊裝公司根據(jù)力矩平衡公司推導出經(jīng)驗公式。筆者在查閱了大量關于吊裝安全性計算文獻和教材后，總結出一套適合汽車起重機在復雜工況下的穩(wěn)定性評價計算方法。

1 汽車式起重機工作原理

汽車式起重機由動力系統(tǒng)、操縱控制系統(tǒng)、工作機構、取物裝置和附屬結構組成。通過對控制系統(tǒng)的操縱，動力系統(tǒng)將動力能量輸入轉變?yōu)闄C械能，將動力和動能傳遞給取物裝置，取物裝置把被搬運物料與起重機聯(lián)系起來，通過工作機構單獨或組合運動，實現(xiàn)物體吊裝功能。可移動的附屬結構將各組成部分連接成一個整體，并承載起重機的自重和吊重。

汽車起重機能安全可靠地發(fā)揮功能，其核心理論是利用了杠桿原理和力矩平衡。吊裝時，車身配重為吊裝提供了穩(wěn)定力矩，增強了穩(wěn)定性，車身的伸出的支腿，扮演著支點的角色，為起重機提供了更好的抗傾覆能力。

2 汽車起重機穩(wěn)定性

2.1 吊機穩(wěn)定性的含義

吊機穩(wěn)定性是指起重吊裝作業(yè)在實現(xiàn)設備或構件等垂直提升、下降和水平移位的功能的同時，起重機械或被吊設備構件在吊裝過程中，其傾覆、失穩(wěn)風險在可控范圍內(nèi)。

2.2 吊機穩(wěn)定性的重要意義

吊裝作業(yè)的核心任務是保證起重吊裝作業(yè)的安全可靠，施工方案一切措施都是圍繞以安全為核心來開展，而起重吊裝作業(yè)過程中起重機的穩(wěn)定性是保證吊裝作業(yè)安全的根本。

吊裝作業(yè)一旦出現(xiàn)安全事故，都會造成的較大的人員傷亡、設備損壞和經(jīng)濟損失。因此了解起重吊裝作業(yè)穩(wěn)定性的含義、不穩(wěn)定性產(chǎn)生原因及預防措施，對確保起重吊裝作業(yè)的安全順利實施具有重大作用。

3 汽車式起重機穩(wěn)定性評價方法

由于目前對于大型設備吊裝運輸?shù)氖┕そM織和工藝技術還沒有統(tǒng)一標準，各行業(yè)、各企業(yè)編寫的施工組織和吊裝技術方案五花八門[1]。各種工況下的吊裝安全性計算方式方法也是種類繁多，其真實性和有效性無法一一驗證。但筆者認為，汽車式起重機的安全性計算和評價方法應基于杠桿原理和力矩平衡為理論基礎來展開討論，用嚴謹?shù)墓胶蛿?shù)據(jù)作為判斷依據(jù)。

筆者查閱相關文獻資料并結合工作經(jīng)驗的前提下，總結出工程技術人員常用的幾種起重機穩(wěn)定性評價的方法，這幾種方法都是經(jīng)過大型吊裝作業(yè)實際驗證過的。

3.1 查詢擬選用的汽車起重機型號的性能表

起重機的性能表就像是起重機的一張“身份證”，是廠家設計汽車起重機的技術依據(jù)，反映了自身工作能力。主要包含的技術參數(shù)有：主(副)臂長度、吊裝高度、回轉半徑、起重力矩、起重噸位、幅度等等。

對于單件起吊重量不超過100 kN、工作空間不受限、地面有較好的地基承載力的簡單工況，且現(xiàn)場的實際技術參數(shù)在吊機性能表覆蓋范圍內(nèi)，則僅參考該性能表即可判定吊裝作業(yè)穩(wěn)定性符合安全要求。例如：以三一重工牌SAC4500型汽車吊為例，根據(jù)工作幅度、主臂長度這2個數(shù)據(jù)查詢對應的起升高度和起重能力。根據(jù)主臂起升高度曲線表可以查詢得到工作幅度、主臂升起高度與最大起升高度的關系，根據(jù)主臂性能表可以查詢得到工作幅度、主臂升起高度與最大起重重量的關系。控制住最大起升高度和最大起重重量，是保證吊機穩(wěn)定性的首要條件。

但是，該方法只考慮了吊裝設備本身的性能，沒有綜合考慮周圍環(huán)境工況對吊裝作業(yè)的影響，所以對于復雜工況來說，僅僅利用汽車吊機性能表來進行初步判斷吊機能勝任該吊裝作業(yè)是遠遠不夠的，還應結合其他方法來進一步綜合判定吊裝穩(wěn)定性是否符合安全要求。

3.2 通過公式計算來評價吊機穩(wěn)定性

該公式出自于《建筑施工計算手冊(第四版)》第20-55號公式[2]，該計算公式仍是對力矩平衡的應用，具體是通過計算吊裝載荷及附加載荷時的穩(wěn)定安全系數(shù)K來判定，計算結果中若K≥1.15，則判定符合吊裝穩(wěn)定性要求，若計算結果K<1.15,則判定不符合吊裝穩(wěn)定性要求，需要重新選擇更有利于吊裝的吊車站位，甚至更換更大額定起重量的起重機(圖1、表1)。

