王紅霞

（山西機(jī)械化建設(shè)集團(tuán)公司，山西 太原 030009）

1 強(qiáng)夯機(jī)的工作機(jī)理

在強(qiáng)夯施工中履帶起重機(jī)頻繁起吊夯錘到預(yù)定高度，然后脫鉤讓夯錘落下，利用重錘高落差產(chǎn)生的沖擊能在落地的瞬間傳遞給地基，以達(dá)到地基承載和密實(shí)度的要求。我們進(jìn)行強(qiáng)夯施工時(shí)，在履帶起重機(jī)臂桿頂部加裝一套輔助裝置——門架（由立柱、橫梁構(gòu)成，通過十字頭與臂桿的鵝頭相連），使履帶起重機(jī)、門架、地面構(gòu)成三角形；在履帶起重機(jī)工作的垂直面，門架呈梯形，使門架立柱、橫梁、地面形成幾何不變結(jié)構(gòu)，讓設(shè)備整體更加穩(wěn)固，也提高了強(qiáng)夯能級，這樣的施工組合設(shè)備就是所說的代用強(qiáng)夯機(jī)。

2 載荷計(jì)算

強(qiáng)夯機(jī)工作的一個(gè)循環(huán)是離地、起升、卸載，而離地、起升對門架最有影響。一是起升鋼絲繩開始受力并逐漸增大到使夯錘處在脫離吸附時(shí)的臨界狀態(tài)，門架立柱、橫梁和起升鋼絲繩產(chǎn)生位移但夯錘未動(dòng)；二是夯錘無束縛地離開地面時(shí)，夯錘的慣性力將會(huì)使起升動(dòng)載出現(xiàn)增大的作用。下面以50t夯錘為例，計(jì)算兩種情況下的載荷。

首先計(jì)算在第一種情況的載荷。通常在施工時(shí)，土壤會(huì)對夯錘有一定的吸附作用，最不利的情況就是通氣孔被堵，全部的大氣壓強(qiáng)作用在夯錘面上（底面面積為5m2），此時(shí)的吸附力為50．5t（不考慮土壤對夯錘的摩擦力）。提夯錘的拉力達(dá)到50＋50．5＝100．5t。

接下來計(jì)算第二種情況的載荷。起升動(dòng)力效應(yīng)用一個(gè)大于1的起升動(dòng)載系數(shù)Φ乘以額定起升載荷來考慮：

其中：a0為與起升高度有關(guān)的系數(shù)，a0＝0．35～0．5；vq為與臂架型式有關(guān)的因數(shù)，對四連桿臂架為0．6s／m，對擺動(dòng)單臂架為1．6s／m，對水平臂架為1．1s／m。

因此我們在設(shè)計(jì)門架各部件尺寸時(shí)，以第一種情況時(shí)的載荷計(jì)算。那么如何把履帶起重機(jī)起升力與門架受力聯(lián)系起來，這就要建立理論力學(xué)模型。

3 模型建立

強(qiáng)夯機(jī)工作在第一種情況時(shí)，由于門架立柱、橫梁的位移只有十幾厘米，相對于高度近30m的門架可忽略不計(jì)；同時(shí)將履帶起重機(jī)臂桿看作沒有彎曲的鋼結(jié)構(gòu)，這時(shí)建立履帶起重機(jī)臂桿力矩平衡模型。此時(shí)臂桿受力為起吊所受力GP（包括土壤對夯錘的吸附力、夯錘及吊鉤的自重）、臂桿受主卷揚(yáng)機(jī)的拉力F、門架的支撐力R、臂桿重力GB。為了便于計(jì)算門架支撐力R，通常把橫擔(dān)與十字頭的重量G0轉(zhuǎn)算至臂桿處。設(shè)L1、L2、L3、L4分別為GP、G0、GB、R 的力臂。臂桿所受力及各力的力臂見圖1。

強(qiáng)夯機(jī)工作時(shí)要求梯形門架支腿不得前后錯(cuò)位，所以門架在履帶起重機(jī)工作垂直方向可看作一個(gè)桿件。根據(jù)臂桿力矩平衡∑M＝0，則得：

R L4＝GPL1＋GBL3＋G0L2。

4 實(shí)踐驗(yàn)證

山西機(jī)械化建設(shè)集團(tuán)公司與山西省機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督監(jiān)測總站在陜西省富縣延長石化項(xiàng)目進(jìn)行12 000 kN·m施工測試，測試時(shí)使用 W200C1主機(jī)，臂桿長28m、重GB＝7．064t，夯錘自重G＝50t，吊鉤重Q吊鉤＝1．5t；使用800×800截面的門架立柱，柱肢采用小于100×100×10的角鋼，柱肢截面面積A＝1 926mm2，門架立柱長27m，門架立柱底部第二節(jié)以上立柱重Q＝3．617t；橫梁重Q橫＝1．904t；十字頭重Q十字＝0．1t。在門架兩立柱底部第二節(jié)各柱肢上測試了8個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變。在第一次起錘時(shí)基本無吸附力，同時(shí)為了測試更準(zhǔn)確，起錘速度很慢，基本沒有加速度，故第一次起錘時(shí)GP＝G＋Q吊鉤＝（50t＋1．5 t）×9．8＝50．47×104N。

