复杂工况下的汽车起重机吊装安全计算方法

张俊杰

(四川能投建工集团有限公司第二分公司, 四川成都 610000)

随着我国建筑施工行业的迅猛发展，施工现场对汽车起重机的需求越来越多，并且随着新工艺、新技术、新结构的大量应用，大型起重吊装的工况也越来越复杂(复杂工况是指：吊机工作空间受限；工作场地未能提供足够的支腿反力，需要进行地基承载力加固措施；被吊装物体单件重量超过100 kN，形状不规则等)。如何保证复杂工况下的大型吊装工作安全可靠，已经成为了施工现场比较棘手的问题。

汽车起重机的相关计算，并无统一规范固定公式，除《建筑施工计算手册》和部分高校教材有部分计算公式外，还有一些专业吊装公司根据力矩平衡公司推导出经验公式。笔者在查阅了大量关于吊装安全性计算文献和教材后，总结出一套适合汽车起重机在复杂工况下的稳定性评价计算方法。

1 汽车式起重机工作原理

汽车式起重机由动力系统、操纵控制系统、工作机构、取物装置和附属结构组成。通过对控制系统的操纵，动力系统将动力能量输入转变为机械能，将动力和动能传递给取物装置，取物装置把被搬运物料与起重机联系起来，通过工作机构单独或组合运动，实现物体吊装功能。可移动的附属结构将各组成部分连接成一个整体，并承载起重机的自重和吊重。

汽车起重机能安全可靠地发挥功能，其核心理论是利用了杠杆原理和力矩平衡。吊装时，车身配重为吊装提供了稳定力矩，增强了稳定性，车身的伸出的支腿，扮演着支点的角色，为起重机提供了更好的抗倾覆能力。

2 汽车起重机稳定性

2.1 吊机稳定性的含义

吊机稳定性是指起重吊装作业在实现设备或构件等垂直提升、下降和水平移位的功能的同时，起重机械或被吊设备构件在吊装过程中，其倾覆、失稳风险在可控范围内。

2.2 吊机稳定性的重要意义

吊装作业的核心任务是保证起重吊装作业的安全可靠，施工方案一切措施都是围绕以安全为核心来开展，而起重吊装作业过程中起重机的稳定性是保证吊装作业安全的根本。

吊装作业一旦出现安全事故，都会造成的较大的人员伤亡、设备损坏和经济损失。因此了解起重吊装作业稳定性的含义、不稳定性产生原因及预防措施，对确保起重吊装作业的安全顺利实施具有重大作用。

3 汽车式起重机稳定性评价方法

由于目前对于大型设备吊装运输的施工组织和工艺技术还没有统一标准，各行业、各企业编写的施工组织和吊装技术方案五花八门[1]。各种工况下的吊装安全性计算方式方法也是种类繁多，其真实性和有效性无法一一验证。但笔者认为，汽车式起重机的安全性计算和评价方法应基于杠杆原理和力矩平衡为理论基础来展开讨论，用严谨的公式和数据作为判断依据。

笔者查阅相关文献资料并结合工作经验的前提下，总结出工程技术人员常用的几种起重机稳定性评价的方法，这几种方法都是经过大型吊装作业实际验证过的。

3.1 查询拟选用的汽车起重机型号的性能表

起重机的性能表就像是起重机的一张“身份证”，是厂家设计汽车起重机的技术依据，反映了自身工作能力。主要包含的技术参数有：主(副)臂长度、吊装高度、回转半径、起重力矩、起重吨位、幅度等等。

对于单件起吊重量不超过100 kN、工作空间不受限、地面有较好的地基承载力的简单工况，且现场的实际技术参数在吊机性能表覆盖范围内，则仅参考该性能表即可判定吊装作业稳定性符合安全要求。例如：以三一重工牌SAC4500型汽车吊为例，根据工作幅度、主臂长度这2个数据查询对应的起升高度和起重能力。根据主臂起升高度曲线表可以查询得到工作幅度、主臂升起高度与最大起升高度的关系，根据主臂性能表可以查询得到工作幅度、主臂升起高度与最大起重重量的关系。控制住最大起升高度和最大起重重量，是保证吊机稳定性的首要条件。

但是，该方法只考虑了吊装设备本身的性能，没有综合考虑周围环境工况对吊装作业的影响，所以对于复杂工况来说，仅仅利用汽车吊机性能表来进行初步判断吊机能胜任该吊装作业是远远不够的，还应结合其他方法来进一步综合判定吊装稳定性是否符合安全要求。

