桅杆式起重机

1、第四章,桅杆式起重机,第一节 桅杆式起重机的基本结构与分类,一、基本结构 桅杆式起重机由金属结构、起升系统、稳定系统、动力系统组成。 1、金属结构包括： 桅杆、基座及其附件组成。 主要用来提供起升高度和幅度，并将被吊装设备或构件的重量传递到基础上。 如图4-1,图4-1 桅杆金属结构,图4-2 桅杆头部结构,图4-3(a) 桅杆基座结构1,图4-3(b) 桅杆基座结构2,2、起升系统：主要作用是提升被吊装设备或构件，它主要由滑轮组、导向轮和钢丝绳等组成。 3、稳定系统：主要作用是稳定桅杆，包括缆风绳、地锚等。 4、动力系统：为桅杆式起重机提供动力，常用的主要是电动卷扬机，也有液压装置。,二、分

2、类 1、按桅杆结构形式分：桅杆可分为格构式和实腹式（一般为钢管）两类（如 图4-1）。 2、按组合形式分：桅杆可分为单桅杆、双桅杆、人字桅杆、门式桅杆和动臂桅杆五类基本形式。,三、基本工作形式： 桅杆式起重机的基本工作形式有如下五种，其它工作形式可以认为是该基本形式的变化。 1、 直立单桅杆吊装，主要用于吊装桥式起重机、大型构件等（如图4-4）。,如图4-4直立单桅杆吊装桥式起重机,2、斜立人字桅杆 （或单桅杆和门式 桅杆）吊装。主要 用于在建筑物上吊 装小型设备或构件 （如图4-5） 吊装过程见动画1,动画1 斜立人字桅杆吊装过程,3、双桅杆滑移抬吊。主要用于吊装大型塔、罐设备（如图4-6）

3、。 4、扳倒法吊装，主要用于吊装大型塔架类构件（如图4-7）。 5、动臂桅杆吊装，主要用于在某一范围内有大量中、小设备或构件的吊装。（如图4-8）。,如图4-6 双桅杆滑移抬吊,动画2 双桅杆滑移抬吊吊装过程,图4-7 扳倒法吊装,动画3 扳倒法吊装过程,图4-8 动臂桅杆吊装,动画4 动臂桅杆吊装过程,第二节 实腹式桅杆式起重机的设计与校验,桅杆的设计主要有两项任务，长度确 定、截面选择。现分别讨论。 一、桅杆的长度确定 确定桅杆长度时，可分直立和倾斜两种情况处理，实际上，直立是倾斜在倾角为零的一种特殊情况，但为了更明确，仍分别论述。其它工作形式均可转化成上述两种情况处理。,1、 直立桅杆的

4、长度选择应考虑如下问题： （1）工艺要求或现场环境要求被吊装设备或构件被吊起的最大高度。 （2）被吊装设备或构件的高度。 （3）吊索拴接方法及高度。 （4）滑轮组的最短极限距离。 （5）工艺要求的腾空距离。 （6）安全距离。 （7）桅杆基础高度。 如图4-9示，,图4-9 直立桅杆长度计算图,图中： h1 设备就位高度，即工艺要求或现场环境要求被吊装设备或构件被吊起的最大高度。 h2 工艺要求的腾空距离。一般不小于300 。 h3 吊索和滑轮组在铅垂线上的投影，对于的确定，必须考虑：, 吊索的捆绑长度，必须根据施工实际情况确定，其原则是方便工人施工。 滑轮组的最短极限距离和一定的安全裕度，安全

5、裕度一般取为500，滑轮组的最短极限距离可查表。 滑轮组的偏角（与铅垂线的夹角） h4 桅杆头部长度，一般取为500,桅杆总长为： L = h1+h2+h3+h4 对于桅杆总长的最后确定，还必须注意： 计算出的L值，必须考虑一个安全裕度，一般为500 桅杆计算长度必须向大的方向圆整，以便于施工。 如果桅杆基础较高，则应减去基础高度，如果基础高度不大，而厂房高度又无严格限制，则可忽略基础高度。,2、倾斜桅杆的长度计算 倾斜桅杆的长度计算时，除了要考虑上述各项参数外，还要考虑被吊装设备或构件的几何尺寸、桅杆倾斜的角度、桅杆的直径等，进行投影关系计算和通过性能计算，取二者中的较大者为桅杆长度。 如图

