王永新，劉國生，李鵬舉WANG Yong-xin, LIU Guo-sheng, LI Peng-ju(山東電力建設(shè)第一工程公司，山東 濟南 250131)

電力建設(shè)起重吊裝鋼絲繩彎曲受力探討

王永新，劉國生，李鵬舉
WANG Yong-xin, LIU Guo-sheng, LI Peng-ju
(山東電力建設(shè)第一工程公司，山東 濟南 250131)

[摘 要]通過對電力建設(shè)安全規(guī)程中起重吊裝鋼絲繩安全系數(shù)的分析，指出鋼絲繩彎曲受力是問題的關(guān)鍵，并對石油化工行業(yè)起重吊裝規(guī)范中關(guān)于起重吊裝鋼絲繩彎曲的計算進行分析和討論，提出了針對電力建設(shè)行業(yè)相關(guān)鋼絲繩彎曲計算的意見和建議。

[關(guān)鍵詞]起重吊裝；鋼絲繩；彎曲；電力建設(shè)

1 概 述

鋼絲繩是一種最常見的撓性元件，具有卷繞性好、使用靈活、耐磨損、承載能力大、能承受沖擊載荷等諸多優(yōu)點，特別是整根鋼絲繩破斷前有斷絲預(yù)兆，不會立即斷裂，可事先預(yù)防，因此在工程建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用相當普遍。

鋼絲繩在電力建設(shè)施工現(xiàn)場主要應(yīng)用于兩個方面：一是各種起重機械，如塔機的起升機構(gòu)、變幅機構(gòu)等，二是施工現(xiàn)場起重吊裝用索具，如纜風(fēng)繩、千斤繩、捆綁繩等。無論用于起重機械，還是起重吊裝，其共同之處是在絕大部分情況下鋼絲繩均為彎曲狀態(tài)受力，根據(jù)彎曲度的大小，強度都隨之有不同程度的下降，兩者的主要區(qū)別在于強度降低程度大小不同：起重機械均為起重機專業(yè)廠家，出廠時一般為整機，且均為定型產(chǎn)品，其鋼絲繩彎曲時受力是嚴格按照《起重機設(shè)計規(guī)范》，通過對卷筒、滑輪與鋼絲繩直徑的比值的大小，即繩徑比做出規(guī)定，以此來保證鋼絲繩彎曲時的強度，根據(jù)該規(guī)范，機構(gòu)工作級別由低到高，繩徑比從11.2～28不等；起重吊裝則與起重機械截然不同，因現(xiàn)場吊裝的物品形狀、大小及重量差異很大，具有很強的隨機性、復(fù)雜性和多樣性，鋼絲繩作吊索使用時，其繩徑比最小可到2，彎曲度大大增加，許用載荷的折減幅度也相應(yīng)加大，因此起重機械的相關(guān)標準顯然不適合起重吊裝。

針對電力建設(shè)而言，國家及行業(yè)標準中沒有關(guān)于起重吊裝鋼絲繩彎曲受力較為準確的計算方法， 因此造成了現(xiàn)今在電力建設(shè)起重吊裝中，不論鋼絲繩彎曲程度的差異及高低，均簡單地一概取同一標準的局面。本文試圖從定量的角度分析起重吊裝中的鋼絲繩彎曲，在深層次進一步了解和掌握彎曲鋼絲繩受力狀態(tài)的實質(zhì)，為更好地確保吊裝中鋼絲繩的安全經(jīng)濟的使用打下基礎(chǔ)。

2 鋼絲繩彎曲受力影響因素

鋼絲繩的結(jié)構(gòu)型式和捻制方式多種多樣，構(gòu)造形式十分復(fù)雜。當鋼絲繩承受拉伸并且同時彎曲時，不僅受到拉伸應(yīng)力的作用，還受到彎曲應(yīng)力、接觸應(yīng)力、擠壓應(yīng)力、摩擦應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力等諸多應(yīng)力的作用，應(yīng)力狀態(tài)相當復(fù)雜，無論是理論計算，還是通過有限元建模進行受力分析，很難得出準確的計算結(jié)果，但最主要的還是拉伸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，其他如擠壓應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力等相對來說都很小，可以不予考慮。

多年實踐經(jīng)驗證明，鋼絲繩失效的主要原因為腐蝕、磨損和疲勞，特別是彎曲造成的彎曲疲勞和磨損，是導(dǎo)致鋼絲繩破壞的決定因素，彎曲應(yīng)力同時也是影響鋼絲繩壽命的主要因素，因此不能忽視。

