鋼絲繩吊索的受力計(jì)算與選型

劉文華，韓俊虎，李洋洋，王善科

（山東中建物資設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

1 研究背景

隨著現(xiàn)代機(jī)械化施工的普及，建筑工地上大型機(jī)械設(shè)備的使用也隨之增多，與此同時(shí)，這些大型機(jī)械設(shè)備在制造、運(yùn)輸和安裝的過程中勢(shì)必涉及吊裝問題。這些設(shè)備的吊裝通常采用起重機(jī)械、吊具以及鋼絲繩吊索等來完成，而鋼絲繩吊索的選型直接影響吊裝過程的安全性。此外，工程施工對(duì)塔機(jī)、汽車起重機(jī)等吊裝作業(yè)的一體化、專業(yè)化的要求更高，這就要求參與吊裝人員對(duì)鋼絲繩吊索的選取和使用更加的專業(yè)。因此，針對(duì)鋼絲繩吊索的受力分析計(jì)算是很有意義的。

本文介紹幾種常見的吊裝方式，并對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化分析計(jì)算，對(duì)鋼絲繩吊索的選型提供一種計(jì)算參考方式，便于根據(jù)吊裝需要，能夠快速、準(zhǔn)確的選取合適的鋼絲繩吊索。

2 鋼絲繩吊索受力分析計(jì)算

大型起重機(jī)械吊裝用鋼絲繩吊索通常需根據(jù)吊物的不同吊點(diǎn)采用多分支捆綁吊裝。吊裝時(shí)，鋼絲繩吊索的受力比較復(fù)雜，通常采用增大鋼絲繩的安全系數(shù)來進(jìn)行計(jì)算選型。常見的鋼絲繩吊索吊裝方式有一支、二支、四支，其它的多支吊裝較不常見，多支吊索吊裝又分為有夾角和無夾角兩類，有夾角類的還可分為吊物在吊裝時(shí)重心是否與吊鉤節(jié)點(diǎn)處于同一鉛垂線上。無夾角的鋼絲繩吊索受力計(jì)算比較簡(jiǎn)單，鋼絲繩的長(zhǎng)度也可選的適量短些，每根鋼絲繩吊索所受拉力可直接用吊物重量除以吊索的分支數(shù)。無夾角吊裝時(shí)，需考慮吊物的形狀以及吊裝過程中存在的竄動(dòng)，不宜選擇過多分支。下面介紹兩種求鋼絲繩吊索在吊裝時(shí)所受張力的實(shí)用方法。

2.1 吊物重心與吊鉤節(jié)點(diǎn)在同一鉛垂線上

在吊裝過程中，有夾角吊裝時(shí)常采用二支、四支吊索，吊物重心與吊鉤節(jié)點(diǎn)在同一鉛垂線上。由圖1 可知，鋼絲繩吊索與鉛垂線的夾角β越大，鋼絲繩吊索的受力也越大；因此，減小夾角β，可以減小每根鋼絲繩吊索的受力，提高鋼絲繩吊索的使用壽命。但無限地減小β角，又會(huì)增加鋼絲繩吊索的長(zhǎng)度，導(dǎo)致吊裝高度過高，因此，一般鋼絲繩吊索與鉛垂線的夾角β不宜超過60°，通常選在30°～45°之間。

圖1 二支、四支鋼絲繩吊索示意圖

圖2 為二支、四支鋼絲繩吊索受力簡(jiǎn)圖，重量為G的吊物分別由兩根、4 根均勻分布的鋼絲繩吊索承受，O為吊物重心，與吊鉤節(jié)點(diǎn)在同一鉛垂線上，a為吊點(diǎn)之間長(zhǎng)度，b為吊點(diǎn)之間寬度（若為雙支吊索，即b為0），L為單根鋼絲繩吊索長(zhǎng)度，h為吊鉤節(jié)點(diǎn)距吊物的高度，F(xiàn)為單根鋼絲繩吊索所受的拉力。夾角β的大小可由吊點(diǎn)距貨物的高度和吊物吊點(diǎn)來確定。

圖2 二支、四支鋼絲繩吊索受力簡(jiǎn)圖

高度h難以直接測(cè)量，故一般可由鋼絲繩長(zhǎng)度L和吊物吊點(diǎn)到吊物重心的距離來計(jì)算鋼絲繩吊索與鉛垂線的夾角β大小。

由于吊物的重心O和吊鉤節(jié)點(diǎn)同一鉛垂線上，吊點(diǎn)之間長(zhǎng)度為a，寬度為b，故每根鋼絲繩吊索連接點(diǎn)承受的重量為吊物重量G的1/n（n為鋼絲繩吊索的支數(shù)）。則鋼絲繩吊索與鉛垂線的夾角β為

單根鋼絲繩吊索所受的拉力為

式中：n取2、4。

2.2 吊物重心與吊鉤節(jié)點(diǎn)不在同一鉛垂線上

在實(shí)際建筑工程中，吊物的吊點(diǎn)可能不在同一平面上，或者吊物的重心偏向一側(cè)，導(dǎo)致吊物重心不處于吊鉤節(jié)點(diǎn)的正下方，兩者之間形成一個(gè)偏心距，從而使1 根或2 根鋼絲繩吊索所受的拉力變大，導(dǎo)致吊裝過程存在不安全因素。下面討論由偏心距的影響而造成鋼絲繩拉力F的變化。