6、4-10示 。,图4-10 倾斜桅杆长度计算图,图中： 桅杆有效长度为l h1 基础高度 h2 腾空高度 h3 设备高度 h4 吊索高度 h5 滑轮组最短 极限距离 H6 吊环或捆绑 绳长度,（1）按投影关系有： （2）按通过性能有：,式中： a 设备外沿至桅杆轴线的距离，它包括：设备外沿至桅杆外沿的间距（不小于300）和桅杆的半径。 R 设备半径。 上述二者取较大者，并加一安全裕量后圆整，为桅杆的有效长度，再加上头部长度（一般为500），即为桅杆总长L。,二、钢管式桅杆的截面选择与校核 1、破坏特点： （1）、细长压杆，其破坏形式是失稳破 坏； （2）、所以在截面选择时，应按稳定条件选择 。

7、,2、设计方法与步骤 （1）、设计方法： 桅杆是受压形式是偏心压杆，即除了承受压力，还要承受偏心弯矩，计算时，应按压弯组合进行，但工程实际中，对于钢管式桅杆，为了简化计算，常将其简化成轴心受压进行计算，而将其许用应力减小。,因此，对于实腹式桅杆式起重机，有两种设计计算方法： 简便计算：将偏心压杆简化成轴心压杆进行 计算，同时将许用应力降低200300Kg/cm2 精确计算：按压弯组合进行设计计算。 实际上，工程实际中，为保证安全，不管按哪种方法进行设计计算，一般均将设计值控制在800Kg/cm2 900Kg/cm2左右。,（2）、设计步骤： 受力分析与计算，计算出桅杆的内力（轴力、弯矩），并画

8、出内力图。 按经验初选截面。（或按教材附录初选） 计算初选截面的截面特性和长细比。 查表查出稳定折减系数。 按公式进行校核。 如满足要求，选择完成，如不满足要求，重复上述过程。,3、受力分析与内力计算 受力分析简化如图4-11所示。（以倾斜桅杆为例） 图中： Q计 桅杆计算载荷，注意，应包括设备、 索、吊具的重量。 S 跑绳拉力，可认为与桅杆平行。 T 缆风绳等效拉力。 G 桅杆自重,图4-11 倾斜桅杆受力分析图, 桅杆与铅垂线 的夹角 缆风绳与水平面的夹角,（1）、载荷组合 按照钢结构设计规范（GB500172003）的规定，对各类钢结构应按“极限概率状态”进行设计，其设计表达式为：,式中

9、： 0结构重要性系数，对安全等级为一级、二级、三级的结构构件分别取不小于1.1、1.0、0.9，对于桅杆结构，取不小于1.1。 G “恒载荷”或“永久载荷”分项系数，在吊装工程中，取1.2。 Q “活载荷”或“可变载荷”分项系数，在吊装工程中，取1.4。,“恒载荷”或“永久载荷”标准值在桅杆结构截面或连接中产生的应力。 “活载荷”或“可变载荷”标准值在桅杆结构截面或连接中产生的应力。 钢材“强度设计值”，是钢材的屈服点（fy）除以抗力分项系数的商，对于Q235，,在吊装工程中，被吊装的设备或构件是运动的，滑轮组跑绳是运动的，缆风绳的拉力是随着被吊装的设备或构件的运动而改变的，所以被吊装的设备或

10、构件的重量（包括索、吊具重量）、滑轮组跑绳拉力和缆风绳的拉力等是“活载荷”或“可变载荷”，由于在吊装过程中，桅杆不可避免地会因各种原因产生运动或振动，所以桅杆自重也可以偏安全地看成是“活载荷”或“可变载荷”，在计算桅杆内力时均应乘上1.4的分项系数。,具体计算时应注意，滑轮组跑绳拉力和缆风绳的拉力既是选择滑轮组、钢丝绳和卷扬机的依据，又是设计桅杆截面的依据，在计算滑轮组跑绳拉力和缆风绳的拉力时，被吊装的设备或构件的重量（包括索、吊具重量）一般不应考虑“活载荷”或“可变载荷”分项系数 ，以免滑轮组、钢丝绳和卷扬机等选得过大，而在计算桅杆截面时，分别乘上 。,（2）、载荷设计值计算 、计算载荷设计

