吊梁特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)

謝光星

森松（江蘇）重工有限公司上海分公司 上海 200100

吊梁是起重作業(yè)中廣泛使用到的一種起重工具，特別是石油化工、電力、海洋工程模塊等重工業(yè)，各類(lèi)型設(shè)備從工廠(chǎng)生產(chǎn)制造、發(fā)貨裝卸和現(xiàn)場(chǎng)安裝各個(gè)環(huán)節(jié)的起吊都要用到吊梁。不同場(chǎng)合下不同特點(diǎn)的設(shè)備所用吊梁各不相同。如何將吊梁設(shè)計(jì)的既安全可靠又經(jīng)濟(jì)實(shí)用，這是吊裝技術(shù)工作的重要一環(huán)。

1 吊梁的分類(lèi)和特點(diǎn)

吊梁根據(jù)主體的截面形式主要可以分成：鋼管式吊梁、工字截面吊梁和箱型截面吊梁三類(lèi)。根據(jù)吊梁使用場(chǎng)景和被吊物特點(diǎn)，每種截面形式的吊梁吊點(diǎn)設(shè)計(jì)方案各式各樣，從而又衍生出更多種類(lèi)和特點(diǎn)的吊梁。也有其他一些組合式截面的吊梁，比如雙槽鋼、格構(gòu)式等。

1.1 鋼管式吊梁

鋼管式吊梁是最簡(jiǎn)易、輕便的一種吊梁，由于其主要承受壓力，非受彎構(gòu)件，在相同自重情況下具有更大的承載能力。適用于吊裝高度足夠但要求吊梁最輕便的場(chǎng)合。其主要構(gòu)成包括主受力支撐鋼管及起吊吊耳。其常用形式詳見(jiàn)圖1—圖3。

圖1 鋼管式吊梁形式一

（1）吊梁形式一（圖1）：該形式吊梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，鋼管上開(kāi)槽將吊耳插入焊接即可，可以根據(jù)需要設(shè)置多組吊耳，廣泛應(yīng)用于各種起吊場(chǎng)合。其缺點(diǎn)是不能承受彎矩，上部和下部吊索的卸扣必須掛在同一個(gè)吊耳上，且吊梁不能受彎，不可錯(cuò)位使用。因此使用中吊點(diǎn)間距改變時(shí)，吊梁上部和下部的吊索都需要拆卸更換吊耳孔位置。為此，吊具掛到吊鉤上后吊鉤到吊梁總高度較高，當(dāng)起重機(jī)起升高度不足時(shí)這種吊梁不能滿(mǎn)足起吊要求。

（2）吊梁形式二（圖2）：這種形式吊梁不承受任何彎矩。其吊耳孔中心和主受力鋼管軸心在同一條線(xiàn)上，起吊時(shí)吊梁主體僅承受壓力，所以更適用于起重量大的場(chǎng)合，如大型塔器、模塊等設(shè)備的起吊。其缺點(diǎn)是只能兩端起吊，針對(duì)不同吊點(diǎn)間距只能通過(guò)增加或拆除中間管段的方式來(lái)調(diào)整。

圖2 鋼管支撐式吊梁形式二

（3）吊梁形式三（圖3）：這是一種純支撐式的吊梁，主吊索掛吊鉤上下部設(shè)備吊耳上；中部通過(guò)此吊梁支撐分開(kāi)；此吊梁上部?jī)蓚€(gè)小吊耳也用吊索掛吊鉤上，主要起到拉住吊梁的作用。此吊梁兩端吊索支撐的主繩槽區(qū)域?yàn)閳A弧形。這種吊梁形式避免了使用大卸扣連接，能進(jìn)行更大噸位的吊梁，與吊索具匹配性更高，因此也是最經(jīng)濟(jì)的一種吊梁。其廣泛應(yīng)用在各類(lèi)大型塔器的安裝起吊中。實(shí)際應(yīng)用中，主體截面形式不局限于鋼管式，也可以是H鋼或者箱型截面等。

圖3 鋼管支撐式吊梁形式三

1.2 工字形截面吊梁

工字形截面吊梁是常見(jiàn)的吊梁形式，應(yīng)用最為廣泛，能滿(mǎn)足各種場(chǎng)景的使用要求，特別適合于吊車(chē)起升高度有限的場(chǎng)合。其具有較大抗彎曲能力，通過(guò)縮小上部吊耳間距可以有效降低吊索具占用的起升高度。合理的高寬比和截面設(shè)計(jì)能讓吊梁鋼材利用效率最大化，節(jié)約材料。吊梁主要由工字截面（H 截面）主梁和吊耳及加強(qiáng)筋等構(gòu)成。根據(jù)不同吊裝要求，吊梁的形式可以設(shè)計(jì)成多種多樣的形式，常用的形式如圖4、圖5 所示。

