電力建設起重吊裝鋼絲繩彎曲受力探討

王永新，劉國生，李鵬舉WANG Yong-xin, LIU Guo-sheng, LI Peng-ju(山東電力建設第一工程公司，山東 濟南 250131)

電力建設起重吊裝鋼絲繩彎曲受力探討

王永新，劉國生，李鵬舉
WANG Yong-xin, LIU Guo-sheng, LI Peng-ju
(山東電力建設第一工程公司，山東 濟南 250131)

[摘 要]通過對電力建設安全規程中起重吊裝鋼絲繩安全系數的分析，指出鋼絲繩彎曲受力是問題的關鍵，并對石油化工行業起重吊裝規范中關于起重吊裝鋼絲繩彎曲的計算進行分析和討論，提出了針對電力建設行業相關鋼絲繩彎曲計算的意見和建議。

[關鍵詞]起重吊裝；鋼絲繩；彎曲；電力建設

1 概 述

鋼絲繩是一種最常見的撓性元件，具有卷繞性好、使用靈活、耐磨損、承載能力大、能承受沖擊載荷等諸多優點，特別是整根鋼絲繩破斷前有斷絲預兆，不會立即斷裂，可事先預防，因此在工程建設領域應用相當普遍。

鋼絲繩在電力建設施工現場主要應用于兩個方面：一是各種起重機械，如塔機的起升機構、變幅機構等，二是施工現場起重吊裝用索具，如纜風繩、千斤繩、捆綁繩等。無論用于起重機械，還是起重吊裝，其共同之處是在絕大部分情況下鋼絲繩均為彎曲狀態受力，根據彎曲度的大小，強度都隨之有不同程度的下降，兩者的主要區別在于強度降低程度大小不同：起重機械均為起重機專業廠家，出廠時一般為整機，且均為定型產品，其鋼絲繩彎曲時受力是嚴格按照《起重機設計規范》，通過對卷筒、滑輪與鋼絲繩直徑的比值的大小，即繩徑比做出規定，以此來保證鋼絲繩彎曲時的強度，根據該規范，機構工作級別由低到高，繩徑比從11.2～28不等；起重吊裝則與起重機械截然不同，因現場吊裝的物品形狀、大小及重量差異很大，具有很強的隨機性、復雜性和多樣性，鋼絲繩作吊索使用時，其繩徑比最小可到2，彎曲度大大增加，許用載荷的折減幅度也相應加大，因此起重機械的相關標準顯然不適合起重吊裝。

針對電力建設而言，國家及行業標準中沒有關于起重吊裝鋼絲繩彎曲受力較為準確的計算方法， 因此造成了現今在電力建設起重吊裝中，不論鋼絲繩彎曲程度的差異及高低，均簡單地一概取同一標準的局面。本文試圖從定量的角度分析起重吊裝中的鋼絲繩彎曲，在深層次進一步了解和掌握彎曲鋼絲繩受力狀態的實質，為更好地確保吊裝中鋼絲繩的安全經濟的使用打下基礎。

2 鋼絲繩彎曲受力影響因素

鋼絲繩的結構型式和捻制方式多種多樣，構造形式十分復雜。當鋼絲繩承受拉伸并且同時彎曲時，不僅受到拉伸應力的作用，還受到彎曲應力、接觸應力、擠壓應力、摩擦應力、扭轉剪切應力等諸多應力的作用，應力狀態相當復雜，無論是理論計算，還是通過有限元建模進行受力分析，很難得出準確的計算結果，但最主要的還是拉伸應力和彎曲應力，其他如擠壓應力、扭轉應力等相對來說都很小，可以不予考慮。

多年實踐經驗證明，鋼絲繩失效的主要原因為腐蝕、磨損和疲勞，特別是彎曲造成的彎曲疲勞和磨損，是導致鋼絲繩破壞的決定因素，彎曲應力同時也是影響鋼絲繩壽命的主要因素，因此不能忽視。