如圖3 所示，吊鉤節(jié)點(diǎn)與吊物重心O之間有一定的偏心距，且吊物重心偏于吊鉤節(jié)點(diǎn)的左側(cè)，L為單根鋼絲繩吊索長(zhǎng)度，h為吊鉤節(jié)點(diǎn)距吊物的高度，F(xiàn)為單根鋼絲繩吊索所受的拉力。

圖3 吊鉤節(jié)點(diǎn)與吊物重心不在同一水平線上

考慮到計(jì)算，假設(shè)將吊物重心偏的一側(cè)改為短鋼絲繩吊索，另一側(cè)改為長(zhǎng)鋼絲繩，因?yàn)槭芰ζ胶?，短鋼絲繩那側(cè)將被拉高 角，吊點(diǎn)之間長(zhǎng)度為a，寬度為b，β為鋼絲繩吊索與鉛垂線間的夾角，如圖4 所示。

圖4 抬高α角后二、四支鋼絲繩吊索受力簡(jiǎn)圖

故鋼絲繩吊索與鉛垂線的夾角β為

單根鋼絲繩吊索所受的拉力為

式中：n取2、4。

3 鋼絲繩吊索的選型計(jì)算

在建筑工程上，起重作業(yè)中最常用的是6×19 和6×37 的鋼絲繩。其中6×19 的鋼絲繩一般用于受彎曲載荷較小或遭受磨損的地方，如纜風(fēng)繩、拉索及制作起重索具，而6×37 的鋼絲繩適用于繩索受彎曲時(shí)，多用于起重作業(yè)中捆扎各種物件、設(shè)備及穿繞滑車組和制作起重用索具。

3.1 重心與吊鉤節(jié)點(diǎn)在同一鉛垂線上

下面以最常見的四支鋼絲繩吊索為例（圖5）進(jìn)行選型計(jì)算。重量為13.3t 的吊物，吊點(diǎn)距離均為2 350mm，鋼絲繩吊索長(zhǎng)度L均為8 000mm，重心與吊鉤節(jié)點(diǎn)在同一鉛垂線上。

圖5 吊裝相關(guān)尺寸圖（mm）

3.1.1 鋼絲繩的實(shí)際受力計(jì)算

3.1.2 鋼絲繩的破斷拉力計(jì)算

式中S——鋼絲繩的破斷拉力（kN)；

Ssi——鋼絲破斷拉力的總和，查GB 8918-2006《重要用途鋼絲繩》表11 得6×37+FC-30mm 鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度為1 670MPa 時(shí)其鋼絲破斷拉力的總和為496kN；

Y——鋼絲繩捻制不均折減系數(shù)，對(duì)于6×19 的鋼絲繩，Y取0.85；對(duì)于6×37 的鋼絲繩，Y取0.82。

經(jīng)計(jì)算得出S=406.72kN。

3.1.3 鋼絲繩的許用拉力計(jì)算

式中P——鋼絲繩的許用拉力（kN）；

S——鋼絲繩的破斷拉力（kN）；

K——鋼絲繩的安全系數(shù)，根據(jù)吊裝規(guī)范要求取6。

故P=S/K=6.78t＞3.88t，選取30mm（6×37S+FC-1670）的鋼絲繩吊索滿足吊裝要求。

3.2 重心與吊鉤節(jié)點(diǎn)不在同一鉛垂線上

如圖6 所示，重量為13.8t 的吊物，吊點(diǎn)距離a為7 180mm，距離b為2 360mm，左側(cè)鋼絲繩吊索長(zhǎng)度L1為8 000mm，右側(cè)鋼絲繩吊索長(zhǎng)度L2為7 500mm，重心與吊鉤節(jié)點(diǎn)不在同一鉛垂線上，重心偏右側(cè)，右側(cè)被拉高15°。

圖6 吊裝相關(guān)尺寸圖（mm）

3.2.1 鋼絲繩的實(shí)際受力計(jì)算

3.2.2 鋼絲繩的破斷拉力計(jì)算

重心與吊鉤節(jié)點(diǎn)不在同一鉛垂線上鋼絲繩的破斷拉力計(jì)算同3.1.2，S=406.72kN。

3.2.3 鋼絲繩的許用拉力計(jì)算

重心與吊鉤節(jié)點(diǎn)不在同一鉛垂線上鋼絲繩的許用拉力計(jì)算P=S/K=6.78t＞3.88t，選取30mm（6×37S+FC-1670)的鋼絲繩吊索滿足吊裝安全要求。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼絲繩吊索的選型在吊裝作業(yè)中是重中之重，參與吊裝的作業(yè)人員需要根據(jù)吊物的重量，重心以及吊點(diǎn)位置選擇合適的鋼絲繩吊索。本文通過對(duì)常見的一支、二支、四支鋼絲繩吊索受力分析，為吊裝用鋼絲繩吊索的設(shè)計(jì)選型提供了一種實(shí)用的分析計(jì)算，并為其它分支的吊裝提供了一種計(jì)算選型的思路和參考。