特种集装箱吊装钢丝绳的受力分析及设计选型

袁元， 周力民， 唐春秀

（常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏常州213025）

0 引 言

随着中国经济高速发展，智能化变电站的建设越来越多。特种集装箱作为变电站的基础设备，其需求量也日渐增多。由于特种集装箱种类繁多、定制化程度高，其对运输过程中安全性提出了更高的要求。特种集装箱的吊装作业通常由起重机械、吊具及钢丝绳等完成。因特种集装箱的种类、规格、质量等不尽相同，其采取的吊装方案也不尽相同，而钢丝绳作为吊装方案中必不可少的工具，其选型直接影响着吊装过程的安全性。因此，对各类特种集装箱的吊装方案及其钢丝绳受力分析是很有意义的。

1 集装箱的起吊方式

1.1 顶部起吊

集装箱顶部起吊即箱体的起吊点分布于箱顶。该起吊方式一般配备专用的集装箱吊具。如图1所示，专用吊具通常为框架式结构，四角设置有旋锁机构，与集装箱顶部的角件进行固定连接，框架结构的上部配有吊索或吊环与各类起重设备的钩头进行连接，从而实现起吊。该种方式广泛应用于铁路站、场及港口码头等大批量、标准化集装箱的装卸场所[1]。

图1 集装箱顶部起吊方案(专用吊具)

另一种常见的集装箱顶部起吊方式如图2所示，集装箱旋锁固定于箱顶4个角件中，通过钢丝绳及卸扣将旋锁与起重设备的吊钩连在一起，进而实现起吊。相比于专用吊具，该吊具结构较为简单，且成本较低，适用场合较为灵活，尤其适用于吊装小规模的轻小型特种集装箱。

1.2 底部起吊

集装箱底部起吊即箱体的吊点分布于箱底。底部起吊时，吊具一般设置成横梁形式，位于集装箱的上方，横梁两端上下均设有卸扣，通过钢丝绳将下卸扣与集装箱箱底吊耳或者角件连接，以及上卸扣与起重设备的吊钩连接，进而实现起吊。该类起吊方式多用于定制化、小批量特种集装箱的吊装场合，也适用于顶部无盖板、无吊点的特种集装箱的起吊场合。

集装箱底部吊点（吊耳或者角件）通常放置于集装箱的长度方向，沿中心线对称布置。根据底部吊点的数量，底部起吊方式可划分为四点起吊和八点起吊。四点起吊方式常适用于轻小型特种集装箱的装卸场合，如国网Ⅰ、Ⅱ预制舱、储能集装箱等；八点起吊方式则更多应用于超大超重型特种集装箱的装卸场合，如大型配电站中定制化的SVG、SFC等集装箱。

2 吊装钢丝绳的受力分析

钢丝绳作为一种常见的挠性元件，在各类集装箱的吊装方案中是必不可少的，其设计选型直接影响着吊装作业的安全性。而钢丝绳的选型与其所承受载荷的大小有关[2-4]。因此，对集装箱的起吊方案中钢丝绳进行受力分析是有必要的。

图2 集装箱顶部起吊方案2(简易吊具)

2.1 顶部四点起吊

四点起吊在小型集装箱装卸场合较为常见，以典型的简易顶部4点起吊为例，如图3所示。图中，4根钢丝绳长度相等，a为集装箱正面吊点间的距离，b为集装箱侧面吊点间的距离，α1为钢丝绳在正面的投影夹角，α2为钢丝绳在侧面的夹角，P、P′分别为箱体几何中心、质心在其顶面的投影点（下同）。忽略质量偏心的情况，默认P、P′两点重合。根据力的合成与分解理论可知，钢丝绳的受力大小如下：

式中：G为所起吊的箱体总重力；F为单根钢丝绳所受到的拉力。

由式（1）可知，当夹 角α1、α2越 大时，钢丝绳所受的力也就越大，因此，减小夹角可以改善钢丝绳的使用寿命。

由于顶角α1、α2与钢丝绳的实际长度l、其在主视图的投影长度l′及吊点的位置有关，即：

图3 顶部起吊方案(质量无偏心)

式中，l′=lcos (α2/2)。从中可以看出，当顶角α1、α2越小时，钢丝绳的长度就会越长，进而对吊装的场合提高了要求。综上，对于简易的顶部起吊而言，钢丝绳的夹角通常不超过120°，不低于30°，宜选60°～90°之间[5-6]。

在实际吊装过程中，集装箱会存在质量偏心的情况，偏心就会导致每根钢丝绳实际受力不完全相等。如图4所示，若集装箱质心在箱体长度方向与宽度方向的偏心距离分别为m、n，结合受力分析及杠杆原理，钢丝绳1～4的受力大小如下：