鑒于以上原因，通常的做法是：在選擇鋼絲繩時，對包括彎曲應(yīng)力在內(nèi)的所有應(yīng)力，均簡單地統(tǒng)一按照純拉伸計算，考慮到起重吊裝中的鋼絲繩，尤其是捆綁用吊索的受力更為復(fù)雜，一般以增大安全系數(shù)的辦法加以控制和補償，特別是在吊裝過程中，起重機在起制動時會產(chǎn)生附加動載荷，繩索實際所受的拉應(yīng)力要大于計算中的拉應(yīng)力，因此，也應(yīng)根據(jù)情況不同，綜合考慮確定安全系數(shù)。

3 電力建設(shè)起重吊裝鋼絲繩現(xiàn)狀

目前，現(xiàn)行電力建設(shè)行業(yè)標準中，有關(guān)起重吊裝的標準為《電力建設(shè)安全工作規(guī)程 第1部分：火力發(fā)電廠》（DL5009.1-2002，以下簡稱電力安規(guī)），其中，相關(guān)內(nèi)容僅有10.5.1-2一條，原文為：鋼絲繩的安全系數(shù)及配合滑輪的直徑應(yīng)不小于表10.5.1-1的規(guī)定。

從表10.5.1-1中可以看出，相關(guān)條文也十分簡單：無繞曲的千斤繩為5～7，有繞曲的千斤繩為6～8，捆綁繩則為10。尤其要說明的是，有繞曲時，最小允許繩徑比僅為2。這里的千斤繩無繞曲指的是兩繩套直接與卸卡相連，中間無彎曲的情況。

因電力安規(guī)明文規(guī)定，全部內(nèi)容均為強制性條文，當然也包含了上述內(nèi)容，因此，對鋼絲繩彎曲計算應(yīng)高度重視。

當前電力建設(shè)行業(yè)的實際做法普遍是：因?qū)︿摻z繩彎曲認識不足，沒有明確的取值標準，且安全系數(shù)為一大致范圍，取值大小不明確，就只能憑經(jīng)驗和感覺把握，因此，按照電力安規(guī)的要求，無論千斤繩有無繞曲，大都偏于保守地按有繞曲考慮，并且不論彎曲程度大小，安全系數(shù)偏安全地均取最高限8，顯然更加保守；捆綁用吊索最為復(fù)雜，但是不論復(fù)雜程度的高低、彎曲程度的大小，以及彎曲次數(shù)的多少，安全系數(shù)均一概取為10，這顯然缺乏科學(xué)性和嚴謹性，隨意性很大，究其原因，是所依托的電力安規(guī)內(nèi)容過于簡單，才造成目前這種局面。

通過進一步分析可以看到，在當時的情況下，電力安規(guī)引用的相關(guān)國家標準為《起重機械安全規(guī)程》（GB/T 6067-85），相關(guān)條款為“表5：其它用途鋼絲繩安全系數(shù)”：其中，吊掛和捆綁用鋼絲繩為6，可以看出，電力安規(guī)比國家起重機械規(guī)程要嚴格得多。

但是，目前《起重機械安全規(guī)程》現(xiàn)已修訂為《起重機械安全規(guī)程第一部分 總則》 （GB 6067.1-2010），GB/T 6067-85中的相關(guān)內(nèi)容表5已取消，也就是說，電力安規(guī)失去了引用標準，只剩下10.5.1-2條所規(guī)定的幾個鋼絲繩彎曲的安全系數(shù)。

那么，關(guān)于起重吊裝鋼絲繩彎曲，其他行業(yè)是如何計算的呢？

4 石化行業(yè)起重吊裝鋼絲繩彎曲計算

關(guān)于鋼絲繩彎曲計算的書籍、論文等資料浩如煙海，且各種說法不一，有的出入很大。但是，石化行業(yè)早在2002年就率先發(fā)布了《石油化工工程起重施工規(guī)范》，并于2011年進行了修訂（SH/ T 3536-2011，以下簡稱石化規(guī)范），其中列入了起重鋼絲繩彎曲的計算方法，正是因為石化行業(yè)有了標準支持，才使得該算法增加了嚴肅性及權(quán)威性。盡管各行業(yè)的起重吊裝有不同程度的區(qū)別，但基本原理大致是相通的，因此值得電力建設(shè)行業(yè)參考借鑒。