11、值,、滑轮组跑绳拉力设计值,、缆风绳的拉力设计值,、桅杆自重设计值,（3）、轴力计算 设计桅杆截面时，一般需要计算桅杆的顶部、吊耳处、中部和底部轴力，令其分别为：,、,顶部轴力 ：,吊耳处的轴力,式中： l1 桅杆头部长度,桅杆中部轴力,桅杆底部轴力,图4-12 桅杆轴力图,(2)、弯矩的计算 可分别按各力单独作用于桅杆时产生的弯矩进行计算，然后叠加。具体过程为作业，请同学们自己做。 注意：桅杆自重是均布载荷 叠加后的弯矩图如图4-13,图4-13 桅杆弯矩图,4、截面初选 （1）、按经验或按教材表附录5初选； （2）、查出： 截面面积 F 最小惯性半径 i 计算出 长细比,式中：为两端支承系

12、数， 两端铰支：=1 一端固定、一端自由：=2 两端固定：=0.5 一端固定、一端铰支：=0.7 一般，桅杆取为两端铰支。,当：61时，小柔度杆，按强度进行计算。 61时，中、大柔度杆，按稳定条件进行计算。 按查表，查出轴心受压折减系数,5、截面校核： 按简便计算法（轴心压杆） 式中： A为许用应力减少量，一般取200300Kg/cm2 NZ为桅杆中部轴力。,上式如满足，设计结束；如不满足，重新初选截面，进行校核。 实际工程中，设计值 一般控制在 800Kg/cm2 1000Kg/cm2左右。 如必须按压弯组合进行计算，其具体方法见格构式桅杆的校核。,例 题 1,如图示，某工地采用倾斜桅杆吊装

13、一设备，已知设备重（包括索、吊具）为 50KN，外形尺寸为：长宽=632.5 m，基础高6.5m，如假定缆风绳的等效拉力为20KN，请按简便法设计一根钢管式桅杆。,解： 一、确定桅杆长度 1、按投影关系 已知：h1=6.5m h2= 0.3m h3=2.5m (1)、确定吊索长度h4 吊索栓接方法设计如 图示,由图示几何关系知： h4 = 1.5m (2)、确定滑轮组长度h5 根据设备重量，选择H82G滑轮组，单跑头顺穿，查表，得其最短极限距离（钩到钩）为 2000，考虑500安全距离，则： h5 = 2.5m,令：按投影长度求得的桅杆有效长度为： 取为14m。,2、按通过性确定桅杆有效长度（

14、假定桅杆直径为400） 令：按通过性确定的桅杆有效长度为 取为17.5m。,两者比较，取桅杆有效长度为17.5m, 加上桅杆头部长度500,则： 桅杆总长 L = 17.5+0.5=18.00m 符合材料的出厂规格。,二、桅杆的截面选择 1、滑轮组跑绳拉力计算 （1）、计算载荷 Q计 = K动Q = 1.15 0= 55 KN 查表选H82G滑轮组，分支数为4，导向轮为2。 查表，得载荷系数为 ：= 0.287 则滑轮组的跑绳拉力S为: S = Q计 = 0.28755 = 15.8 KN,2、桅杆受力分析与计算 （1）、桅杆受力 分析如图示： 查教材附录4，初选2738 的无缝钢管，其截面特

15、性为： 截面积 F = 66.7cm2 惯性半径 i = 9.37cm 自重: q = 0.5228KN/m,（2）、载荷设计值计算： 计算载荷设计值：,滑轮组跑绳拉力设计值 ：,缆风绳的拉力设计值：,桅杆自重设计值：,（3）、轴力计算 顶部轴力：,吊耳处轴力：,桅杆中部轴力：,桅杆底部轴力：,桅杆轴力图,3、截面校核（按简便算法） （1）、长细比计算：,查表（教材附录5）得轴心压杆折减系数为：,（2）、截面校核：,符合要求,第三节 格构式桅杆的设计计算,课程设计要用，要求自己看。,第四节 稳定系统的设计计算,桅杆稳定系统包括缆风绳和地锚两大部分。 一、缆风绳的设计计算 ： 一、缆风绳的布置形

