謝光星

森松（江蘇）重工有限公司上海分公司 上海 200100

吊梁是起重作業(yè)中廣泛使用到的一種起重工具，特別是石油化工、電力、海洋工程模塊等重工業(yè)，各類型設(shè)備從工廠生產(chǎn)制造、發(fā)貨裝卸和現(xiàn)場安裝各個環(huán)節(jié)的起吊都要用到吊梁。不同場合下不同特點的設(shè)備所用吊梁各不相同。如何將吊梁設(shè)計的既安全可靠又經(jīng)濟實用，這是吊裝技術(shù)工作的重要一環(huán)。

1 吊梁的分類和特點

吊梁根據(jù)主體的截面形式主要可以分成：鋼管式吊梁、工字截面吊梁和箱型截面吊梁三類。根據(jù)吊梁使用場景和被吊物特點，每種截面形式的吊梁吊點設(shè)計方案各式各樣，從而又衍生出更多種類和特點的吊梁。也有其他一些組合式截面的吊梁，比如雙槽鋼、格構(gòu)式等。

1.1 鋼管式吊梁

鋼管式吊梁是最簡易、輕便的一種吊梁，由于其主要承受壓力，非受彎構(gòu)件，在相同自重情況下具有更大的承載能力。適用于吊裝高度足夠但要求吊梁最輕便的場合。其主要構(gòu)成包括主受力支撐鋼管及起吊吊耳。其常用形式詳見圖1—圖3。

圖1 鋼管式吊梁形式一

（1）吊梁形式一（圖1）：該形式吊梁結(jié)構(gòu)簡單，鋼管上開槽將吊耳插入焊接即可，可以根據(jù)需要設(shè)置多組吊耳，廣泛應(yīng)用于各種起吊場合。其缺點是不能承受彎矩，上部和下部吊索的卸扣必須掛在同一個吊耳上，且吊梁不能受彎，不可錯位使用。因此使用中吊點間距改變時，吊梁上部和下部的吊索都需要拆卸更換吊耳孔位置。為此，吊具掛到吊鉤上后吊鉤到吊梁總高度較高，當起重機起升高度不足時這種吊梁不能滿足起吊要求。

（2）吊梁形式二（圖2）：這種形式吊梁不承受任何彎矩。其吊耳孔中心和主受力鋼管軸心在同一條線上，起吊時吊梁主體僅承受壓力，所以更適用于起重量大的場合，如大型塔器、模塊等設(shè)備的起吊。其缺點是只能兩端起吊，針對不同吊點間距只能通過增加或拆除中間管段的方式來調(diào)整。

圖2 鋼管支撐式吊梁形式二

（3）吊梁形式三（圖3）：這是一種純支撐式的吊梁，主吊索掛吊鉤上下部設(shè)備吊耳上；中部通過此吊梁支撐分開；此吊梁上部兩個小吊耳也用吊索掛吊鉤上，主要起到拉住吊梁的作用。此吊梁兩端吊索支撐的主繩槽區(qū)域為圓弧形。這種吊梁形式避免了使用大卸扣連接，能進行更大噸位的吊梁，與吊索具匹配性更高，因此也是最經(jīng)濟的一種吊梁。其廣泛應(yīng)用在各類大型塔器的安裝起吊中。實際應(yīng)用中，主體截面形式不局限于鋼管式，也可以是H鋼或者箱型截面等。

圖3 鋼管支撐式吊梁形式三

1.2 工字形截面吊梁

工字形截面吊梁是常見的吊梁形式，應(yīng)用最為廣泛，能滿足各種場景的使用要求，特別適合于吊車起升高度有限的場合。其具有較大抗彎曲能力，通過縮小上部吊耳間距可以有效降低吊索具占用的起升高度。合理的高寬比和截面設(shè)計能讓吊梁鋼材利用效率最大化，節(jié)約材料。吊梁主要由工字截面（H 截面）主梁和吊耳及加強筋等構(gòu)成。根據(jù)不同吊裝要求，吊梁的形式可以設(shè)計成多種多樣的形式，常用的形式如圖4、圖5 所示。

