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第四章桅杆式起重机
1第四章桅杆式起重机1第一节桅杆式起重机的基本结构与分类
一、基本结构
桅杆式起重机由金属结构、起升系统、稳定系统、动力系统组成。
1、金属结构包括：桅杆、基座及其附件组成。主要用来提供起升高度和幅度，并将被吊装设备或构件的重量传递到基础上。如图4-1
2第一节桅杆式起重机的基本结构与分类一、基本结构2图4-1桅杆金属结构3图4-1桅杆金属结构3图4-2桅杆头部结构4图4-2桅杆头部结构4图4-3(a)桅杆基座结构15图4-3(a)桅杆基座结构15图4-3(b)桅杆基座结构26图4-3(b)桅杆基座结构262、起升系统：主要作用是提升被吊装设备或构件，它主要由滑轮组、导向轮和钢丝绳等组成。3、稳定系统：主要作用是稳定桅杆，包括缆风绳、地锚等。
4、动力系统：为桅杆式起重机提供动力，常用的主要是电动卷扬机，也有液压装置。
72、起升系统：主要作用是提升被吊装设备或构件，它主要由滑轮组二、分类
1、按桅杆结构形式分：桅杆可分为格构式和实腹式（一般为钢管）两类（如图4-1）。
2、按组合形式分：桅杆可分为单桅杆、双桅杆、人字桅杆、门式桅杆和动臂桅杆五类基本形式。
8二、分类8三、基本工作形式：
桅杆式起重机的基本工作形式有如下五种，其它工作形式可以认为是该基本形式的变化。1、直立单桅杆吊装，主要用于吊装桥式起重机、大型构件等（如图4-4）。
9三、基本工作形式：9如图4-4直立单桅杆吊装桥式起重机10如图4-4直立单桅杆吊装桥式起重机102、斜立人字桅杆（或单桅杆和门式桅杆）吊装。主要用于在建筑物上吊装小型设备或构件（如图4-5）吊装过程见动画1112、斜立人字桅杆11动画1斜立人字桅杆吊装过程12动画1斜立人字桅杆吊装过程123、双桅杆滑移抬吊。主要用于吊装大型塔、罐设备（如图4-6）。
4、扳倒法吊装，主要用于吊装大型塔架类构件（如图4-7）。5、动臂桅杆吊装，主要用于在某一范围内有大量中、小设备或构件的吊装。（如图4-8）。
133、双桅杆滑移抬吊。主要用于吊装大型塔、罐设备（如图4-6）如图4-6双桅杆滑移抬吊14如图4-6双桅杆滑移抬吊14动画2
双桅杆滑移抬吊吊装过程15动画2双桅杆滑移抬吊吊装过程15图4-7扳倒法吊装16图4-7扳倒法吊装16动画3扳倒法吊装过程动画3扳倒法吊装过程17图4-8动臂桅杆吊装18图4-8动臂桅杆吊装18动画4动臂桅杆吊装过程动画4动臂桅杆吊装过程19第二节实腹式桅杆式起重机的设计与校验
桅杆的设计主要有两项任务，长度确定、截面选择。现分别讨论。一、
桅杆的长度确定确定桅杆长度时，可分直立和倾斜两种情况处理，实际上，直立是倾斜在倾角α为零的一种特殊情况，但为了更明确，仍分别论述。其它工作形式均可转化成上述两种情况处理。
20第二节实腹式桅杆式起重机的设计与校验桅杆的设计1、直立桅杆的长度选择应考虑如下问题：（1）工艺要求或现场环境要求被吊装设备或构件被吊起的最大高度。（2）被吊装设备或构件的高度。（3）吊索拴接方法及高度。（4）滑轮组的最短极限距离。（5）工艺要求的腾空距离。（6）安全距离。（7）桅杆基础高度。如图4-9示，
211、直立桅杆的长度选择应考虑如下问题：21图4-9直立桅杆长度计算图22图4-9直立桅杆长度计算图22图中：
h1—
设备就位高度，即工艺要求或现场环境要求被吊装设备或构件被吊起的最大高度。
h2
工艺要求的腾空距离。一般不小于300
h3
吊索和滑轮组在铅垂线上的投影，对于的确定，必须考虑：
23图中：23
①吊索的捆绑长度，必须根据施工实际情况确定，其原则是方便工人施工。
②滑轮组的最短极限距离和一定的安全裕度，安全裕度一般取为500，滑轮组的最短极限距离可查表。③滑轮组的偏角（与铅垂线的夹角）
h4——
桅杆头部长度，一般取为500
24
①吊索的捆绑长度，必须根据施工实际情况确定，其原则是方桅杆总长为：L=h1+h2+h3+h4对于桅杆总长的最后确定，还必须注意：①计算出的L值，必须考虑一个安全裕度，一般为500
②桅杆计算长度必须向大的方向圆整，以便于施工。③如果桅杆基础较高，则应减去基础高度，如果基础高度不大，而厂房高度又无严格限制，则可忽略基础高度。