3.2 通过公式计算来评价吊机稳定性

该公式出自于《建筑施工计算手册(第四版)》第20-55号公式[2]，该计算公式仍是对力矩平衡的应用，具体是通过计算吊装载荷及附加载荷时的稳定安全系数K来判定，计算结果中若K≥1.15，则判定符合吊装稳定性要求，若计算结果K<1.15,则判定不符合吊装稳定性要求，需要重新选择更有利于吊装的吊车站位，甚至更换更大额定起重量的起重机(图1、表1)。

图1 汽车吊各参数示意

表1 公式中各符号代表含义

《建筑施工计算手册》是被广大施工技术人员采用的工具书，其权威性和有效性也得到了整个建筑施工行业的普遍认可。该公式也是目前同类型计算普遍被采用的公式，汽车吊机的多个关键数据参与了计算，计算结果也自然具有较强的参考价值。在工况较复杂的吊装任务中，应加上该种方法来综合评价汽车吊的稳定性。

3.3 借助计算机辅助软件来进行计算

随着计算机模拟技术的发展，在建筑施工安全计算方面的应用也越来越广。使用计算机辅助计算软件来评价吊装稳定性有诸多优势，比如：可以避免人工计算带来的计算错误；提高了计算效率，且计算结果准确性高；计算软件充分考虑并集成了类似风荷载等人工计算不容易计算准确的影响因素；计算机软件辅助计算操作简单，便于推广，容易复核数据，提高了施工方案的审批效率。应该说，计算机辅助软件进行安全性计算是未来建筑施工行业信息化发展的一个趋势，也是作者较为推崇的一种计算方式。

目前的安全计算软件种类很多，笔者根据工作实践和行业实际情况，多采用“品茗建筑云安全计算软件”来进行计算。将表1数据输入到软件中“轮胎式起重机稳定性验算”模块中，根据软件自动的计算结果来进行评价。

4 其他辅助计算

4.1 支撑面承载能力计算方法

如汽车起重机在非铺装地面等地面承载力较差的场地中作业时，应对吊车站位的支撑面进行承载能力计算。

支撑面承载能力计算，主要是通过找出汽车吊在起重吊装时的最不利工况，即当主臂旋转到起重臂沿支腿对角线方向平行时对某一支腿压力最大，倾覆力矩最大，为最不利工况(起重机在稳定性较好的方向起吊的额定荷载，当转到稳定性较差的方向上就会出现超载，有倾翻的可能[4])(图2)。

图2 汽车起重机示意(单位:mm)

如图2所示，根据力的分解和力矩平衡原理，举例说明最不利工况计算方法(表2)。

表2 公式中各符号代表含义

最不利工况支腿荷载计算公式：

为了便于理解，以下举例计算：

NMax=ΣP/4+[M(cosα/2a+sinα/2b)]

NMax=ΣP/4+[M(cosα/2a+sinα/2b)]

=217/4+[624(0.743/18.4+0.669/17.4)]

=217/4+[624(0.0404+0.0384)]

=54.25+49.20=103.45 t

为了减小支腿压强，增加4个支腿与地面的接触面积，在4个支腿下垫2.2 m×2.2 m×0.2 m的路基板(材质为低合金高强度钢材)，每个路基板重1 t，面积为2.2×2.2×106mm2，则单腿最不利荷载为：

(103.45t+1t)×9.8=1023.61 kN

1023.61×1000/(2.2×2.2×106)=211.5 kPa

根据计算得知，支撑面承载能力至少在211.5 kPa以上才能满足要求，现场吊装之前进行地基动力触探承载力测试，合格后方可进行吊装。

4.2 钢丝绳安全计算方法

钢丝绳承受的破断拉力应小于其抗拉强度，所以，钢丝绳钢丝绳主要计算其抗拉强度[3]，该计算方法比较成熟，具体方法详见《建筑施工计算手册(第四版)》第14.1.2节[2]。

4.3 卡环计算

如被吊装物体形状不规则，不好设置吊点，或者单件吊装重量超过100 kN，应考虑计算卡环，根据计算结果选择不同型号的卡环。卡环计算详见《建筑施工计算手册(第四版)》第14.2节[2]。

5 结论

对于复杂工况下的汽车式起重机吊装作业，现场工况参数除了要满足汽车起重机型号的性能表和起升高度曲线表以外，还需要综合考虑汽车吊的稳定性计算、支撑面承载能力计算以及其他附属工具的计算。在实践中，编制专项施工方案时，同时使用本文介绍的几种计算方法，用不同计算方式来综合验证和判定汽车起重机的稳定性，从而确保吊机安全可靠。

此外，吊装作业是一个系统性的工作，专项施工方案中要有必要的安全保障措施，综合考虑天气、环境等因素对吊装作业带来的影响，以此来综合判定吊装作业是否满足安全性要求。