圖4 工字截面吊梁形式一

圖5 工字截面吊梁形式二

（1）形式一（圖4）：該吊梁主要由成品H 型鋼或者工字鋼為吊梁本體，每個(gè)吊點(diǎn)位置焊接吊耳，吊耳處H 鋼上加筋板加固。其制作簡(jiǎn)單，能滿(mǎn)足不同吊點(diǎn)間距的重物的起吊。上部可以只設(shè)置一組或幾組吊耳，且上部吊索具可以固定不動(dòng)，不必頻繁更換。下部吊耳與上部耳水平間距越大其起吊能力越弱，同一根吊梁各個(gè)吊點(diǎn)設(shè)計(jì)最大起吊能力各不相同，可充分發(fā)揮其起吊極限能力。

（2）形式二（圖5）：該吊梁由鋼板焊接成H 型截面吊梁本體。其上部吊點(diǎn)根據(jù)需要設(shè)置一組或者多組，一般不超過(guò)三組，中間1—2 組用于單鉤起吊，兩端一組用于雙鉤抬吊。單鉤起吊時(shí)，設(shè)置兩組吊耳的目的是充分利用吊梁的起吊能力。中間一組吊耳用于降低上部吊索具高度（在相同的吊索夾角下，吊耳間距越小則吊索占用的起升高度越小），但是利用中間一組吊耳起吊時(shí)下部邊上吊點(diǎn)起吊能力就很小。為此，上部設(shè)置間距更大的第二組吊點(diǎn)，這樣雖然吊索占用的起升高度更大，但是外側(cè)吊點(diǎn)的起吊能力將得到提升。

（3）形式三：該吊梁指下部需要許多間距的吊點(diǎn)。為此，將下部吊耳設(shè)計(jì)成一塊整體的吊耳板。這種形式和吊梁通用性大大增強(qiáng)，多用于產(chǎn)品種類(lèi)特別多、吊點(diǎn)間距多種多樣的使用場(chǎng)景下。

1.3 箱型吊梁

箱型吊梁主梁體由上下翼板和雙腹板構(gòu)成，吊點(diǎn)多采用軸耳形式，主要用于特大型設(shè)備的起吊。由于工字型截面吊梁多為板式吊耳的形式，所以需要穿卸扣。而大噸位卸扣笨重、昂貴，且使用不方便，與吊索匹配難度大，吊索穿過(guò)卸扣時(shí)起吊能力也折損嚴(yán)重。因此，當(dāng)設(shè)備重量特別重（500t 以上）時(shí),箱型吊梁的優(yōu)勢(shì)可充分發(fā)揮出來(lái)，具有更大的抗彎強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性，采用軸耳的吊點(diǎn)形式更有利于鋼絲繩直徑的最小化，吊索繞過(guò)軸吊后對(duì)吊索起吊能力折減很小。在船上、碼頭等有重型吊機(jī)的場(chǎng)合多應(yīng)用這種箱型大吊梁。

箱型吊梁一般做成中間大兩頭小，多組軸耳設(shè)置在吊梁兩側(cè)腹板上；也有設(shè)計(jì)成多段螺栓連接或銷(xiāo)軸連接的可拆卸形式，自由組合成不同長(zhǎng)度和起吊工況，從而實(shí)現(xiàn)用途用法的多樣化。

兩吊鉤抬吊的吊梁是常見(jiàn)的箱型吊梁演變形式，其兩端設(shè)置抬吊吊點(diǎn)，下部設(shè)置吊耳或者吊鉤用于連接吊索。這種吊梁適用于設(shè)備長(zhǎng)度短，重量又超過(guò)單臺(tái)行車(chē)起吊能力，兩行車(chē)無(wú)法直接抬吊的情況。根據(jù)吊梁和吊運(yùn)部件的特點(diǎn)，吊梁下的吊點(diǎn)可以設(shè)計(jì)成不同的樣式。

1.4 吊裝框架和組合吊梁

吊裝框架構(gòu)造復(fù)雜，多針對(duì)特定設(shè)備的吊裝設(shè)計(jì)，能夠滿(mǎn)足設(shè)備上多點(diǎn)同時(shí)起吊和各吊點(diǎn)都豎直起吊的要求，能有效防止設(shè)備單點(diǎn)的起吊受力變形，多應(yīng)用于剛性差的設(shè)備模塊的起吊。其缺點(diǎn)是制作復(fù)雜，通用性差，成本較高。其設(shè)計(jì)計(jì)算難度也最大，通常需要用到STAAD、PRO、ANSYS 等結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行模擬分析。

