浮吊上起重机吊杆的加固设计与计算.doc

浮吊上起重机吊杆的加固设计与计算

无锡路桥集团股份有限公司 马士中 邢士伟 李俊伟 冯泉钧
　　1、概述
　　随着水上运输事业的发展，大多数苏南运河连续进行改造升级，航道桥梁的规模越建越大，使原有的桥梁安装设备无能为力，特别是浮吊上的起重吊杆高度就显得明显不足。例如锡宜高速公路上的一座跨越京杭运河的钢管砼系杆拱桥主跨100米，常水位以上的拱顶高度达35米，计算需吊杆长度为40米；而苏北有座北澄子运河大桥，其主跨为80米二幅，安装水位到拱顶高达38米，需要42米长的吊杆才能满足安装要求。但我公司现有的浮吊上的吊杆总长度仅为30米，如能利用原有的吊杆将它加固接长，不但可以节约投资，节省新造吊杆的时间，而且还能解决旧设备的积压，减少仓储压力。对我们桥梁工程技术人员来说还可得到一次实际的工作锻炼，将学校学到的基础理论和专业知识创造性地运用到实际工作中去，是一项十分有价值的工作。
　　本文以苏北北澄子运河大桥主拱肋安装为背景，叙述其吊杆加固设计的要点和具体计算方法：上跨北澄子运河的大桥是一座主跨为80米的钢管砼系杆拱桥，共有两幅桥面组成，每幅桥面均有两根拱肋，每根拱肋均由两根φ900×16的钢管组成哑铃形断面，其总重量为70吨，是本桥安装的关键构件，计划用两台浮吊抬吊，每台浮吊承担35吨。主要安装顺序为先梁后拱，即在安装好系梁后再把80米主跨的拱肋一次安装到位，其最大提升高度为施工水位以上38米。根据计算，需要吊杆长度为42米，但我公司仅有30米长的钢管吊杆，其最大断面为φ800×12，最小断面为φ350×12。如果要满足现有的安装要求，则吊杆必须加长12米，而且吊杆断面的竖向惯矩也应相应加大，并应考虑以下特点：
　　①臂杆是安装在浮吊上，它与安装在陆地上的起重机不同。因为浮吊船体可以左右前后摆动，对吊杆受力不利，加固设计中必须考虑这个因素。
　　②加固后的吊杆是一根多级突变截面的吊杆，而且与中间截面不相对称，见图二，因此没有现成的资料借鉴，而必须运用基础理论重新进行设计与计算。
　　③在浮吊上的吊杆可以变更起吊角度，但为便于操作吊杆也可始终保持65°的仰角，此时起重拱肋上下动作，可用起重索来完成，拱肋的平面活动则靠浮吊进行。
　　2、利用浮吊安装拱肋时的荷载简图，如图一所示。

　　图一浮吊简图
　　注：为方便计算，图中仅表示起升荷载为单位力P=1时，吊杆轴向压力的数值，虚线示纵倾2°后单位起升荷载引起的吊杆轴向压力。
　　3、吊杆的分段长度及各段截面的几何特性
　　3.1吊杆分段长度及截面构造见图二（图中2L160×100×10为加固增加的部分）

　　3.2吊杆分段截面的几何特性值见表一
　　吊杆分段截面的几何特性值表表一

　　4、作用在吊杆上的荷载种类及组合
　　4.1吊杆的自重荷载，见图三

　　4.2吊杆上的因素荷载
　　按规定，因素荷载P=起吊荷载G×作业系数φd×动载系数φh
　　∴
　　相应的一根吊杆的轴向压力为：

　　式中：β-为吊杆的横向夹角，见图四，Cosβ=0.9991
　　4.3船体纵倾2°，横倾2°时吊杆内力增加
　　4.3.1船体纵倾2°时，左右两根吊杆上每根将增加轴向力（以前倾为不利）

　　4.4风荷载的影响
　　按规定：
　　①作用在起身荷载的风力，一般以每9.8KN安全工作负荷的风力为300N（0.3KN）来考虑。
　　②起重设备工作时的风速不超过20m/s相应风压不超过250Pa（0.25KN/m2）。
　　由上可得作用在吊杆顶上的计算风载为：

　　作用在吊杆上的风载，按竖向φ800断面计（因人字吊杆在横向已组成桁架，见图五，这里不计横向力）。

　　4.5荷载组合

　　4.5.1按无风状态

　　4.5.2按有风状态

　　5.1允许应力
　　5.1.1无风状态计算的允许应力

　　5.1.2有风状态计算的允许应力

　　由允许应力值对比可见两种状态均有可能控制计算。
　　6．1吊杆临界力的计算
　　本吊杆为多级突变截面压杆，且上下部各不对称，为此选择能量法计算其临界力。

　　而压杆在偏离平衡状态有微小的移动时，变形能的增量（变化）ΔU为：
………………③

　　③式积分不必继续展开，可直接利用电脑积分。列表计算如下：
　　括号中的数值积分表表二

　　6.2对以上结果的分析
　　利用以上计算结果，可以解得失稳时的屈曲线方程为：

　　与对称的变截面杆件（按一个正弦半波）即：相近似，但显然本吊杆的失稳状态要精确些。
　　7吊杆的应力验算(主要是弯矩作用平面以内的验算)
　　7.1无风状态验算

　　7.2有风状态验算

　　以上计算结果均能满足使用要求，并获得专家组评审通过。

　　8结束语
　　8.1本文仅对吊杆总体作了计算分析，但吊杆连接计算等部位仍需按常规进行验算，以确保吊装安全。同理吊杆加高以后，浮吊的稳定性也必须验算。
　　8.2在二根吊杆平面以内的稳定可用图五的构造措施保证。
　　8.3吊杆加工时，吊杆轴线挠度不应超过其长度的1/1500。
　　8.4本吊杆起吊仰角较大，为防止吊杆发生回跳，吊杆顶部必须有保险索与船头连系，此外还应制订其它相应的安全措施。
　　8.5试吊是检查整个系统能否确保安全起重的重要手段，根据规定当设计荷载为196～490KN，试验荷载可取246～540KN，由此可得本次试验荷载应为350+50=400KN，重物离地面后悬挂时间不少于5分钟，有关试验的其它注意事项按常规进行。
　　参考资料
　　1、钢结构设计规范（GB50017-2003）
　　2、船泊与海上设施法定检验规则（中华人民共和国船泊检验局）
　　3、船泊与海上设施起重设备规范（2007年）
　　4、弹性稳定理论（S.P铁摩辛柯