桁架式扁担梁的应用与设计

葛为结

（宁波高新区海星船舶设计有限公司，浙江 宁波 315000）

在海上工程建设中经常使用混泥土管桩，由于混泥土管桩一般为细长形，吊装、运输时首先要考虑管桩在起吊过程中容易发生变形的情况。通常吊装、运输此类管桩的流程如下：在工厂里用龙门吊上的起吊装置通过钢索与扁担梁顶部的起吊装置相连，然后利用扁担梁底部的多个起吊装置用钢索与管桩相连，然后龙门吊提升扁担梁，同时提升管桩并吊运至船上，再通过船运到指定的海上目的地。本文所研发的扁担梁，已建造成功，在实际应用中得到了用户的认可，对起吊细长形物体提供安全保障。见图1。

图1 龙门吊及扁担梁起吊图

1 扁担梁的作用

用龙门吊吊运管桩的过程中，扁担梁起到了以下作用。（1）龙门吊吊钩通过钢索与扁担梁顶部吊点垂直连接，使龙门吊受力最小，此时龙门吊的起吊能力最大。龙门吊起吊时若直接采用钢索起吊，两吊点间钢索的夹角越大受力就越大，若两吊点相距很近，管桩因两端悬臂太长而发生变形甚至断裂。（2）扁担梁底部的多个吊点与管桩相连，此时管桩受力比较均匀，不容易发生变形或断裂。（3）利用扁担梁后可将吊装范围扩大好几倍。若直接用吊机上的吊点起吊物体，一般被吊物体长度局限在20m以内。

2 扁担梁的设计及分析

2.1 设计要求

龙门吊及管桩情况：已有起吊能力为80吨的龙门吊两台，两台龙门吊并排安装，两台龙门吊起吊装置间距为20米；被吊管桩最大长度88米，最大重量120吨，最大直径约1.5米。

根据上述情况，对扁担梁的具体设计要求如下：（1）根据管桩长度，起吊时端部的悬臂长度需控制在10米以内。（2）扁担梁底部每间隔约1.5米设置1个吊点，每个吊点负荷16吨。（3）扁担梁起吊时具备自动调整平衡的能力。

2.2 设计分析

（1）主体结构分析。根据设计要求，单台龙门吊的起吊能力为80吨，两台龙门吊的起吊总能力为160吨，由于被吊管桩最大重量为120吨，所以扁担梁自重需控制在40吨以内。目前常用H型钢结构、双C型钢结构、工字钢结构的扁担梁，由于其结构简单，一般在两端各设几个吊点，常用于起吊长度较小的物体，不适用于起吊上述长度较长的管桩。另一种箱形结构的扁担梁，外部采用钢板、内部采用筋板的型式，制作工艺简单，起吊能力较大，是目前较常用的一种起吊管桩的扁担梁。但箱形结构的扁担梁由于自身重量较大，经初步估算，符合设计要求中起吊能力的箱形结构梁，其自身重量要超过40t，预计要达到60t左右，无法满足龙门吊的起吊能力。经分析，要把符合设计要求的扁担梁自重控制在40t以内，需用桁架结构。桁架结构扁担梁能否用于管桩的起吊待分析计算。根据设计要求中的描述，管桩最大长度为88m，起吊时端部的悬臂长度需控制在10m以内，则扁担梁两端端部吊点之间的最小距离为68m，总长约70m。吊具、吊索预估重量为5t，则扁担梁的主体结构重量需控制在35t以内。

（2）自平衡系统分析。起吊管桩前，扁担梁与管桩之间的绑扎位置一般由工作人员通过目测选择，由于管桩较长，绑扎位置的不均衡性会导致扁担梁受力不均衡，此时，扁担梁由于局部受力过大而发生变形，对其结构强度影响较大；也会导致龙门吊受力不均衡，2个龙门吊中其中一个负荷小于额定负荷，另一个负荷变大甚至超出其额定负荷，影响龙门吊的起吊能力和结构强度。因此扁担梁起吊时需具备自动调整平衡的能力。