由式（3）可知，F1为钢丝绳中受力最大值，在实际应用中，按照最大值进行钢丝绳选型与校核即可。

2.2 底部四点起吊

相比顶部四点起吊而言，底部四点起吊，钢丝绳的受力情况更为复杂。图5为一种典型的底部四点起吊方案，整个吊具由吊钩、2组钢丝绳（1#钢丝绳等长2根，2#钢丝绳等长4根）、1根两端含有卸扣的横梁组成。图中，a为集装箱正视面吊点距离，b为集装箱侧面吊点间的距离，b′为横梁两端卸扣间的距离，α1、α2分别为钢丝绳在集装箱正面与侧面的夹角。β为侧偏角，是钢丝绳l2在左视图上的投影与铅垂线的夹角。忽略箱体偏心及吊具质量的影响，根据力的合成与分解理论，钢丝绳的受力大小如下：

图4 顶部起吊方案(质量偏心)

式 中：G 为 所起吊的箱体总重力；F1、F2分别为1#、2#钢丝绳所受到的拉力（下同）。其中，夹角α1与2#钢丝绳的长度l1及吊点距离a有关，夹角α2与1#钢丝绳的长度l2及卸扣距离b′有关，即：

图5 底部四点起吊方案(单横梁形式)

结合式（4）～式（6）可知，当夹角α2越小时，1#钢丝绳所受的力也就越小；当夹角α1越小时，2#钢丝绳所受的力也就越小。但夹角越小，钢丝绳的长度就越长。因此，夹角通常选择在30°～120°之间，宜选60°～90°之间[5-6]。

此外，从式（5）也可以看出，2#钢丝绳的受力大小还与偏角β有关。根据几何关系，β的取值有：

从式（7）可知，当横梁卸扣间距b′越小时，偏角β越小。因此，卸扣间距只应略大于吊点侧面间距，保证钢丝绳不与箱壁接触摩擦即可。在实际应用中，侧偏角的取值通常选择在0°～5°之间。

在上述底部四点起吊方案中，当夹角α1、α2相同时，1#钢丝绳比2#钢丝绳受力大近1倍，若按照同规格的钢丝绳进行选型，往往会造成不必要的浪费。图6为另一种常见的底部四点起吊方案，吊具由2组钢丝绳（每组钢丝绳各等长4根）、2根含有卸扣的横梁组成。根据力的合成与分解理论，钢丝绳的受力大小如下：

图6 底部四点起吊方案(双横梁形式)

式中：α1为钢丝绳在集装箱正面的投影夹角；α2为钢丝绳侧面夹角；β′为钢丝绳l2在与a平行方向的铅垂面的夹角。为简化计算，且由于数值相差很小，以下八点起吊时也均默认β′=β。在起吊稳定状态时，1#钢丝绳与2#钢丝绳在正视面的投影共线，令其投影总长度为l1+2′，则有：

夹角α1与1#、2#钢丝绳在正视面的投影长度l1+2′及吊点距离a有关，夹角α2与1#钢丝绳的长度l1及卸扣之间的距离b′有关，即：

式中，h′为横梁上的卸扣在主视图的投影点距离吊点的垂直高度，即有：

结合式（8）～式（13）可知，2#钢丝绳的受力大小要低于1#钢丝绳的受力大小，若两组钢丝绳采用同一种型号，只需按照1#钢丝绳的受力情况来进行选型与校核即可。

2.3 八点起吊

对于大型特种集装箱，如箱体长度超过12 m的国网Ⅲ型预制舱、SFC特种集装箱等，为了减小起吊时箱底的变形量，往往会采用八点起吊方案。图7为常见的一种八点起吊方案，吊具由吊钩、2个横梁、2组钢丝绳组成，每组钢丝绳各4根，其中2#钢丝绳直接穿过卸扣，两端分别与集装箱底座的吊点相连。忽略箱体偏心及吊具质量的影响，根据力的合成与分解的原理，每组钢丝绳的受力大小如下：

式 中：G 为吊装箱体的总重力；F1、F2分别为上、下两组单根钢丝绳所受拉力的大小；α1、α2分别为1#钢丝绳在正面的投影夹角及在侧面的夹角；α3为2#钢丝绳之间的夹角；β为侧偏角（下同）。由于F2钢丝绳穿过卸扣，忽略摩擦力，这两个F2的大小相等，方向均沿着钢丝绳的方向；F1cos(α2/2)在上述2个力的反向角平分线方向。

α2的大小与底部四点起吊方案相同，其值与1#钢丝绳的长度l1及横梁两端卸扣间的距离b′有关，即：

图7 底部八点起吊方案(单吊钩形式)

偏角β取值参考式（12），其中横梁上的卸扣距离箱底的高度h′难以直接用公式表示出来。同样α1、α3的取值也难以直接用公式表达出来，但它们均可以通过作图方法画出来。具体方法如下：

