復(fù)雜工況下的汽車起重機(jī)吊裝安全計(jì)算方法

張俊杰

(四川能投建工集團(tuán)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(duì)汽車起重機(jī)的需求越來越多，并且隨著新工藝、新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的大量應(yīng)用，大型起重吊裝的工況也越來越復(fù)雜(復(fù)雜工況是指：吊機(jī)工作空間受限；工作場地未能提供足夠的支腿反力，需要進(jìn)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(fù)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(jī)的相關(guān)計(jì)算，并無統(tǒng)一規(guī)范固定公式，除《建筑施工計(jì)算手冊》和部分高校教材有部分計(jì)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(dǎo)出經(jīng)驗(yàn)公式。筆者在查閱了大量關(guān)于吊裝安全性計(jì)算文獻(xiàn)和教材后，總結(jié)出一套適合汽車起重機(jī)在復(fù)雜工況下的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)計(jì)算方法。

1 汽車式起重機(jī)工作原理

汽車式起重機(jī)由動(dòng)力系統(tǒng)、操縱控制系統(tǒng)、工作機(jī)構(gòu)、取物裝置和附屬結(jié)構(gòu)組成。通過對(duì)控制系統(tǒng)的操縱，動(dòng)力系統(tǒng)將動(dòng)力能量輸入轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，將動(dòng)力和動(dòng)能傳遞給取物裝置，取物裝置把被搬運(yùn)物料與起重機(jī)聯(lián)系起來，通過工作機(jī)構(gòu)單獨(dú)或組合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物體吊裝功能?？梢苿?dòng)的附屬結(jié)構(gòu)將各組成部分連接成一個(gè)整體，并承載起重機(jī)的自重和吊重。

汽車起重機(jī)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(shí)，車身配重為吊裝提供了穩(wěn)定力矩，增強(qiáng)了穩(wěn)定性，車身的伸出的支腿，扮演著支點(diǎn)的角色，為起重機(jī)提供了更好的抗傾覆能力。

2 汽車起重機(jī)穩(wěn)定性

2.1 吊機(jī)穩(wěn)定性的含義

吊機(jī)穩(wěn)定性是指起重吊裝作業(yè)在實(shí)現(xiàn)設(shè)備或構(gòu)件等垂直提升、下降和水平移位的功能的同時(shí)，起重機(jī)械或被吊設(shè)備構(gòu)件在吊裝過程中，其傾覆、失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)在可控范圍內(nèi)。

2.2 吊機(jī)穩(wěn)定性的重要意義

吊裝作業(yè)的核心任務(wù)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(jī)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(huì)造成的較大的人員傷亡、設(shè)備損壞和經(jīng)濟(jì)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(yù)防措施，對(duì)確保起重吊裝作業(yè)的安全順利實(shí)施具有重大作用。

3 汽車式起重機(jī)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

由于目前對(duì)于大型設(shè)備吊裝運(yùn)輸?shù)氖┕そM織和工藝技術(shù)還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各行業(yè)、各企業(yè)編寫的施工組織和吊裝技術(shù)方案五花八門[1]。各種工況下的吊裝安全性計(jì)算方式方法也是種類繁多，其真實(shí)性和有效性無法一一驗(yàn)證。但筆者認(rèn)為，汽車式起重機(jī)的安全性計(jì)算和評(píng)價(jià)方法應(yīng)基于杠桿原理和力矩平衡為理論基礎(chǔ)來展開討論，用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓胶蛿?shù)據(jù)作為判斷依據(jù)。

筆者查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料并結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)的前提下，總結(jié)出工程技術(shù)人員常用的幾種起重機(jī)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的方法，這幾種方法都是經(jīng)過大型吊裝作業(yè)實(shí)際驗(yàn)證過的。

3.1 查詢擬選用的汽車起重機(jī)型號(hào)的性能表

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

對(duì)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(shí)際技術(shù)參數(shù)在吊機(jī)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(gè)數(shù)據(jù)查詢對(duì)應(yīng)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(guān)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(guān)系。控制住最大起升高度和最大起重重量，是保證吊機(jī)穩(wěn)定性的首要條件。