圖1 臂桿受力示意圖

4．1 確定起重臂仰角θ

強(qiáng)夯機(jī)在工作狀態(tài)時(shí)，操作規(guī)程要求起重臂仰角應(yīng)置于70°左右；且門架不垂直地面而是向履帶起重機(jī)方向有一個(gè)偏斜角ψ，即門架頂端垂直地面投影與底端有一定的距離L＝0．8m（L一般取0．8m～1．0

臂桿與鵝頭部分在臂桿方向上的長度為28．39 m，則鵝頭耳孔的高為h＝28．39sinθ－L6cosθ＋L5，其中，鵝頭耳孔到鵝頭中心線距離L6＝0．577 6mm，臂桿鉸接點(diǎn)與地面的距離L5＝21 000mm；門架立柱、橫梁與十字頭在門架方向上的總長度N＝28．37m，則鵝頭耳孔的高為28．37cosψ。兩個(gè)方向上的鵝頭耳孔應(yīng)高度一致，那么28．37cosψ＝28．39sinθ－L6cosθ＋L5，故θ＝68．8°。臂桿、鵝頭、門架示意圖見圖2。

圖2 臂桿、鵝頭、門架示意圖

4．2 根據(jù)鵝頭尺寸圖求各力臂

在圖2中，下部的孔為鵝頭耳孔，上部的孔為鵝頭定滑輪的軸孔；定滑輪軸心到鵝頭根部中心線的距離L7＝710mm，定滑輪軸心與鵝頭耳孔在臂桿方向的距離L8＝1 408mm。則：

假定臂桿力臂為重物力臂L1的一半，

4．3 計(jì)算門架支撐力R

根據(jù)吊桿力矩平衡，∑M＝0，得：

4．4 根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算支撐力

在第一錘起錘時(shí)基本無吸附力，同時(shí)為了測試更準(zhǔn)確，起錘速度很慢，基本沒有加速度，這時(shí)各點(diǎn)的應(yīng)變、應(yīng)力如表1所示（試點(diǎn)1～4在門架立柱A上，測點(diǎn)7～10在門架立柱B上，5、6點(diǎn)為橫綴中點(diǎn)處測試點(diǎn)）。

表1 12 000kN·m強(qiáng)夯機(jī)門架結(jié)構(gòu)各測試點(diǎn)在第一錘時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變

根據(jù)試驗(yàn)報(bào)告得：

盡管門架與地面有一定角度不垂直、有微小風(fēng)力作用等影響，但門架兩立柱測點(diǎn)截面應(yīng)力σ門A、σ門B相差不大，可看作平均受力。同時(shí)因測試點(diǎn)在立柱底部第二節(jié)下端，則門架立柱測點(diǎn)截面所受力分別為4σ門AA、4σ門BA（A為立柱測點(diǎn)處截面積），它們轉(zhuǎn)算成支撐力R′時(shí)，應(yīng)減去Q在立柱上的力及門架立柱受壓彎曲產(chǎn)生的力（在此處產(chǎn)生的彎矩很小，可以忽略）。又因門架立柱在強(qiáng)夯機(jī)工作垂直面呈等腰梯形，門架立柱與地面垂線有一個(gè)傾角γ，一般門架每個(gè)立柱底端向外那么R′＝［4（σ門A＋σ門B）A－2Qcosψ］cosγ＝55．825×104N。

4．5 理論模型計(jì)算的修正

理論模型與測試計(jì)算門架立柱頂端的支撐力差為R′－R＝0．526t，這是由于臂桿的不均勻分布，鵝頭部分比較重，而設(shè)計(jì)時(shí)由于不好把握臂桿的重心點(diǎn)，按起吊夯錘的起升力的力臂一半計(jì)算而造成少算的部分，這部分應(yīng)在計(jì)算時(shí)給予修正。

5 結(jié)論

經(jīng)過多年的運(yùn)用，“代用強(qiáng)夯機(jī)”的耐用性和可靠性都有了很大的提高，在今后一段時(shí)間它仍是實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性較好的一種強(qiáng)夯施工設(shè)備。通過此理論模型配置了不同能級的強(qiáng)夯設(shè)備，并在國家多個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目使用，尤其是在門架的配置方面成績顯著，節(jié)約制作材料和運(yùn)輸成本。

［1］ 徐格寧．機(jī)械裝備金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009．

［2］ 劉鴻文．材料力學(xué)［M］．北京：高等教育出版社，1990．

［3］ 胡宗武，汪西應(yīng)，汪春生．起重機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)例［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009．

［4］ 賈啟芬，劉習(xí)軍．理論力學(xué)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007．