4.1 石化規(guī)范鋼絲繩彎曲強度計算具體步驟

鋼絲繩及鋼絲繩扣在繞過不同尺寸的銷軸或滑輪使用時，應(yīng)根據(jù)不同的彎曲半徑按下述程序確定其強度能力。

1）鋼絲繩索的比例系數(shù)R

R=D/d （1）

其中，D為銷軸或滑軸直徑，mm；d為鋼絲繩公稱直徑，mm。

2）鋼絲繩扣效率系數(shù)E

當R≤6時：E=(100-50/R0.5)% （2）

當R＞6時：E=(100-76/R0.734)% （3）

3）鋼絲繩扣經(jīng)彎曲的強度能力Pn

Pn=nPE （4）

其中，n為鋼絲繩扣承載股數(shù)；P為鋼絲繩破斷力，N。

4）鋼絲繩及鋼絲繩扣使用安全系數(shù)K

K=Pn/F （5）

其中，F(xiàn)為鋼絲繩及鋼絲繩扣受力，N。

根據(jù)使用場合的不同，安全系數(shù)K的要求也不同，作為起重吊裝用鋼絲繩扣時其要求為：做系掛繩扣使用時，K≥5；做捆綁繩扣使用時，則為K≥6。

4.2 電力安規(guī)和石化規(guī)范的對比分析

1）從安全系數(shù)的規(guī)定可以看出，石化規(guī)范要比電力安規(guī)要小，但是經(jīng)仔細比較分析后可看出其中的原因：電力安規(guī)不考慮鋼絲繩彎曲度的大小，僅僅把鋼絲繩破斷拉力簡單地直接除以一個安全系數(shù)，一次性得出結(jié)果；石油規(guī)范則如4.1所述，是先算出鋼絲繩索的比例系數(shù)（繩徑比），然后根據(jù)比例系數(shù)計算出鋼絲繩扣效率系數(shù)（即折減系數(shù)），把鋼絲繩破斷拉力乘以此效率系數(shù)后，才能得到鋼絲繩經(jīng)彎曲后的強度，然后再除以一個安全系數(shù)?？梢钥闯觯@個安全系數(shù)和電力安規(guī)安全系數(shù)的含義大不相同，因為考慮了鋼絲繩彎曲后的折減，所以該安全系數(shù)要小于電力安規(guī)，其根本原因是石化規(guī)范單獨把鋼絲繩彎曲度由定性分析轉(zhuǎn)變?yōu)槎坑嬎愣?，這是石化規(guī)范和電力安規(guī)中安全系數(shù)的本質(zhì)區(qū)別。

2）石化規(guī)范中鋼絲繩扣效率系數(shù)計算公式（2）及式（3）來源于 Dorman long Technology 《Rigging Supervisor’s training manual》（英），從石化規(guī)范SH/T 3536-2011送審稿中，根據(jù)該公式所繪制的繩索比例系數(shù)（圖1）可以看出繩索效率系數(shù)E隨繩索比例系數(shù)R的變化關(guān)系?！镀鹬貦C設(shè)計規(guī)范》（GB/ T 3811-2008）規(guī)定機構(gòu)最小的繩索比例系數(shù)為11.2，但是電力安規(guī)卻最小到2，這也是起重機械和起重吊裝含義的本質(zhì)區(qū)別。

3）無論是電力規(guī)程還是石化規(guī)范，做系掛繩扣和做捆綁繩扣使用時的安全系數(shù)是不同的，這是因為做纏繞捆綁時，有可能出現(xiàn)受力不均勻現(xiàn)象，不能每股都達到平均受力，只有提高安全系數(shù)來保證吊裝作業(yè)的安全性。目前關(guān)于起重吊裝的發(fā)展趨勢是大直徑鋼絲繩吊索的使用越來越多，一般都選擇采用單股或較少的股數(shù)鋼絲繩吊裝，而不是以往選擇多股鋼絲繩吊裝較大載荷，所以作系掛用的安全系數(shù)要低于捆綁用鋼絲繩。

圖1 繩索比例系數(shù)表

5 其他相關(guān)鋼絲繩彎曲計算資料

查閱相關(guān)文獻可以看到，除石化行業(yè)把鋼絲繩彎曲折減計算公式明確寫入規(guī)范外，其它如建筑、電力等行業(yè)也根據(jù)現(xiàn)場多年的實踐經(jīng)驗，對得到的數(shù)據(jù)進行對比和分析，摸索并總結(jié)出一些經(jīng)驗性結(jié)論，盡管沒有列入標準，但是簡捷實用，是對標準和規(guī)范的有益補充，對實際吊裝具有較大的指導(dǎo)意義，現(xiàn)摘錄有關(guān)內(nèi)容如下供參考。

1）南京市勞動局提供的關(guān)于鋼絲繩彎曲使用的資料，資料中有關(guān)部分寫道：“一般認為，鋼絲繩內(nèi)周曲率半徑大于6倍繩徑以上，起重能力不受影響，鋼絲繩內(nèi)周曲率半徑只有繩徑的3倍時，其起重能力降至原起重能力的75%；當鋼絲繩內(nèi)周曲率半徑與繩徑相等時，起重能力要降低50%”（圖2）?？梢钥闯觯摲椒ê褪?guī)范對于鋼絲繩彎曲使用強度折減的原則是一樣的，只是在數(shù)據(jù)的取值上不大相同而已，石化規(guī)范所推薦方法的計算結(jié)果已涵蓋了該方法得到的數(shù)據(jù)，而且更安全些，使用起來也更為科學(xué)和廣泛。