鑒于以上原因，通常的做法是：在選擇鋼絲繩時，對包括彎曲應力在內的所有應力，均簡單地統一按照純拉伸計算，考慮到起重吊裝中的鋼絲繩，尤其是捆綁用吊索的受力更為復雜，一般以增大安全系數的辦法加以控制和補償，特別是在吊裝過程中，起重機在起制動時會產生附加動載荷，繩索實際所受的拉應力要大于計算中的拉應力，因此，也應根據情況不同，綜合考慮確定安全系數。

3 電力建設起重吊裝鋼絲繩現狀

目前，現行電力建設行業標準中，有關起重吊裝的標準為《電力建設安全工作規程 第1部分：火力發電廠》（DL5009.1-2002，以下簡稱電力安規），其中，相關內容僅有10.5.1-2一條，原文為：鋼絲繩的安全系數及配合滑輪的直徑應不小于表10.5.1-1的規定。

從表10.5.1-1中可以看出，相關條文也十分簡單：無繞曲的千斤繩為5～7，有繞曲的千斤繩為6～8，捆綁繩則為10。尤其要說明的是，有繞曲時，最小允許繩徑比僅為2。這里的千斤繩無繞曲指的是兩繩套直接與卸卡相連，中間無彎曲的情況。

因電力安規明文規定，全部內容均為強制性條文，當然也包含了上述內容，因此，對鋼絲繩彎曲計算應高度重視。

當前電力建設行業的實際做法普遍是：因對鋼絲繩彎曲認識不足，沒有明確的取值標準，且安全系數為一大致范圍，取值大小不明確，就只能憑經驗和感覺把握，因此，按照電力安規的要求，無論千斤繩有無繞曲，大都偏于保守地按有繞曲考慮，并且不論彎曲程度大小，安全系數偏安全地均取最高限8，顯然更加保守；捆綁用吊索最為復雜，但是不論復雜程度的高低、彎曲程度的大小，以及彎曲次數的多少，安全系數均一概取為10，這顯然缺乏科學性和嚴謹性，隨意性很大，究其原因，是所依托的電力安規內容過于簡單，才造成目前這種局面。

通過進一步分析可以看到，在當時的情況下，電力安規引用的相關國家標準為《起重機械安全規程》（GB/T 6067-85），相關條款為“表5：其它用途鋼絲繩安全系數”：其中，吊掛和捆綁用鋼絲繩為6，可以看出，電力安規比國家起重機械規程要嚴格得多。

但是，目前《起重機械安全規程》現已修訂為《起重機械安全規程第一部分 總則》 （GB 6067.1-2010），GB/T 6067-85中的相關內容表5已取消，也就是說，電力安規失去了引用標準，只剩下10.5.1-2條所規定的幾個鋼絲繩彎曲的安全系數。

那么，關于起重吊裝鋼絲繩彎曲，其他行業是如何計算的呢？

4 石化行業起重吊裝鋼絲繩彎曲計算

關于鋼絲繩彎曲計算的書籍、論文等資料浩如煙海，且各種說法不一，有的出入很大。但是，石化行業早在2002年就率先發布了《石油化工工程起重施工規范》，并于2011年進行了修訂（SH/ T 3536-2011，以下簡稱石化規范），其中列入了起重鋼絲繩彎曲的計算方法，正是因為石化行業有了標準支持，才使得該算法增加了嚴肅性及權威性。盡管各行業的起重吊裝有不同程度的區別，但基本原理大致是相通的，因此值得電力建設行業參考借鑒。