圖1 汽車吊各參數(shù)示意

表1 公式中各符號代表含義

《建筑施工計算手冊》是被廣大施工技術人員采用的工具書，其權威性和有效性也得到了整個建筑施工行業(yè)的普遍認可。該公式也是目前同類型計算普遍被采用的公式，汽車吊機的多個關鍵數(shù)據(jù)參與了計算，計算結果也自然具有較強的參考價值。在工況較復雜的吊裝任務中，應加上該種方法來綜合評價汽車吊的穩(wěn)定性。

3.3 借助計算機輔助軟件來進行計算

隨著計算機模擬技術的發(fā)展，在建筑施工安全計算方面的應用也越來越廣。使用計算機輔助計算軟件來評價吊裝穩(wěn)定性有諸多優(yōu)勢，比如：可以避免人工計算帶來的計算錯誤；提高了計算效率，且計算結果準確性高；計算軟件充分考慮并集成了類似風荷載等人工計算不容易計算準確的影響因素；計算機軟件輔助計算操作簡單，便于推廣，容易復核數(shù)據(jù)，提高了施工方案的審批效率。應該說，計算機輔助軟件進行安全性計算是未來建筑施工行業(yè)信息化發(fā)展的一個趨勢，也是作者較為推崇的一種計算方式。

目前的安全計算軟件種類很多，筆者根據(jù)工作實踐和行業(yè)實際情況，多采用“品茗建筑云安全計算軟件”來進行計算。將表1數(shù)據(jù)輸入到軟件中“輪胎式起重機穩(wěn)定性驗算”模塊中，根據(jù)軟件自動的計算結果來進行評價。

4 其他輔助計算

4.1 支撐面承載能力計算方法

如汽車起重機在非鋪裝地面等地面承載力較差的場地中作業(yè)時，應對吊車站位的支撐面進行承載能力計算。

支撐面承載能力計算，主要是通過找出汽車吊在起重吊裝時的最不利工況，即當主臂旋轉到起重臂沿支腿對角線方向平行時對某一支腿壓力最大，傾覆力矩最大，為最不利工況(起重機在穩(wěn)定性較好的方向起吊的額定荷載，當轉到穩(wěn)定性較差的方向上就會出現(xiàn)超載，有傾翻的可能[4])(圖2)。

圖2 汽車起重機示意(單位:mm)

如圖2所示，根據(jù)力的分解和力矩平衡原理，舉例說明最不利工況計算方法(表2)。

表2 公式中各符號代表含義

最不利工況支腿荷載計算公式：

為了便于理解，以下舉例計算：

NMax=ΣP/4+[M(cosα/2a+sinα/2b)]

NMax=ΣP/4+[M(cosα/2a+sinα/2b)]

=217/4+[624(0.743/18.4+0.669/17.4)]

=217/4+[624(0.0404+0.0384)]

=54.25+49.20=103.45 t

為了減小支腿壓強，增加4個支腿與地面的接觸面積，在4個支腿下墊2.2 m×2.2 m×0.2 m的路基板(材質(zhì)為低合金高強度鋼材)，每個路基板重1 t，面積為2.2×2.2×106mm2，則單腿最不利荷載為：

(103.45t+1t)×9.8=1023.61 kN

1023.61×1000/(2.2×2.2×106)=211.5 kPa

根據(jù)計算得知，支撐面承載能力至少在211.5 kPa以上才能滿足要求，現(xiàn)場吊裝之前進行地基動力觸探承載力測試，合格后方可進行吊裝。

4.2 鋼絲繩安全計算方法

鋼絲繩承受的破斷拉力應小于其抗拉強度，所以，鋼絲繩鋼絲繩主要計算其抗拉強度[3]，該計算方法比較成熟，具體方法詳見《建筑施工計算手冊(第四版)》第14.1.2節(jié)[2]。

4.3 卡環(huán)計算

如被吊裝物體形狀不規(guī)則，不好設置吊點，或者單件吊裝重量超過100 kN，應考慮計算卡環(huán)，根據(jù)計算結果選擇不同型號的卡環(huán)。卡環(huán)計算詳見《建筑施工計算手冊(第四版)》第14.2節(jié)[2]。

5 結論

對于復雜工況下的汽車式起重機吊裝作業(yè)，現(xiàn)場工況參數(shù)除了要滿足汽車起重機型號的性能表和起升高度曲線表以外，還需要綜合考慮汽車吊的穩(wěn)定性計算、支撐面承載能力計算以及其他附屬工具的計算。在實踐中，編制專項施工方案時，同時使用本文介紹的幾種計算方法，用不同計算方式來綜合驗證和判定汽車起重機的穩(wěn)定性，從而確保吊機安全可靠。

此外，吊裝作業(yè)是一個系統(tǒng)性的工作，專項施工方案中要有必要的安全保障措施，綜合考慮天氣、環(huán)境等因素對吊裝作業(yè)帶來的影響，以此來綜合判定吊裝作業(yè)是否滿足安全性要求。