一種方樁專用吊裝夾具的研究與應(yīng)用

于潤(rùn)華

（國網(wǎng)山東省電力公司建設(shè)公司， 山東 濟(jì)南 250022）

0 引言

樁基礎(chǔ)作為各類工程建設(shè)中常用的基礎(chǔ)形式之一，因其施工工藝成熟、承載力高、成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，在變電站工程中得到廣泛應(yīng)用。預(yù)制鋼筋混凝土方樁，是我國建筑基礎(chǔ)工程中的重要樁基材料， 也是我國預(yù)制構(gòu)件中產(chǎn)量較大的一種混凝土制品。

1 方樁吊裝在施工中的應(yīng)用

在特高壓變電站建設(shè)工程施工中， 樁基施工需要使用大型靜壓樁機(jī)向地下埋入預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心方樁。 樁是深入土層的柱型“桿件”，特高壓變電站建設(shè)工程施工中用到的預(yù)制鋼筋混凝土方樁樁型，截面為正方形，樁身截面一般沿樁長(zhǎng)不變，方樁截面尺寸通常200×200mm 至600×600mm 不等，其樁身單節(jié)長(zhǎng)度一般為4m～15m 幾種規(guī)格，由于運(yùn)輸?shù)臈l件限制，樁長(zhǎng)一般不超過12m。

預(yù)制鋼筋混凝土方樁具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）樁身混凝土強(qiáng)度較高，單樁樁身承載力較大；施工受地下水變化影響較小。

（2）制作便利，既可以現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制，也可以工廠化生產(chǎn)；可根據(jù)不同地質(zhì)條件，生產(chǎn)各種規(guī)格和長(zhǎng)度的樁。

（3）樁身質(zhì)量可靠，施工質(zhì)量比灌注樁等更易于保證。

（4）施工速度快，現(xiàn)場(chǎng)文明施工程度高。

（5）其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)比同類產(chǎn)品先進(jìn)、合理、經(jīng)濟(jì)。

近年來，隨著我國建筑業(yè)的發(fā)展，該類產(chǎn)品在國內(nèi)許多地區(qū)得到大力的發(fā)展。 在某特高壓變電站建設(shè)工程樁基施工中，即采用的該類預(yù)制鋼筋混凝土實(shí)心方樁，選用圖集 《預(yù)應(yīng)力樁基實(shí)心方樁》L13SG410 中的JYFZB-BF-400-XX-A 樁型，該樁型截面尺寸400mm×400mm，樁身長(zhǎng)度12m。 該工程施工中該類樁型的使用量約為4100根，吊裝工作量大。

目前， 施工現(xiàn)場(chǎng)多采用鋼絲繩纏繞方樁進(jìn)行吊裝的方式（單點(diǎn)起吊或多點(diǎn)起吊），無專用吊裝夾具，存在以下問題：

（1）鋼絲繩纏繞方樁時(shí)，如果纏繞方式不當(dāng)，起吊過程中方樁容易滑脫，容易造成人員傷亡、設(shè)備損壞，存在重大的安全隱患。

（2）吊裝過程中，鋼絲繩與方樁直接接觸，鋼絲繩極易被方樁邊緣摩擦損傷，存在鋼絲繩被磨斷的安全隱患，容易造成人員傷亡、設(shè)備損壞，需安全人員加強(qiáng)對(duì)鋼絲繩的檢查管理。

（3）由于鋼絲繩與方樁接觸面積小，方樁邊緣易被鋼絲繩勒傷，壓潰，造成方樁的損傷，損傷處已形成應(yīng)力集中，影響方樁的使用壽命，同時(shí)影響方樁的外觀質(zhì)量。

為解決上述問題， 消除方樁吊裝作業(yè)中存在的安全隱患，提高吊裝作業(yè)施工效率，自主設(shè)計(jì)了一種預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心方樁專用吊裝夾具（以下簡(jiǎn)稱專用吊具）。

2 方樁專用吊裝夾具研究

2.1 使用工況

吊裝對(duì)象：預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心方樁；外形尺寸：0.4m×0.4m×12m；重量：約4.8t；安全系數(shù)：2.96；最大起重9.4t。

2.2 結(jié)構(gòu)組成

預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心方樁吊裝夾具基本結(jié)構(gòu)包括：壓緊梁1、 壓緊梁2、 主銷軸、 拉桿、 拉桿銷軸、 預(yù)緊螺母（Tr36）、吊裝卸扣（DX-3/4、額定載荷4.75t）等，見圖1。

圖1 吊裝夾具結(jié)構(gòu)組成

2.3 吊裝原理

將吊裝夾具的壓緊梁1 和壓緊梁2 置于方樁兩側(cè)，調(diào)整好吊裝位置， 通過旋擰拉桿上的預(yù)緊螺母 （不小于2400N），使得兩壓緊梁夾緊方樁，當(dāng)預(yù)緊力足夠大時(shí)（理論壓力達(dá)到80000N）， 通過兩個(gè)壓緊梁作用于方樁上的摩擦力大于方樁的重力以及機(jī)械鎖緊原理， 即可對(duì)方樁進(jìn)行吊裝作業(yè)。 吊裝示意圖，見圖2。

圖2 吊裝示意圖

2.4 夾具設(shè)計(jì)