16、式 1、倾斜桅杆缆风绳的布置（图4-14） 2、直立单桅杆缆风绳的布置（图4-15） 3、直立双桅杆缆风绳的布置（图4-16） 4、动臂桅杆缆风绳的布置（图4-17）,图4-14a 倾斜桅杆缆风绳的布置(顶视图),图4-14b 倾斜桅杆缆风绳的布置(立体图),图4-15a 直立单桅杆缆风绳的布置(顶视图),4-15b 直立单桅杆缆风绳的布置(立体图),图4-16a 直立双桅杆缆风绳的布置(顶视图),图4-16b 直立双桅杆缆风绳的布置(立体图),图4-17a 动臂桅杆缆风绳的布置(顶视图),图4-17b 动臂桅杆缆风绳的布置(立体图),二、缆风绳的设计计算 ： 缆风绳拉力分“工作拉力”和“初拉

17、力”两部分。 1、初拉力 （1）、概念： 指的是桅杆在没有工作时，缆风绳预先拉紧的力。它决定了桅杆头部在工作时偏移量的大小。,（2）、初拉力的确定 理论公式：见教材，目前不成熟。 按经验公式进行。在大多数吊装精度要求不高的情况下，能满足要求。 初拉力计算的经验公式： a、取主缆风绳的工作拉力的15%20%。,b、按钢丝绳的直径确定： d 22mm时，T初=1吨 22mm d 37mm时，T初=3吨 d 37mm 时，T初=5吨 C、取钢丝绳的自重的50%100% 最常用的是a。（按主缆风绳的工作拉力的百分比取初拉力）,2、工作拉力： （1）、概念： 桅杆式起重机在工作时，缆风绳所承担的载荷。

18、（2）、特点： 布置方式较多；根据具体情况计算。 肯定有一根处在吊装平面内。（主缆 风）,（3）、计算法则 所有缆风绳的拉力转化为在吊装平面内的等效拉力T，因此，各力在这个垂直平面内形成平面汇交力系。根据力系平衡，可以计算出缆风绳的等效拉力T，然后，按一定比例将这个等效力T分配到各缆风绳上，即得到主缆风绳的工作拉力Tz。这个分配比例与缆风绳的工艺布置有关。可以查表。,（4）、计算过程 如图4-14，缆风绳 与水平面的夹角为， 规定： 一般情况下：300 特殊情况下：450,根据力矩平衡，有：,主缆风绳工作拉力T工为： T工 = T 式中， 为分配系数，根据缆风绳的布置 形式，查表（教材表2-7

19、-1，2-7-2）。 主缆风绳总拉力Tz为： Tz = T工 + T初,（5）、缆风绳的选择 所有缆风绳必须一律按主缆风绳的总拉力Tz选取。 不允许：主缆风绳的受力大，选直径大的钢丝绳，其他缆风绳的受力小，选直径小的钢丝绳。,例 题 2,试求例题1的缆风绳拉力，并选择缆风绳规格型号。（所有参数均取计算结果）。 解： 由例题1，已知： 桅杆总长度：L = 18m； 有效长度: l = 17.5m 桅杆截面为: 2738; 桅杆自重: G = 52.28Kg/m 18 = 941Kg 滑轮组跑绳拉力: S = 1.58t 计算载荷: Q计 = 5.5t,例 题 2,吊耳偏心距： E2 = 300；

20、 缆风盘偏心距： E1 = 300。 1、缆风绳布置： 按5根布置； 2、受力分析如例 题2图示。,例 题 2,3、有效拉力计算 按公式： 将数据代入公式得： T = 2.25t,例 题 2,4、主缆风绳工作拉力的确定： 查表（教材表2-7-1）得： 分配系数= 0.828 则:主缆风绳工作拉力T工为: T工 = T = 0.8282.25 = 1.86t,例 题 2,5、主缆风绳初拉力的确定： 按工作拉力的15%20%取，太小，取为最小值 T初= 1t 6、主缆风绳总拉力的确定： T主 = T工 + T初 = 1.86 + 1 = 2.86 t,例 题 2,7、主缆风绳的选择： 查表（手册表