組合吊梁顧名思義就是多根吊梁組合形成的吊梁組，應(yīng)用于特殊和復(fù)雜的吊裝工況，是根據(jù)特定需求而進(jìn)行設(shè)計(jì)。多用于起吊能力不足需要多機(jī)抬吊的場(chǎng)合，或者用多件吊梁組合替代吊框的作用。

2 吊梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)

GBT 26079- 2010 是國(guó)內(nèi)吊梁設(shè)計(jì)制造的主要規(guī)范依據(jù)，其對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算的類(lèi)別、安全系數(shù)、制造誤差、焊接和探傷要求、涂裝、載荷試驗(yàn)等都有具體的要求。再結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和大件吊裝規(guī)范，設(shè)計(jì)出來(lái)的吊梁完全滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。國(guó)外ASME 規(guī)范要求和國(guó)標(biāo)基本一致，其他DNV 等規(guī)范要求差異較大，需參照具體規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

2.2 吊梁設(shè)計(jì)安全系數(shù)

吊梁設(shè)計(jì)載荷為額定起吊重量，其值不小于被吊物重量、吊索具和吊梁重量之和，還需要考慮載荷沖擊、動(dòng)載等綜合影響。結(jié)合吊梁的用途和使用環(huán)境，吊梁強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全系數(shù)一般情況下取2，重要危險(xiǎn)性大吊梁取3；連接件的安全系數(shù)（包括吊耳），一般吊梁取2.4；重要危險(xiǎn)性的吊梁，安全系數(shù)取3.6。有特殊要求的按要求執(zhí)行，但不低于此規(guī)定。

對(duì)于軸向受壓的構(gòu)件，穩(wěn)定性安全系數(shù)不低于5。

參照行車(chē)，吊梁垂直撓度最大為跨度的1/ 700。由于吊梁垂直撓度對(duì)于起吊影響不大，為此建議吊梁垂直撓度控制在長(zhǎng)度的1/ 500 以?xún)?nèi)即可。

2.3 吊梁材料及許用應(yīng)力

碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235B 等符合GB700- 2006；低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q355B 等符合GB/ T1591- 2018，優(yōu)先選用Q355B。無(wú)縫鋼管符合GB/ T8162- 1999 標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然也可以選擇其他材料，只要性能符合要求，強(qiáng)度計(jì)算能通過(guò)即可。

基本許用應(yīng)力包括拉伸、壓縮、彎曲的許用應(yīng)力。

2.4 吊梁強(qiáng)度設(shè)計(jì)校核典型方法

2.4.1 吊梁強(qiáng)度設(shè)計(jì)校核說(shuō)明

吊梁強(qiáng)度計(jì)算主要包括兩方面，即吊梁主體校核和吊耳強(qiáng)度校核。吊梁主體強(qiáng)度主要包括彎曲強(qiáng)度、拉壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，受壓桿件長(zhǎng)細(xì)比較大時(shí)還需校核穩(wěn)定性。吊耳的強(qiáng)度校核包括耳板的拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和軸孔擠壓強(qiáng)度，吊耳中心到根部高度較高且承受水平分力時(shí)還需校核吊耳彎曲強(qiáng)度。吊耳和吊梁連接焊縫也需要進(jìn)行校核計(jì)算，通常只要吊耳尺寸設(shè)計(jì)合理，吊耳開(kāi)坡口全焊透的情況下焊接強(qiáng)度都是足夠的。吊梁設(shè)計(jì)計(jì)算步驟大致如下：根據(jù)吊梁所需起吊的重量和吊點(diǎn)間距，初步選定吊梁主體規(guī)格和吊耳尺寸；然后進(jìn)行受力分析和強(qiáng)度校核，計(jì)算應(yīng)力不超過(guò)許用應(yīng)力即可；再調(diào)整和優(yōu)化，最終得出最優(yōu)設(shè)計(jì)尺寸。

2.4.2 吊梁強(qiáng)度設(shè)計(jì)常用公式

應(yīng)力分析計(jì)算中常用計(jì)算公式見(jiàn)式（1）—（6）。根據(jù)設(shè)計(jì)載荷和使用工況進(jìn)行受力分析以后，利用這些公式反向推導(dǎo)，可以得到大致所需的部件截面積、抗彎模量需求等參數(shù)；然后進(jìn)行截面設(shè)計(jì)優(yōu)化；最后校核，能更加快捷地得到理想的設(shè)計(jì)效果。