圖4 工字截面吊梁形式一

圖5 工字截面吊梁形式二

（1）形式一（圖4）：該吊梁主要由成品H 型鋼或者工字鋼為吊梁本體，每個吊點位置焊接吊耳，吊耳處H 鋼上加筋板加固。其制作簡單，能滿足不同吊點間距的重物的起吊。上部可以只設(shè)置一組或幾組吊耳，且上部吊索具可以固定不動，不必頻繁更換。下部吊耳與上部耳水平間距越大其起吊能力越弱，同一根吊梁各個吊點設(shè)計最大起吊能力各不相同，可充分發(fā)揮其起吊極限能力。

（2）形式二（圖5）：該吊梁由鋼板焊接成H 型截面吊梁本體。其上部吊點根據(jù)需要設(shè)置一組或者多組，一般不超過三組，中間1—2 組用于單鉤起吊，兩端一組用于雙鉤抬吊。單鉤起吊時，設(shè)置兩組吊耳的目的是充分利用吊梁的起吊能力。中間一組吊耳用于降低上部吊索具高度（在相同的吊索夾角下，吊耳間距越小則吊索占用的起升高度越?。抢弥虚g一組吊耳起吊時下部邊上吊點起吊能力就很小。為此，上部設(shè)置間距更大的第二組吊點，這樣雖然吊索占用的起升高度更大，但是外側(cè)吊點的起吊能力將得到提升。

（3）形式三：該吊梁指下部需要許多間距的吊點。為此，將下部吊耳設(shè)計成一塊整體的吊耳板。這種形式和吊梁通用性大大增強，多用于產(chǎn)品種類特別多、吊點間距多種多樣的使用場景下。

1.3 箱型吊梁

箱型吊梁主梁體由上下翼板和雙腹板構(gòu)成，吊點多采用軸耳形式，主要用于特大型設(shè)備的起吊。由于工字型截面吊梁多為板式吊耳的形式，所以需要穿卸扣。而大噸位卸扣笨重、昂貴，且使用不方便，與吊索匹配難度大，吊索穿過卸扣時起吊能力也折損嚴重。因此，當設(shè)備重量特別重（500t 以上）時,箱型吊梁的優(yōu)勢可充分發(fā)揮出來，具有更大的抗彎強度和整體穩(wěn)定性，采用軸耳的吊點形式更有利于鋼絲繩直徑的最小化，吊索繞過軸吊后對吊索起吊能力折減很小。在船上、碼頭等有重型吊機的場合多應(yīng)用這種箱型大吊梁。

箱型吊梁一般做成中間大兩頭小，多組軸耳設(shè)置在吊梁兩側(cè)腹板上；也有設(shè)計成多段螺栓連接或銷軸連接的可拆卸形式，自由組合成不同長度和起吊工況，從而實現(xiàn)用途用法的多樣化。

兩吊鉤抬吊的吊梁是常見的箱型吊梁演變形式，其兩端設(shè)置抬吊吊點，下部設(shè)置吊耳或者吊鉤用于連接吊索。這種吊梁適用于設(shè)備長度短，重量又超過單臺行車起吊能力，兩行車無法直接抬吊的情況。根據(jù)吊梁和吊運部件的特點，吊梁下的吊點可以設(shè)計成不同的樣式。

1.4 吊裝框架和組合吊梁

吊裝框架構(gòu)造復(fù)雜，多針對特定設(shè)備的吊裝設(shè)計，能夠滿足設(shè)備上多點同時起吊和各吊點都豎直起吊的要求，能有效防止設(shè)備單點的起吊受力變形，多應(yīng)用于剛性差的設(shè)備模塊的起吊。其缺點是制作復(fù)雜，通用性差，成本較高。其設(shè)計計算難度也最大，通常需要用到STAAD、PRO、ANSYS 等結(jié)構(gòu)分析軟件進行模擬分析。