圖2 起吊鋼絲繩曲率示意圖

2）如圖3所示，吊裝物體底端有角度時，其破斷拉力會降低。表1為物體底端角度與繩破斷拉力的關(guān)系。

圖3 吊裝物體底端的角度

表1 底端角度與破斷拉力關(guān)系

從表中可以看出，鋼絲繩不能承受過分彎曲，盡可能避免銳角彎折，在進行設(shè)備或構(gòu)件的捆綁時，如遇鋼絲繩必須繞過銳角的情況，必須對銳角部分進行保護。施工現(xiàn)場通用的保護方法是采用破開的鋼管墊放在銳角處，或在銳角處墊放木塊等。

3）圖4是鋼絲繩懸排在角鋼上兩種形式，角鋼成A方向（圖4a）和成L方向（圖4b），鋼絲繩的破斷拉力分別降低33%和42%。

圖4 角鋼放置形式與破斷拉力關(guān)系

4）在起重吊裝作業(yè)中，有時需要一部分繩結(jié)，各種形式繩結(jié)對繩的破斷拉力影響程度不一，常見的繩結(jié)與破斷拉力保持率關(guān)系如圖5所示。

圖5 常見繩扣與破斷拉力保持率關(guān)系圖

5）在起重吊裝作業(yè)中，捆綁繩扣的應(yīng)用十分普遍。繩扣在彎曲處同時受到拉力和剪力，因此在選擇繩扣時，應(yīng)按圖6所示意的圖例進行對比分析，找到其中的薄弱點，并以盡量增加鋼絲繩彎曲半徑為原則來選擇繩的規(guī)格。各部位繩索的強度能力應(yīng)符合表2的規(guī)定，此結(jié)論曾寫入2002版石化規(guī)范。

圖6 捆綁繩扣各部位繩索強度能力圖

表2 捆綁繩扣各部位繩索強度能力

6 關(guān)于安全系數(shù)的思考

1）綜合以上情況可知，無論是否考慮在彎曲狀態(tài)下使用對鋼絲繩時其強度的折減，都和鋼絲繩的安全系數(shù)沒有直接的關(guān)系，因為這是不同的兩個概念，不能混為一體，應(yīng)引起足夠的重視，盡管如此，從中可以看出，根據(jù)彎曲情況的高低而進行折減具有重大意義。

2）在相當長的一段時期內(nèi)，受鋼絲繩制造水平的限制，無論從鋼絲的強度級別，還是鋼絲繩直徑都有限，鋼絲繩單繩破斷拉力也不大，較重設(shè)備吊裝只能依靠小繩徑、多股繩承擔(dān)。隨著我國科學(xué)技術(shù)水平，尤其是材料科學(xué)的不斷進步，鋼絲繩的制造技術(shù)發(fā)生了很大變化，新研制開發(fā)的大直徑、高強度級別鋼絲繩不斷涌現(xiàn)，在這種大環(huán)境影響下，在進行重大起重設(shè)備吊裝時，采用大繩徑、少股數(shù)高強鋼絲繩成為必然的趨勢。

同時，也應(yīng)看到，就電力建設(shè)而言，電力安規(guī)所規(guī)定的鋼絲繩安全系數(shù)，在進行小型設(shè)備吊裝，尤其是有棱角時是必要的，而對于重型設(shè)備，例如發(fā)電機定子吊裝時顯得過于保守。從國外大件設(shè)備吊裝來看，有的安全系數(shù)取2～3倍，我國是否可以適當降低電力安規(guī)的安全系數(shù)，則值得進一步研究。

3）最后需要特別強調(diào)的是，盡管對鋼絲繩的安全系數(shù)大小有異議，且各種教材、手冊論文等出版物的說法五花八門，大小不一，但是在新標準還沒有出臺之前，電力建設(shè)行業(yè)還應(yīng)無條件執(zhí)行現(xiàn)行電力安規(guī)的有關(guān)規(guī)定。

7 結(jié) 語

電力建設(shè)吊裝技術(shù)的進展與我國電力工業(yè)的發(fā)展緊密相關(guān)，隨著今后電力工業(yè)的快速發(fā)展，工程規(guī)模已經(jīng)朝著大型化、現(xiàn)代化方向發(fā)展，我國電力建設(shè)吊裝技術(shù)的整體水平必將逐步提高，因此，建議盡快根據(jù)當前技術(shù)發(fā)展水平，對電力建設(shè)起重吊裝鋼絲繩彎曲計算做出更為明確和細致的規(guī)定，以更好地指導(dǎo)吊裝工作的進行。

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（編輯 賈澤輝）

［中圖分類號］TD532

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)05-0045-05

［收稿日期］2015-02-10

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