2）在起吊过程中，默认吊钩点O在集装箱的中心线上；

3）侧偏角β很小（0°～5°），忽略其影响；

4）若上组1#钢丝绳在集装箱主视面投影长度为l1′，则有l1′=l1cos (α2/2)，以吊钩点O为圆心、长度l1′为半径画圆；当椭圆与圆相切时，此时即为起吊时稳定状态。在图中量取夹角α1、α3的大小及h′，代入式（14）～式（16），即可算出各组钢丝绳的受力大小。

此种八点起吊方案适用于几何中心与质心重合的集装箱吊装。但对于一些定制的特种集装箱，其内部会安装有质量大的设备，如变压器、电抗器等，就会导致集装箱在长度方向存在质量偏心的情况。若用该方案起吊，就会引起箱体沿着长度方向产生较大倾斜，这给吊装带来了较大不利。

如果条件允许，可采双吊钩进行起吊。如图8所示，吊具由双吊钩、2组钢丝绳（1#钢丝绳等长4根，2#钢丝绳等长8根）、2根两端含有卸扣的横梁组成。每个吊钩的起吊可看成图5所示的底部四点起吊方案。若质心在沿箱体长度方向的偏移距离为m，令两个吊钩之间距离为n，根据力的合成与分解理论及杠杆原理，钢丝绳的受力大小如下：

式中，α1、α2和β的取值可参照式（6）、式（7）来计算。

由式（17）～式（20）可知，上、下两组钢丝绳分别按照F1-2、F2-2最大的情况来选型和校核即可。值得注意的是，在实际应用中吊钩点之间的距离要满足两吊车同时起吊的操作空间。

图8 底部八点起吊方案(双吊钩形式)

3 钢丝绳的选型案例

某项目中的特种SFC集装箱，其外形尺寸（长×宽×高）为13.5 m×3.2 m×3.4 m，该集装箱质量达27 t（包含内部设备），集装箱无偏心。集装箱底座沿长度方向双侧共设有8个吊耳，且呈中心对称布置，单侧吊耳的间距依次为3.0、4.5、3.0 m。针对此集装箱，进行吊装钢丝绳的设计选型。

3.1 钢丝绳的受力计算

该集装箱尺寸、质量较大，且不存在质量偏心，可采用单吊钩双侧8点起吊方案。根据经验，上组4根1#钢丝绳长度l1预选为4m；为了保证起吊时横梁高出箱体并不引起干涉，下组4根2#钢丝绳长度l2可选长一些，预选其为9 m。为了防止起吊时钢丝绳与箱壁接触摩擦，横梁两端卸扣的间距应略大于箱体宽度，选其间距为3.5 m。

由式（14）、式（15）可知，钢丝绳的受力大小与侧偏角β，钢丝绳的夹角α1、α2、α3有关，因此需解出各角度的大小。

根据式（16），α2取值为

将横梁上下的卸扣简化为一个质点，并忽略侧偏角β的影响，通过2.3节的作图法，如图9所示，求解出：α1=54°，α3=35°，h′=3.86 m。

图9 单吊钩底部八点起吊方案(作图法)

将h′代入式（12）得，β≈2.2°。

将α1、α2、α3、β代入式（14）、式（15），可得出：

3.2 钢丝绳的选型

钢丝绳的选型主要由其实际使用的工作场合及载荷大小决定的。钢丝绳的许用拉力为

式中：FP为钢丝绳的破断拉力；K为安全系数。钢丝绳的安全系数主要与工作性质及材料的均匀性、冲击性等因素有关。通常，钢丝绳作为起吊设备使用时，安全系数为6～7[7]，起吊时仍要缓慢操作。

钢丝绳的实际载荷要小于其许用拉力，根据国标《GB8918 重要用途钢丝绳》[8]，对于1#钢丝绳，选择钢芯钢丝绳，型号为6X37S+IWR-1770，钢丝绳直径为30 mm，最小破断拉力为567 kN，单根长度为4 m，安全系数为6.86；对于2#钢丝绳，选择6X37S+IWR-1770，钢丝绳直径为20 mm，最小破断拉力为252 kN，单根长度为8 m，安全系数为6.46。

图7、图9还有一种变形实施方式，可以把钢丝绳2缩短，在钢丝绳1、钢丝绳2之间增加一根钢丝绳，对应受力分析结论及作图法完全适用。按该变形实施方式，在现场特种SFC集装箱起吊时验证并操作使用，达到了很好的效果，如图10所示。

除了钢丝绳的校核外，在应用中还需要考虑吊耳、卸扣、横梁等吊装用具的设计选型及强度校核。

4 结 语

本文介绍了特种集装箱的常见的一些吊装方案，并给出了各吊装方案中钢丝绳受力的近似公式及计算方法。此外，文中以某SFC集装箱吊装方案为实际应用案例，介绍了钢丝绳的选型方法，验证了计算公式的准确性，同时为其它特种集装箱吊装钢丝绳的设计选型提供了重要参考。

图10 单吊钩底部八点起吊SFC特箱