組合吊梁顧名思義就是多根吊梁組合形成的吊梁組，應(yīng)用于特殊和復(fù)雜的吊裝工況，是根據(jù)特定需求而進行設(shè)計。多用于起吊能力不足需要多機抬吊的場合，或者用多件吊梁組合替代吊框的作用。

2 吊梁的設(shè)計要點

2.1 設(shè)計計算標準和依據(jù)

GBT 26079- 2010 是國內(nèi)吊梁設(shè)計制造的主要規(guī)范依據(jù)，其對設(shè)計計算的類別、安全系數(shù)、制造誤差、焊接和探傷要求、涂裝、載荷試驗等都有具體的要求。再結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范和大件吊裝規(guī)范，設(shè)計出來的吊梁完全滿足標準規(guī)范的要求。國外ASME 規(guī)范要求和國標基本一致，其他DNV 等規(guī)范要求差異較大，需參照具體規(guī)范要求進行設(shè)計計算。

2.2 吊梁設(shè)計安全系數(shù)

吊梁設(shè)計載荷為額定起吊重量，其值不小于被吊物重量、吊索具和吊梁重量之和，還需要考慮載荷沖擊、動載等綜合影響。結(jié)合吊梁的用途和使用環(huán)境，吊梁強度設(shè)計安全系數(shù)一般情況下取2，重要危險性大吊梁取3；連接件的安全系數(shù)（包括吊耳），一般吊梁取2.4；重要危險性的吊梁，安全系數(shù)取3.6。有特殊要求的按要求執(zhí)行，但不低于此規(guī)定。

對于軸向受壓的構(gòu)件，穩(wěn)定性安全系數(shù)不低于5。

參照行車，吊梁垂直撓度最大為跨度的1/ 700。由于吊梁垂直撓度對于起吊影響不大，為此建議吊梁垂直撓度控制在長度的1/ 500 以內(nèi)即可。

2.3 吊梁材料及許用應(yīng)力

碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235B 等符合GB700- 2006；低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼Q355B 等符合GB/ T1591- 2018，優(yōu)先選用Q355B。無縫鋼管符合GB/ T8162- 1999 標準。當然也可以選擇其他材料，只要性能符合要求，強度計算能通過即可。

基本許用應(yīng)力包括拉伸、壓縮、彎曲的許用應(yīng)力。

2.4 吊梁強度設(shè)計校核典型方法

2.4.1 吊梁強度設(shè)計校核說明

吊梁強度計算主要包括兩方面，即吊梁主體校核和吊耳強度校核。吊梁主體強度主要包括彎曲強度、拉壓強度和剪切強度，受壓桿件長細比較大時還需校核穩(wěn)定性。吊耳的強度校核包括耳板的拉伸強度、剪切強度和軸孔擠壓強度，吊耳中心到根部高度較高且承受水平分力時還需校核吊耳彎曲強度。吊耳和吊梁連接焊縫也需要進行校核計算，通常只要吊耳尺寸設(shè)計合理，吊耳開坡口全焊透的情況下焊接強度都是足夠的。吊梁設(shè)計計算步驟大致如下：根據(jù)吊梁所需起吊的重量和吊點間距，初步選定吊梁主體規(guī)格和吊耳尺寸；然后進行受力分析和強度校核，計算應(yīng)力不超過許用應(yīng)力即可；再調(diào)整和優(yōu)化，最終得出最優(yōu)設(shè)計尺寸。

2.4.2 吊梁強度設(shè)計常用公式

應(yīng)力分析計算中常用計算公式見式（1）—（6）。根據(jù)設(shè)計載荷和使用工況進行受力分析以后，利用這些公式反向推導(dǎo)，可以得到大致所需的部件截面積、抗彎模量需求等參數(shù)；然后進行截面設(shè)計優(yōu)化；最后校核，能更加快捷地得到理想的設(shè)計效果。

式中：F——載荷，N；

A——抗拉/ 壓的截面積，mm2；

M——吊耳彎矩，N·mm；

W——吊耳根部抗彎截面模量，cm3；

φ——壓桿穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)長細比λ，可查GB3811- 2008 表29 和附錄K。