4.1 石化規范鋼絲繩彎曲強度計算具體步驟

鋼絲繩及鋼絲繩扣在繞過不同尺寸的銷軸或滑輪使用時，應根據不同的彎曲半徑按下述程序確定其強度能力。

1）鋼絲繩索的比例系數R

R=D/d （1）

其中，D為銷軸或滑軸直徑，mm；d為鋼絲繩公稱直徑，mm。

2）鋼絲繩扣效率系數E

當R≤6時：E=(100-50/R0.5)% （2）

當R＞6時：E=(100-76/R0.734)% （3）

3）鋼絲繩扣經彎曲的強度能力Pn

Pn=nPE （4）

其中，n為鋼絲繩扣承載股數；P為鋼絲繩破斷力，N。

4）鋼絲繩及鋼絲繩扣使用安全系數K

K=Pn/F （5）

其中，F為鋼絲繩及鋼絲繩扣受力，N。

根據使用場合的不同，安全系數K的要求也不同，作為起重吊裝用鋼絲繩扣時其要求為：做系掛繩扣使用時，K≥5；做捆綁繩扣使用時，則為K≥6。

4.2 電力安規和石化規范的對比分析

1）從安全系數的規定可以看出，石化規范要比電力安規要小，但是經仔細比較分析后可看出其中的原因：電力安規不考慮鋼絲繩彎曲度的大小，僅僅把鋼絲繩破斷拉力簡單地直接除以一個安全系數，一次性得出結果；石油規范則如4.1所述，是先算出鋼絲繩索的比例系數（繩徑比），然后根據比例系數計算出鋼絲繩扣效率系數（即折減系數），把鋼絲繩破斷拉力乘以此效率系數后，才能得到鋼絲繩經彎曲后的強度，然后再除以一個安全系數。可以看出，這個安全系數和電力安規安全系數的含義大不相同，因為考慮了鋼絲繩彎曲后的折減，所以該安全系數要小于電力安規，其根本原因是石化規范單獨把鋼絲繩彎曲度由定性分析轉變為定量計算而已，這是石化規范和電力安規中安全系數的本質區別。

2）石化規范中鋼絲繩扣效率系數計算公式（2）及式（3）來源于 Dorman long Technology 《Rigging Supervisor’s training manual》（英），從石化規范SH/T 3536-2011送審稿中，根據該公式所繪制的繩索比例系數（圖1）可以看出繩索效率系數E隨繩索比例系數R的變化關系。《起重機設計規范》（GB/ T 3811-2008）規定機構最小的繩索比例系數為11.2，但是電力安規卻最小到2，這也是起重機械和起重吊裝含義的本質區別。

3）無論是電力規程還是石化規范，做系掛繩扣和做捆綁繩扣使用時的安全系數是不同的，這是因為做纏繞捆綁時，有可能出現受力不均勻現象，不能每股都達到平均受力，只有提高安全系數來保證吊裝作業的安全性。目前關于起重吊裝的發展趨勢是大直徑鋼絲繩吊索的使用越來越多，一般都選擇采用單股或較少的股數鋼絲繩吊裝，而不是以往選擇多股鋼絲繩吊裝較大載荷，所以作系掛用的安全系數要低于捆綁用鋼絲繩。

圖1 繩索比例系數表

5 其他相關鋼絲繩彎曲計算資料

查閱相關文獻可以看到，除石化行業把鋼絲繩彎曲折減計算公式明確寫入規范外，其它如建筑、電力等行業也根據現場多年的實踐經驗，對得到的數據進行對比和分析，摸索并總結出一些經驗性結論，盡管沒有列入標準，但是簡捷實用，是對標準和規范的有益補充，對實際吊裝具有較大的指導意義，現摘錄有關內容如下供參考。

1）南京市勞動局提供的關于鋼絲繩彎曲使用的資料，資料中有關部分寫道：“一般認為，鋼絲繩內周曲率半徑大于6倍繩徑以上，起重能力不受影響，鋼絲繩內周曲率半徑只有繩徑的3倍時，其起重能力降至原起重能力的75%；當鋼絲繩內周曲率半徑與繩徑相等時，起重能力要降低50%”（圖2）。可以看出，該方法和石化規范對于鋼絲繩彎曲使用強度折減的原則是一樣的，只是在數據的取值上不大相同而已，石化規范所推薦方法的計算結果已涵蓋了該方法得到的數據，而且更安全些，使用起來也更為科學和廣泛。

