桁架式扁擔梁的應用與設計

葛為結

（寧波高新區海星船舶設計有限公司，浙江 寧波 315000）

在海上工程建設中經常使用混泥土管樁，由于混泥土管樁一般為細長形，吊裝、運輸時首先要考慮管樁在起吊過程中容易發生變形的情況。通常吊裝、運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梁頂部的起吊裝置相連，然后利用扁擔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梁，同時提升管樁并吊運至船上，再通過船運到指定的海上目的地。本文所研發的扁擔梁，已建造成功，在實際應用中得到了用戶的認可，對起吊細長形物體提供安全保障。見圖1。

圖1 龍門吊及扁擔梁起吊圖

1 扁擔梁的作用

用龍門吊吊運管樁的過程中，扁擔梁起到了以下作用。（1）龍門吊吊鉤通過鋼索與扁擔梁頂部吊點垂直連接，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，兩吊點間鋼索的夾角越大受力就越大，若兩吊點相距很近，管樁因兩端懸臂太長而發生變形甚至斷裂。（2）扁擔梁底部的多個吊點與管樁相連，此時管樁受力比較均勻，不容易發生變形或斷裂。（3）利用扁擔梁后可將吊裝范圍擴大好幾倍。若直接用吊機上的吊點起吊物體，一般被吊物體長度局限在20m以內。

2 扁擔梁的設計及分析

2.1 設計要求

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。

根據上述情況，對扁擔梁的具體設計要求如下：（1）根據管樁長度，起吊時端部的懸臂長度需控制在10米以內。（2）扁擔梁底部每間隔約1.5米設置1個吊點，每個吊點負荷16噸。（3）扁擔梁起吊時具備自動調整平衡的能力。

2.2 設計分析

（1）主體結構分析。根據設計要求，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，所以扁擔梁自重需控制在40噸以內。目前常用H型鋼結構、雙C型鋼結構、工字鋼結構的扁擔梁，由于其結構簡單，一般在兩端各設幾個吊點，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。另一種箱形結構的扁擔梁，外部采用鋼板、內部采用筋板的型式，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梁。但箱形結構的扁擔梁由于自身重量較大，經初步估算，符合設計要求中起吊能力的箱形結構梁，其自身重量要超過40t，預計要達到60t左右，無法滿足龍門吊的起吊能力。經分析，要把符合設計要求的扁擔梁自重控制在40t以內，需用桁架結構。桁架結構扁擔梁能否用于管樁的起吊待分析計算。根據設計要求中的描述，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，則扁擔梁兩端端部吊點之間的最小距離為68m，總長約70m。吊具、吊索預估重量為5t，則扁擔梁的主體結構重量需控制在35t以內。

（2）自平衡系統分析。起吊管樁前，扁擔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致扁擔梁受力不均衡，此時，扁擔梁由于局部受力過大而發生變形，對其結構強度影響較大；也會導致龍門吊受力不均衡，2個龍門吊中其中一個負荷小于額定負荷，另一個負荷變大甚至超出其額定負荷，影響龍門吊的起吊能力和結構強度。因此扁擔梁起吊時需具備自動調整平衡的能力。

3 扁擔梁主結構的設計

根據上述主體結構的分析，該扁擔梁主體結構重量需控制在35噸以內，若用普通強度的鋼料可能會超重。從強度和經濟性考慮，主要材料采用Q345無縫鋼管或板材。

從受力情況考慮，該扁擔梁與龍門吊吊點連接區域的受力最大，兩端受力較小，因此采用變截面在確保結構強度滿足時可減少重量。中部40m范圍內的截面尺寸大致為：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設橫向框架。頂部設水平斜撐，側面設垂向斜撐，以抵抗起吊時發生的扭轉變形與彎曲變形。底部每隔1.5m設置一根橫向工字鋼，便于焊接起吊眼板，設置工字鋼另一個優點是加大底部起吊點的截面積，加大吊點的剪切面積和扭彎模數，以提高吊點處的結構強度。

4 扁擔梁起吊裝置的設計

該扁擔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處各設置一個箱形底座，箱形底座上方設置大滑輪組，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梁固定滑輪上，在每2組小滑輪組之間設置一套卸扣和吊鉤，共46套。起吊時，管樁上的吊點通過滑輪與鋼索沿起吊梁長度方向來回滑動，進而適應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，使該扁擔梁具備自動調節平衡的功能。

5 焊接要求

該扁擔梁的制作過程需嚴格控制焊接質量，主體結構構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行內部缺陷檢查，所有耳板處焊縫需做滲透檢測。

6 扁擔梁結構強度分析

參考《起重機設計規范》的相關要求，采用通用軟件MSC.Patran/Nastran用三維有限元模型對該扁擔梁結構強度進行分析。

6.1 載荷分析

扁擔梁結構強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，強度分析時取120%的安全工作負荷。二是扁擔梁結構自重。三是風載荷。風載荷按下式計算：=26.4kN，（C風力系數，取1.2；A吊物受風面積；P風壓，Pa，其中風速v取20m/s）。

6.2 扁擔梁三維模型及分析結果

扁擔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個吊點位置進行約束。載荷加載按12個吊點，均布加載。扁擔梁結構強度有限元分析結果如圖2、3所示。

圖2 合成應力云圖（N/mm2）

圖3 剪切應力云圖（N/mm2）

6.3 強度衡準

扁擔梁結構材料采用Q345鋼材，物理特性參數如下：彈性模量E=2.06×105N/mm2；泊松比μ=0.3；屈服強度ReH=345N/mm2。

強度衡準依據：參考《起重機設計規范》的相關規定，強度安全系數取1.48，則合成許用應力為：345/1.48=233 N/mm2，剪切許用應力為134N/mm2。

從分析結果得知，扁擔梁結構最大合成應力為187N/mm2，最大剪切應力為93.3N/mm2，小于許用應力。根據強度分析情況，扁擔梁在120%安全負荷時，強度滿足要求。但兩端變形量稍微大了點。由于扁擔梁自重的限制，很難通過加大結構的方式來減少變形量，經過分析，計算時取了起吊安全負荷的120%，實際起吊時重量不會超過100%，對扁擔梁兩端結構形式做調整，將兩端做成起翹形以減少扁擔梁變形帶來的影響。

7 結語

根據用戶幾個月的使用情況，該扁擔梁起吊時會發生彈性變形，經過專業儀器測量，變形值在許用范圍內；該扁擔梁起吊結束后檢查梁體，梁體無變形、無裂縫、焊縫無開焊，各起吊裝置無變形，該扁擔梁底部自平衡調節用鋼索在起吊點處有磨損，此鋼索的磨損在預料中，一般在使用一定周期后會更換。扁擔梁整體質量很好，起吊能力滿足用戶的需求，得到了用戶的認可。