3 扁担梁主结构的设计

根据上述主体结构的分析，该扁担梁主体结构重量需控制在35吨以内，若用普通强度的钢料可能会超重。从强度和经济性考虑，主要材料采用Q345无缝钢管或板材。

从受力情况考虑，该扁担梁与龙门吊吊点连接区域的受力最大，两端受力较小，因此采用变截面在确保结构强度满足时可减少重量。中部40m范围内的截面尺寸大致为：宽度1.5m、高度2.8m，40m以外宽度保持不变高度逐渐变小，两端面处高约1米。长度方向主杆采用直径为φ245mm的无缝管，每间隔1.5m设横向框架。顶部设水平斜撑，侧面设垂向斜撑，以抵抗起吊时发生的扭转变形与弯曲变形。底部每隔1.5m设置一根横向工字钢，便于焊接起吊眼板，设置工字钢另一个优点是加大底部起吊点的截面积，加大吊点的剪切面积和扭弯模数，以提高吊点处的结构强度。

4 扁担梁起吊装置的设计

该扁担梁的起吊装置由顶部和底部两部分组成。顶部起吊装置用于与龙门吊连接，底部起吊装置用于与被吊管桩连接。顶部距中10m处各设置一个箱形底座，箱形底座上方设置大滑轮组，大滑轮组通过钢索与龙门吊起吊装置连接。

底部每隔1.5m设置一组小滑轮组，一根长约80m的钢索架于小滑轮组上，钢索两端固定于扁担梁固定滑轮上，在每2组小滑轮组之间设置一套卸扣和吊钩，共46套。起吊时，管桩上的吊点通过滑轮与钢索沿起吊梁长度方向来回滑动，进而适应货物重心在不同位置，解决由于绑扎位置不均衡引起的重心不平衡性，使该扁担梁具备自动调节平衡的功能。

5 焊接要求

该扁担梁的制作过程需严格控制焊接质量，主体结构构件及起吊零部件的对接焊缝、角焊缝需一级焊缝，所有焊缝需焊透。焊缝要求采用超声波探伤进行内部缺陷检查，所有耳板处焊缝需做渗透检测。

6 扁担梁结构强度分析

参考《起重机设计规范》的相关要求，采用通用软件MSC.Patran/Nastran用三维有限元模型对该扁担梁结构强度进行分析。

6.1 载荷分析

扁担梁结构强度分析时的载荷由以下三部分组成：一是起吊物重量即管桩重量。管桩重为120t，强度分析时取120%的安全工作负荷。二是扁担梁结构自重。三是风载荷。风载荷按下式计算：=26.4kN，（C风力系数，取1.2；A吊物受风面积；P风压，Pa，其中风速v取20m/s）。

6.2 扁担梁三维模型及分析结果

扁担梁三维模型采用板单元和梁单元模拟。有限元分析时对模型顶部2个吊点位置进行约束。载荷加载按12个吊点，均布加载。扁担梁结构强度有限元分析结果如图2、3所示。

图2 合成应力云图（N/mm2）

图3 剪切应力云图（N/mm2）

6.3 强度衡准

扁担梁结构材料采用Q345钢材，物理特性参数如下：弹性模量E=2.06×105N/mm2；泊松比μ=0.3；屈服强度ReH=345N/mm2。

强度衡准依据：参考《起重机设计规范》的相关规定，强度安全系数取1.48，则合成许用应力为：345/1.48=233 N/mm2，剪切许用应力为134N/mm2。

从分析结果得知，扁担梁结构最大合成应力为187N/mm2，最大剪切应力为93.3N/mm2，小于许用应力。根据强度分析情况，扁担梁在120%安全负荷时，强度满足要求。但两端变形量稍微大了点。由于扁担梁自重的限制，很难通过加大结构的方式来减少变形量，经过分析，计算时取了起吊安全负荷的120%，实际起吊时重量不会超过100%，对扁担梁两端结构形式做调整，将两端做成起翘形以减少扁担梁变形带来的影响。

7 结语

根据用户几个月的使用情况，该扁担梁起吊时会发生弹性变形，经过专业仪器测量，变形值在许用范围内；该扁担梁起吊结束后检查梁体，梁体无变形、无裂缝、焊缝无开焊，各起吊装置无变形，该扁担梁底部自平衡调节用钢索在起吊点处有磨损，此钢索的磨损在预料中，一般在使用一定周期后会更换。扁担梁整体质量很好，起吊能力满足用户的需求，得到了用户的认可。