根據(jù)方樁重量約4.8t，預(yù)設(shè)重力為48000N，根據(jù)合成橡膠與混凝土之間的摩擦系數(shù)為0.6～0.85， 取定0.6，計(jì)算得出能夠吊裝該方樁所需總的正壓力約為80000N，單側(cè)正壓力約為40000N。

（1）根據(jù)吊裝夾具的使用工況，材料選用45 號(hào)鋼，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，表面發(fā)黑處理（噴涂防銹漆），其拉伸許用應(yīng)力約為120MPa，剪切許用應(yīng)力約為80 MPa。45 號(hào)鋼是一種優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，GB/T699-1999 規(guī)定—45 鋼抗拉強(qiáng)度為600MPa，屈服強(qiáng)度為355MPa，伸長(zhǎng)率為16%，斷面收縮率為40%。

（2）計(jì)算拉桿最小截面積約為667mm2，最小直徑約為30mm，根據(jù)梯形螺紋標(biāo)準(zhǔn)，可選定螺距為3mm，公稱直徑為36mm 的梯形螺紋，其最小內(nèi)徑約為32mm。 計(jì)算壓緊梁最小截面積約為800mm2， 結(jié)合該構(gòu)件的受力情況，可選用25mm×40mm 的矩形鋼。 計(jì)算銷軸最小截面積約為500mm2，最小直徑約為26mm。

（3）壓盤與橡膠墊：壓盤合理增大面積，橡膠墊采用高強(qiáng)度合成橡膠，使壓緊力均勻分布于壓盤作用面上，擴(kuò)大受力面積，防止鋼制壓盤直接與方樁接觸一起，一定的緩沖作用；橡膠墊通過強(qiáng)力膠粘結(jié)鑲嵌于壓盤內(nèi)，吊裝時(shí)處于強(qiáng)力壓縮狀態(tài)，確保不會(huì)脫落。

（4）吊裝桿：使用時(shí)將卸扣銷軸拆下，將卸扣穿過桿體，然后擰上卸扣銷軸，即可進(jìn)行吊裝作業(yè)。 桿體與壓緊梁焊接，為保證強(qiáng)度要求，一方面通過增大尺寸滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求； 另一方面， 桿體與梁體焊接處四周焊有加強(qiáng)筋，焊縫均倒焊接坡口、滿焊，留有足夠的焊高。 桿體端部留有卸扣防脫法蘭， 防止吊裝過程中發(fā)生偏載導(dǎo)致卸扣脫出。

2.5 有限元計(jì)算及分析

根據(jù)吊裝夾具的受力情況， 主要針對(duì)薄弱部件進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，分析各部件的薄弱位置，校核薄弱位置的強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

（1）拉桿主要承受預(yù)緊力作用，經(jīng)有限元分析其薄弱位置為與拉桿銷軸連接處，見圖3。 根據(jù)目前的設(shè)計(jì)尺寸，其最大應(yīng)力約為60MPa，小于所選材料的許用應(yīng)力值，滿足設(shè)計(jì)要求。

（2） 壓緊梁是一個(gè)組合受力的情況： 一方面承受拉桿的拉力即預(yù)緊力，另一方面起吊過程中承受方樁的重力。 經(jīng)有限元分析其薄弱位置為吊裝軸與結(jié)構(gòu)梁連接處， 如圖4 所示。根據(jù)目前的設(shè)計(jì)尺寸，其最大應(yīng)力約為100MPa，小于所選材料的許用應(yīng)力值，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 拉桿受力情況有限元仿真計(jì)算結(jié)果

圖4 壓緊梁受力情況有限元仿真計(jì)算結(jié)果

2.6 使用方法及注意事項(xiàng)

（1）嚴(yán)禁超負(fù)荷使用。

（2）使用前，應(yīng)檢查吊件構(gòu)件齊備、完好；若有嚴(yán)重銹蝕、裂紋、變形、損傷、轉(zhuǎn)動(dòng)部分不靈活、螺栓破絲等情況時(shí)，嚴(yán)禁使用。

（3）吊具應(yīng)安裝在距離方樁邊緣不少于800mm。

（4）預(yù)緊螺栓應(yīng)使用扭力扳手，不小于2400N。

（5）起吊時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行試吊。 方樁起吊端離地10cm時(shí)，檢查吊裝是否可靠；確認(rèn)無誤后，繼續(xù)起吊至方樁全部完全離地10cm，檢查吊裝是否可靠；確認(rèn)無誤后，繼續(xù)起吊。

（6）起吊方樁時(shí)，吊臂、方樁周圍嚴(yán)禁人員靠近。

（7）起吊過程應(yīng)平穩(wěn)，禁止大幅度操作。

3 結(jié)束語

方樁起吊專用吊具經(jīng)過系統(tǒng)的有限元分析計(jì)算，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足性能設(shè)計(jì)要求。

本方樁起吊專用吊具的優(yōu)點(diǎn)： 一是吊裝過程中對(duì)方樁的夾持更加可靠； 二是避免對(duì)混凝土方樁的局部壓潰；三是避免鋼絲繩與方樁直接接觸，避免方樁對(duì)鋼絲繩的摩擦損傷，減少安全隱患；四是改善方樁的吊裝姿態(tài)，降低吊裝作業(yè)對(duì)準(zhǔn)落入點(diǎn)的操作難度。 應(yīng)用該專用吊裝夾具后，進(jìn)一步保障了吊裝作業(yè)安全， 確保工程建設(shè)安全順利開展，提高了吊裝作業(yè)效率，安全效益和社會(huì)效益顯著。