21、2-15）选 619+1， b = 1400MP钢丝绳，安全系数取3.5 直径为15.5 8、其它缆风绳的选择： 其它缆风绳一律与主缆风绳相同。,二、地锚的计算 1、作用： 地锚的作用是固定缆风绳，将缆风绳的拉力传递到大地。以保持桅杆的稳定和正常工作。 2、种类、 目前常用的地锚种类有：全埋式、半埋式、活动式和利用建筑物数种。,3、全埋式地锚的设计计算 （1）、结构 全埋式地锚是将横梁横卧在按一定要求挖好的坑底，将钢丝绳拴接在横梁上，并从坑前端的槽中引出，埋好后回填土壤并夯实即成。,（2）、特点 全埋式地锚可以承受较大的拉力，适合于重型吊装； 须破坏地面，不适合用于地面已处理好，或地下埋有地下

22、管、线的扩建工程； 横梁材料不能再次使用，浪费较大； 地锚强度的计算主要是验算其水平稳定性、垂直稳定性和横梁强度。,（3）、垂直稳定性计算 计算简图如图4-18示,图4-18a 全埋式地锚 （剖面）,图4-18b 全埋式地锚 （立体图）,图中： T 缆风绳拉力，它可分解为水平分力T1，垂直分力T2； 缆风绳与地面夹角； B 地锚的上口宽； b 底部宽度； H 地锚深度； L 横梁长度；,H 横梁高度； 1 土壤抗拔角； G 土壤重量。 在水平分力的作用下，横梁压紧在土壤上，当横梁在垂直分力的作用下有上拔趋势时，产生摩擦力f。,式中：为摩擦系数，一般取0.40.5 垂直稳定性按下式校核: 式中：

23、K为稳定安全系数，一般取 22.5,（4）、水平稳定性计算 计算简图如图4-18 该项主要校核土壤的抗压能力。按下式进行： 式中： 为土壤在H深度的抗压强度。可按下式进行计算：,式中： 土壤容重，可查表 c 土壤凝聚力，可查表，应注意 单位的换算。 土壤的内摩擦角，可查表。,4、活动式地锚的设计计算 （1）、结构 活动式地锚是在一钢质托排上压放块状重物如钢锭、条石等组成，钢丝绳拴接于托排上。 （2）、特点 承受的力不大，但不破坏地面，适合于改、扩建工程。 计算其强度时需要计算其水平稳定性和垂直稳定性。,（3）、垂直稳定性计算 计算简图如图4-19,图4-19a 活动式地锚,图4-19b 活动式

24、地锚（立体图）,地锚破坏时，可能在垂直分力的作用下，沿着托排尾部的A点倾翻，所以有： K取22.5,（4）水平稳定性计算 地锚破坏时，可能在水平分力的作用下，克服摩擦力而滑动，所以有： 式中：为摩擦系数，一般取0.5，K取22.5,5、利用建筑物做地锚 在工程实际中，还常利用已有建筑物作为地锚，如混凝土基础、混凝土柱等，但这类利用已有建筑物前，必须获得建筑物设计单位的书面认可。,例 题 3,按例题2的条件设计一全埋式地锚，假设地质条件为可塑亚沙土。 解： 由例题2，已知： 主缆风绳的拉力为： T主 = 2.86 t 主缆风绳与水平面夹角： =300 由本题假定，查表（教材表2-8-1）得可塑亚

25、沙土的特性为：,例 题 3,容重： = 1.710-3Kg/cm3 = 1.7t/m3 内摩擦角 0 = 220 凝聚力: c = 0.08 Kg/cm2 = 0.8 t/m2 计算抗拔角: 1 = 230 (1)、受力分析简图如例题图 主缆风绳的拉力的水平分力和垂直分力分别为： T1 = 2.86cos300= 2.48 t T2 = 2.86sin300= 1.43 t,例题3图,例 题 3,2、地锚结构设定： （1）、横梁采用工地常用规格木材，其尺寸为： 长宽高 = 1500250250，四根，即： L = 1.5m； h = 0.5m； b = 0.5m； （2）、根据经验，暂取地锚深度 H=1.5m （3）、地锚上口宽度B为： B = b + Htan 1 = 0.5+1.5tan230 = 1.14m,例 题 3,3、土壤重量计算： G = V = 1.7（B+