圖2 起吊鋼絲繩曲率示意圖

2）如圖3所示，吊裝物體底端有角度時，其破斷拉力會降低。表1為物體底端角度與繩破斷拉力的關系。

圖3 吊裝物體底端的角度

表1 底端角度與破斷拉力關系

從表中可以看出，鋼絲繩不能承受過分彎曲，盡可能避免銳角彎折，在進行設備或構件的捆綁時，如遇鋼絲繩必須繞過銳角的情況，必須對銳角部分進行保護。施工現場通用的保護方法是采用破開的鋼管墊放在銳角處，或在銳角處墊放木塊等。

3）圖4是鋼絲繩懸排在角鋼上兩種形式，角鋼成A方向（圖4a）和成L方向（圖4b），鋼絲繩的破斷拉力分別降低33%和42%。

圖4 角鋼放置形式與破斷拉力關系

4）在起重吊裝作業中，有時需要一部分繩結，各種形式繩結對繩的破斷拉力影響程度不一，常見的繩結與破斷拉力保持率關系如圖5所示。

圖5 常見繩扣與破斷拉力保持率關系圖

5）在起重吊裝作業中，捆綁繩扣的應用十分普遍。繩扣在彎曲處同時受到拉力和剪力，因此在選擇繩扣時，應按圖6所示意的圖例進行對比分析，找到其中的薄弱點，并以盡量增加鋼絲繩彎曲半徑為原則來選擇繩的規格。各部位繩索的強度能力應符合表2的規定，此結論曾寫入2002版石化規范。

圖6 捆綁繩扣各部位繩索強度能力圖

表2 捆綁繩扣各部位繩索強度能力

6 關于安全系數的思考

1）綜合以上情況可知，無論是否考慮在彎曲狀態下使用對鋼絲繩時其強度的折減，都和鋼絲繩的安全系數沒有直接的關系，因為這是不同的兩個概念，不能混為一體，應引起足夠的重視，盡管如此，從中可以看出，根據彎曲情況的高低而進行折減具有重大意義。

2）在相當長的一段時期內，受鋼絲繩制造水平的限制，無論從鋼絲的強度級別，還是鋼絲繩直徑都有限，鋼絲繩單繩破斷拉力也不大，較重設備吊裝只能依靠小繩徑、多股繩承擔。隨著我國科學技術水平，尤其是材料科學的不斷進步，鋼絲繩的制造技術發生了很大變化，新研制開發的大直徑、高強度級別鋼絲繩不斷涌現，在這種大環境影響下，在進行重大起重設備吊裝時，采用大繩徑、少股數高強鋼絲繩成為必然的趨勢。

同時，也應看到，就電力建設而言，電力安規所規定的鋼絲繩安全系數，在進行小型設備吊裝，尤其是有棱角時是必要的，而對于重型設備，例如發電機定子吊裝時顯得過于保守。從國外大件設備吊裝來看，有的安全系數取2～3倍，我國是否可以適當降低電力安規的安全系數，則值得進一步研究。

3）最后需要特別強調的是，盡管對鋼絲繩的安全系數大小有異議，且各種教材、手冊論文等出版物的說法五花八門，大小不一，但是在新標準還沒有出臺之前，電力建設行業還應無條件執行現行電力安規的有關規定。

7 結 語

電力建設吊裝技術的進展與我國電力工業的發展緊密相關，隨著今后電力工業的快速發展，工程規模已經朝著大型化、現代化方向發展，我國電力建設吊裝技術的整體水平必將逐步提高，因此，建議盡快根據當前技術發展水平，對電力建設起重吊裝鋼絲繩彎曲計算做出更為明確和細致的規定，以更好地指導吊裝工作的進行。

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（編輯 賈澤輝）

［中圖分類號］TD532

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)05-0045-05

［收稿日期］2015-02-10

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