σtd——軸孔擠壓應(yīng)力, MPa；

σ，[σ]——計算拉伸、壓縮應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和許用應(yīng)力，MPa。

2.5 吊梁及吊耳尺寸設(shè)計

吊梁截面尺寸主要以強度計算為主，同時結(jié)合吊耳布置對尺寸空間的需求。通常寬高比選擇1∶2 左右，上下翼板厚度大于腹板厚度，這個比例既有較大的抗彎能力又能節(jié)約材料。吊點間距要和被吊重物的吊點間距保持一致，從而確保起吊吊索的豎直受力。大吊梁通常都會設(shè)計成變截面形式，應(yīng)力大的區(qū)域截面大、應(yīng)力小的區(qū)域截面小，從而既降低吊梁自重又節(jié)約材料。為了便于吊梁的存儲和運輸，大吊梁通常都會設(shè)置起吊用小吊耳和支撐，在不影響吊梁使用的情況下支撐可以和吊梁本體焊接為一體，也可以單獨制作活動支撐。

2.5.1 吊梁板式吊耳與卸扣和吊索的匹配設(shè)計

（1）主要尺寸校核包括吊耳孔直徑（D）必須大于卸扣銷軸直徑(一般大5～10mm，最小3mm)；

（2）吊耳總厚度不得大于卸扣寬度，一般為卸扣寬度的0.7～0.9，最小為卸扣寬度的0.5，如此才能保證吊耳孔和銷軸良好的受力狀態(tài)。

（3）吊耳外徑（R）外側(cè)和卸扣弓形頂部之間應(yīng)留有足夠吊索空間,卸扣銷軸到弓形處距離為S,則S- (R- 0.5D)≥1.2 倍鋼絲繩直徑?？紤]鋼絲繩的變形和實際操作的方便，一般取2～4 倍鋼絲繩直徑更合適。

2.5.2 吊梁軸吊與吊索的匹配設(shè)計

(1) 設(shè)計的軸吊管軸直徑宜為起吊用鋼絲繩直徑的6倍左右。鋼絲繩繞過管軸時如果直徑太小，彎折嚴重，會對吊索起吊能力造成折減。

(2) 擋圈高度不宜小于起吊使用的最小鋼絲繩直徑。

(3) 軸吊長度應(yīng)確保能夠容納吊梁起吊額定起重量時的吊索，且有一定操作空間。

2.6 其他設(shè)計分析方法

現(xiàn)代計算機和軟件技術(shù)不斷發(fā)展，基于各種理論和計算研發(fā)的結(jié)構(gòu)分析軟件廣泛應(yīng)用。比如ansys workbench、STAAD.PRO、Solide works 等都能用于吊梁吊具等結(jié)構(gòu)的分析計算。通過模型建立，施加約束，施加載荷，設(shè)計參數(shù)設(shè)定和分析運行等基本步驟，最終都能得出接近于理論計算的應(yīng)力分析結(jié)果。當然，只有復(fù)雜截面的吊梁或吊框等需要軟件分析，常用的吊梁根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范和上述列舉的方法進行設(shè)計計算都能得到正確可靠計算結(jié)果，滿足吊梁設(shè)計需求。

3 結(jié)語

吊梁在起重吊裝中是十分重要的起重工具，吊裝作業(yè)的安全和順利進行都和吊梁息息相關(guān)。針對常用的幾種形式的吊梁，分析了其各自的特點和適用場景，同時列舉了吊梁設(shè)計的重要方法和要點。要想吊梁自重輕，優(yōu)先考慮設(shè)計成純受壓結(jié)構(gòu)，尤其是鋼管支撐式能夠?qū)⒌趿鹤灾亟档偷阶钶p。要想吊梁占用起升高度最少，就需要將吊梁設(shè)計成主受彎結(jié)構(gòu)，吊梁上部吊耳間距最小化，從而上部吊索占用高度最小化。只要在吊梁設(shè)計過程中重視各個參數(shù)要素的控制，通過合理設(shè)計，就能讓吊梁安全經(jīng)濟且使用方便。