一种方桩专用吊装夹具的研究与应用

于润华

（国网山东省电力公司建设公司， 山东 济南 250022）

0 引言

桩基础作为各类工程建设中常用的基础形式之一，因其施工工艺成熟、承载力高、成本相对较低等优点，在变电站工程中得到广泛应用。预制钢筋混凝土方桩，是我国建筑基础工程中的重要桩基材料， 也是我国预制构件中产量较大的一种混凝土制品。

1 方桩吊装在施工中的应用

在特高压变电站建设工程施工中， 桩基施工需要使用大型静压桩机向地下埋入预应力混凝土实心方桩。 桩是深入土层的柱型“杆件”，特高压变电站建设工程施工中用到的预制钢筋混凝土方桩桩型，截面为正方形，桩身截面一般沿桩长不变，方桩截面尺寸通常200×200mm 至600×600mm 不等，其桩身单节长度一般为4m～15m 几种规格，由于运输的条件限制，桩长一般不超过12m。

预制钢筋混凝土方桩具有以下优点：

（1）桩身混凝土强度较高，单桩桩身承载力较大；施工受地下水变化影响较小。

（2）制作便利，既可以现场预制，也可以工厂化生产；可根据不同地质条件，生产各种规格和长度的桩。

（3）桩身质量可靠，施工质量比灌注桩等更易于保证。

（4）施工速度快，现场文明施工程度高。

（5）其各项技术指标比同类产品先进、合理、经济。

近年来，随着我国建筑业的发展，该类产品在国内许多地区得到大力的发展。 在某特高压变电站建设工程桩基施工中，即采用的该类预制钢筋混凝土实心方桩，选用图集 《预应力桩基实心方桩》L13SG410 中的JYFZB-BF-400-XX-A 桩型，该桩型截面尺寸400mm×400mm，桩身长度12m。 该工程施工中该类桩型的使用量约为4100根，吊装工作量大。

目前， 施工现场多采用钢丝绳缠绕方桩进行吊装的方式（单点起吊或多点起吊），无专用吊装夹具，存在以下问题：

（1）钢丝绳缠绕方桩时，如果缠绕方式不当，起吊过程中方桩容易滑脱，容易造成人员伤亡、设备损坏，存在重大的安全隐患。

（2）吊装过程中，钢丝绳与方桩直接接触，钢丝绳极易被方桩边缘摩擦损伤，存在钢丝绳被磨断的安全隐患，容易造成人员伤亡、设备损坏，需安全人员加强对钢丝绳的检查管理。

（3）由于钢丝绳与方桩接触面积小，方桩边缘易被钢丝绳勒伤，压溃，造成方桩的损伤，损伤处已形成应力集中，影响方桩的使用寿命，同时影响方桩的外观质量。

为解决上述问题， 消除方桩吊装作业中存在的安全隐患，提高吊装作业施工效率，自主设计了一种预应力混凝土实心方桩专用吊装夹具（以下简称专用吊具）。

2 方桩专用吊装夹具研究

2.1 使用工况

吊装对象：预应力混凝土实心方桩；外形尺寸：0.4m×0.4m×12m；重量：约4.8t；安全系数：2.96；最大起重9.4t。

2.2 结构组成

预应力混凝土实心方桩吊装夹具基本结构包括：压紧梁1、 压紧梁2、 主销轴、 拉杆、 拉杆销轴、 预紧螺母（Tr36）、吊装卸扣（DX-3/4、额定载荷4.75t）等，见图1。

图1 吊装夹具结构组成

2.3 吊装原理

将吊装夹具的压紧梁1 和压紧梁2 置于方桩两侧，调整好吊装位置， 通过旋拧拉杆上的预紧螺母 （不小于2400N），使得两压紧梁夹紧方桩，当预紧力足够大时（理论压力达到80000N）， 通过两个压紧梁作用于方桩上的摩擦力大于方桩的重力以及机械锁紧原理， 即可对方桩进行吊装作业。 吊装示意图，见图2。

图2 吊装示意图

2.4 夹具设计

根据方桩重量约4.8t，预设重力为48000N，根据合成橡胶与混凝土之间的摩擦系数为0.6～0.85， 取定0.6，计算得出能够吊装该方桩所需总的正压力约为80000N，单侧正压力约为40000N。