但是，該方法只考慮了吊裝設(shè)備本身的性能，沒有綜合考慮周圍環(huán)境工況對(duì)吊裝作業(yè)的影響，所以對(duì)于復(fù)雜工況來說，僅僅利用汽車吊機(jī)性能表來進(jìn)行初步判斷吊機(jī)能勝任該吊裝作業(yè)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還應(yīng)結(jié)合其他方法來進(jìn)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(jì)算來評(píng)價(jià)吊機(jī)穩(wěn)定性

該公式出自于《建筑施工計(jì)算手冊(第四版)》第20-55號(hào)公式[2]，該計(jì)算公式仍是對(duì)力矩平衡的應(yīng)用，具體是通過計(jì)算吊裝載荷及附加載荷時(shí)的穩(wěn)定安全系數(shù)K來判定，計(jì)算結(jié)果中若K≥1.15，則判定符合吊裝穩(wěn)定性要求，若計(jì)算結(jié)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(jī)(圖1、表1)。

圖1 汽車吊各參數(shù)示意

表1 公式中各符號(hào)代表含義

《建筑施工計(jì)算手冊》是被廣大施工技術(shù)人員采用的工具書，其權(quán)威性和有效性也得到了整個(gè)建筑施工行業(yè)的普遍認(rèn)可。該公式也是目前同類型計(jì)算普遍被采用的公式，汽車吊機(jī)的多個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)參與了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果也自然具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。在工況較復(fù)雜的吊裝任務(wù)中，應(yīng)加上該種方法來綜合評(píng)價(jià)汽車吊的穩(wěn)定性。

3.3 借助計(jì)算機(jī)輔助軟件來進(jìn)行計(jì)算

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

目前的安全計(jì)算軟件種類很多，筆者根據(jù)工作實(shí)踐和行業(yè)實(shí)際情況，多采用“品茗建筑云安全計(jì)算軟件”來進(jìn)行計(jì)算。將表1數(shù)據(jù)輸入到軟件中“輪胎式起重機(jī)穩(wěn)定性驗(yàn)算”模塊中，根據(jù)軟件自動(dòng)的計(jì)算結(jié)果來進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4 其他輔助計(jì)算

4.1 支撐面承載能力計(jì)算方法

如汽車起重機(jī)在非鋪裝地面等地面承載力較差的場地中作業(yè)時(shí)，應(yīng)對(duì)吊車站位的支撐面進(jìn)行承載能力計(jì)算。

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

圖2 汽車起重機(jī)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(jì)算方法(表2)。

表2 公式中各符號(hào)代表含義

最不利工況支腿荷載計(jì)算公式：

為了便于理解，以下舉例計(jì)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(qiáng)，增加4個(gè)支腿與地面的接觸面積，在4個(gè)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(qiáng)度鋼材)，每個(gè)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(jì)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(jìn)行地基動(dòng)力觸探承載力測試，合格后方可進(jìn)行吊裝。

4.2 鋼絲繩安全計(jì)算方法

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

4.3 卡環(huán)計(jì)算

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

5 結(jié)論

對(duì)于復(fù)雜工況下的汽車式起重機(jī)吊裝作業(yè)，現(xiàn)場工況參數(shù)除了要滿足汽車起重機(jī)型號(hào)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(jì)算、支撐面承載能力計(jì)算以及其他附屬工具的計(jì)算。在實(shí)踐中，編制專項(xiàng)施工方案時(shí)，同時(shí)使用本文介紹的幾種計(jì)算方法，用不同計(jì)算方式來綜合驗(yàn)證和判定汽車起重機(jī)的穩(wěn)定性，從而確保吊機(jī)安全可靠。

此外，吊裝作業(yè)是一個(gè)系統(tǒng)性的工作，專項(xiàng)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(duì)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。