式中：F——載荷，N；

A——抗拉/ 壓的截面積，mm2；

M——吊耳彎矩，N·mm；

W——吊耳根部抗彎截面模量，cm3；

φ——壓桿穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)長(zhǎng)細(xì)比λ，可查GB3811- 2008 表29 和附錄K。

σtd——軸孔擠壓應(yīng)力, MPa；

σ，[σ]——計(jì)算拉伸、壓縮應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和許用應(yīng)力，MPa。

2.5 吊梁及吊耳尺寸設(shè)計(jì)

吊梁截面尺寸主要以強(qiáng)度計(jì)算為主，同時(shí)結(jié)合吊耳布置對(duì)尺寸空間的需求。通常寬高比選擇1∶2 左右，上下翼板厚度大于腹板厚度，這個(gè)比例既有較大的抗彎能力又能節(jié)約材料。吊點(diǎn)間距要和被吊重物的吊點(diǎn)間距保持一致，從而確保起吊吊索的豎直受力。大吊梁通常都會(huì)設(shè)計(jì)成變截面形式，應(yīng)力大的區(qū)域截面大、應(yīng)力小的區(qū)域截面小，從而既降低吊梁自重又節(jié)約材料。為了便于吊梁的存儲(chǔ)和運(yùn)輸，大吊梁通常都會(huì)設(shè)置起吊用小吊耳和支撐，在不影響吊梁使用的情況下支撐可以和吊梁本體焊接為一體，也可以單獨(dú)制作活動(dòng)支撐。

2.5.1 吊梁板式吊耳與卸扣和吊索的匹配設(shè)計(jì)

（1）主要尺寸校核包括吊耳孔直徑（D）必須大于卸扣銷(xiāo)軸直徑(一般大5～10mm，最小3mm)；

（2）吊耳總厚度不得大于卸扣寬度，一般為卸扣寬度的0.7～0.9，最小為卸扣寬度的0.5，如此才能保證吊耳孔和銷(xiāo)軸良好的受力狀態(tài)。

（3）吊耳外徑（R）外側(cè)和卸扣弓形頂部之間應(yīng)留有足夠吊索空間,卸扣銷(xiāo)軸到弓形處距離為S,則S- (R- 0.5D)≥1.2 倍鋼絲繩直徑?？紤]鋼絲繩的變形和實(shí)際操作的方便，一般取2～4 倍鋼絲繩直徑更合適。

2.5.2 吊梁軸吊與吊索的匹配設(shè)計(jì)

(1) 設(shè)計(jì)的軸吊管軸直徑宜為起吊用鋼絲繩直徑的6倍左右。鋼絲繩繞過(guò)管軸時(shí)如果直徑太小，彎折嚴(yán)重，會(huì)對(duì)吊索起吊能力造成折減。

(2) 擋圈高度不宜小于起吊使用的最小鋼絲繩直徑。

(3) 軸吊長(zhǎng)度應(yīng)確保能夠容納吊梁起吊額定起重量時(shí)的吊索，且有一定操作空間。

2.6 其他設(shè)計(jì)分析方法

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)不斷發(fā)展，基于各種理論和計(jì)算研發(fā)的結(jié)構(gòu)分析軟件廣泛應(yīng)用。比如ansys workbench、STAAD.PRO、Solide works 等都能用于吊梁吊具等結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算。通過(guò)模型建立，施加約束，施加載荷，設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)定和分析運(yùn)行等基本步驟，最終都能得出接近于理論計(jì)算的應(yīng)力分析結(jié)果。當(dāng)然，只有復(fù)雜截面的吊梁或吊框等需要軟件分析，常用的吊梁根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和上述列舉的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算都能得到正確可靠計(jì)算結(jié)果，滿(mǎn)足吊梁設(shè)計(jì)需求。

3 結(jié)語(yǔ)

吊梁在起重吊裝中是十分重要的起重工具，吊裝作業(yè)的安全和順利進(jìn)行都和吊梁息息相關(guān)。針對(duì)常用的幾種形式的吊梁，分析了其各自的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景，同時(shí)列舉了吊梁設(shè)計(jì)的重要方法和要點(diǎn)。要想吊梁自重輕，優(yōu)先考慮設(shè)計(jì)成純受壓結(jié)構(gòu)，尤其是鋼管支撐式能夠?qū)⒌趿鹤灾亟档偷阶钶p。要想吊梁占用起升高度最少，就需要將吊梁設(shè)計(jì)成主受彎結(jié)構(gòu)，吊梁上部吊耳間距最小化，從而上部吊索占用高度最小化。只要在吊梁設(shè)計(jì)過(guò)程中重視各個(gè)參數(shù)要素的控制，通過(guò)合理設(shè)計(jì)，就能讓吊梁安全經(jīng)濟(jì)且使用方便。