（1）根据吊装夹具的使用工况，材料选用45 号钢，进行调质处理，表面发黑处理（喷涂防锈漆），其拉伸许用应力约为120MPa，剪切许用应力约为80 MPa。45 号钢是一种优质碳素结构钢，GB/T699-1999 规定—45 钢抗拉强度为600MPa，屈服强度为355MPa，伸长率为16%，断面收缩率为40%。

（2）计算拉杆最小截面积约为667mm2，最小直径约为30mm，根据梯形螺纹标准，可选定螺距为3mm，公称直径为36mm 的梯形螺纹，其最小内径约为32mm。 计算压紧梁最小截面积约为800mm2， 结合该构件的受力情况，可选用25mm×40mm 的矩形钢。 计算销轴最小截面积约为500mm2，最小直径约为26mm。

（3）压盘与橡胶垫：压盘合理增大面积，橡胶垫采用高强度合成橡胶，使压紧力均匀分布于压盘作用面上，扩大受力面积，防止钢制压盘直接与方桩接触一起，一定的缓冲作用；橡胶垫通过强力胶粘结镶嵌于压盘内，吊装时处于强力压缩状态，确保不会脱落。

（4）吊装杆：使用时将卸扣销轴拆下，将卸扣穿过杆体，然后拧上卸扣销轴，即可进行吊装作业。 杆体与压紧梁焊接，为保证强度要求，一方面通过增大尺寸满足强度设计要求； 另一方面， 杆体与梁体焊接处四周焊有加强筋，焊缝均倒焊接坡口、满焊，留有足够的焊高。 杆体端部留有卸扣防脱法兰， 防止吊装过程中发生偏载导致卸扣脱出。

2.5 有限元计算及分析

根据吊装夹具的受力情况， 主要针对薄弱部件进行有限元仿真计算，分析各部件的薄弱位置，校核薄弱位置的强度是否满足设计要求。

（1）拉杆主要承受预紧力作用，经有限元分析其薄弱位置为与拉杆销轴连接处，见图3。 根据目前的设计尺寸，其最大应力约为60MPa，小于所选材料的许用应力值，满足设计要求。

（2） 压紧梁是一个组合受力的情况： 一方面承受拉杆的拉力即预紧力，另一方面起吊过程中承受方桩的重力。 经有限元分析其薄弱位置为吊装轴与结构梁连接处， 如图4 所示。根据目前的设计尺寸，其最大应力约为100MPa，小于所选材料的许用应力值，满足设计要求。

图3 拉杆受力情况有限元仿真计算结果

图4 压紧梁受力情况有限元仿真计算结果

2.6 使用方法及注意事项

（1）严禁超负荷使用。

（2）使用前，应检查吊件构件齐备、完好；若有严重锈蚀、裂纹、变形、损伤、转动部分不灵活、螺栓破丝等情况时，严禁使用。

（3）吊具应安装在距离方桩边缘不少于800mm。

（4）预紧螺栓应使用扭力扳手，不小于2400N。

（5）起吊时，应先进行试吊。 方桩起吊端离地10cm时，检查吊装是否可靠；确认无误后，继续起吊至方桩全部完全离地10cm，检查吊装是否可靠；确认无误后，继续起吊。

（6）起吊方桩时，吊臂、方桩周围严禁人员靠近。

（7）起吊过程应平稳，禁止大幅度操作。

3 结束语

方桩起吊专用吊具经过系统的有限元分析计算，其结构强度满足性能设计要求。

本方桩起吊专用吊具的优点： 一是吊装过程中对方桩的夹持更加可靠； 二是避免对混凝土方桩的局部压溃；三是避免钢丝绳与方桩直接接触，避免方桩对钢丝绳的摩擦损伤，减少安全隐患；四是改善方桩的吊装姿态，降低吊装作业对准落入点的操作难度。 应用该专用吊装夹具后，进一步保障了吊装作业安全， 确保工程建设安全顺利开展，提高了吊装作业效率，安全效益和社会效益显著。