25桅杆总长为：252、倾斜桅杆的长度计算倾斜桅杆的长度计算时，除了要考虑上述各项参数外，还要考虑被吊装设备或构件的几何尺寸、桅杆倾斜的角度、桅杆的直径等，进行投影关系计算和通过性能计算，取二者中的较大者为桅杆长度。如图4-10示。262、倾斜桅杆的长度计算26图4-10倾斜桅杆长度计算图图中：桅杆有效长度为lh1—
基础高度h2—
腾空高度h3—
设备高度h4—
吊索高度h5—
滑轮组最短极限距离H6—吊环或捆绑绳长度
27图4-10倾斜桅杆长度计算图图中：27（1）按投影关系有：（2）按通过性能有：
28（1）按投影关系有：28
式中：
a—
设备外沿至桅杆轴线的距离，它包括：设备外沿至桅杆外沿的间距（不小于300）和桅杆的半径。
R——
设备半径。上述二者取较大者，并加一安全裕量后圆整，为桅杆的有效长度，再加上头部长度（一般为500），即为桅杆总长L。
29式中：29二、钢管式桅杆的截面选择与校核
1、破坏特点：（1）、细长压杆，其破坏形式是失稳破坏；（2）、所以在截面选择时，应按稳定条件选择。30二、钢管式桅杆的截面选择与校核302、设计方法与步骤（1）、设计方法：桅杆是受压形式是偏心压杆，即除了承受压力，还要承受偏心弯矩，计算时，应按压弯组合进行，但工程实际中，对于钢管式桅杆，为了简化计算，常将其简化成轴心受压进行计算，而将其许用应力减小。
312、设计方法与步骤31
因此，对于实腹式桅杆式起重机，有两种设计计算方法：简便计算：将偏心压杆简化成轴心压杆进行计算，同时将许用应力降低200～300Kg/cm2精确计算：按压弯组合进行设计计算。实际上，工程实际中，为保证安全，不管按哪种方法进行设计计算，一般均将设计值控制在800Kg/cm2
～900Kg/cm2左右。32因此，对于实腹式桅杆式起重机，有两种设计计算（2）、设计步骤：①受力分析与计算，计算出桅杆的内力（轴力、弯矩），并画出内力图。②按经验初选截面。（或按教材附录初选）③计算初选截面的截面特性和长细比。④查表查出稳定折减系数。⑤按公式进行校核。如满足要求，选择完成，如不满足要求，重复上述过程。
33（2）、设计步骤：333、受力分析与内力计算受力分析简化如图4-11所示。（以倾斜桅杆为例）图中：
Q计—桅杆计算载荷，注意，应包括设备、索、吊具的重量。
S—跑绳拉力，可认为与桅杆平行。
T—缆风绳等效拉力。
G—桅杆自重343、受力分析与内力计算34图4-11倾斜桅杆受力分析图α—桅杆与铅垂线的夹角β—缆风绳与水平面的夹角35图4-11倾斜桅杆受力分析图α—桅杆与铅垂线的夹角3（1）、载荷组合按照钢结构设计规范（GB50017—2003）的规定，对各类钢结构应按“极限概率状态”进行设计，其设计表达式为：
36（1）、载荷组合36式中：
γ0—结构重要性系数，对安全等级为一级、二级、三级的结构构件分别取不小于1.1、1.0、0.9，对于桅杆结构，取不小于1.1。
γG—“恒载荷”或“永久载荷”分项系数，在吊装工程中，取1.2。
γQ
—“活载荷”或“可变载荷”分项系数，在吊装工程中，取1.4。
37式中：37
—“恒载荷”或“永久载荷”标准值在桅杆结构截面或连接中产生的应力。
—“活载荷”或“可变载荷”标准值在桅杆结构截面或连接中产生的应力。
—钢材“强度设计值”，是钢材的屈服点（fy）除以抗力分项系数的商，对于Q235，
38—“恒载荷”或“永久载荷”标准值在桅杆结构截面或连
在吊装工程中，被吊装的设备或构件是运动的，滑轮组跑绳是运动的，缆风绳的拉力是随着被吊装的设备或构件的运动而改变的，所以被吊装的设备或构件的重量（包括索、吊具重量）、滑轮组跑绳拉力和缆风绳的拉力等是“活载荷”或“可变载荷”，由于在吊装过程中，桅杆不可避免地会因各种原因产生运动或振动，所以桅杆自重也可以偏安全地看成是“活载荷”或“可变载荷”，在计算桅杆内力时均应乘上1.4的分项系数。
39在吊装工程中，被吊装的设备或构件是运动的，滑轮组跑绳是
具体计算时应注意，滑轮组跑绳拉力和缆风绳的拉力既是选择滑轮组、钢丝绳和卷扬机的依据，又是设计桅杆截面的依据，在计算滑轮组跑绳拉力和缆风绳的拉力时，被吊装的设备或构件的重量（包括索、吊具重量）一般不应考虑“活载荷”或“可变载荷”分项系数，以免滑轮组、钢丝绳和卷扬机等选得过大，而在计算桅杆截面时，分别乘上。40具体计算时应注意，滑轮组跑绳拉力和缆风绳的拉力既是选（2）、载荷设计值计算
①、计算载荷设计值
②、滑轮组跑绳拉力设计值
41（2）、载荷设计值计算②、滑轮组跑绳拉力设计值41③、缆风绳的拉力设计值
④、桅杆自重设计值
42③、缆风绳的拉力设计值④、桅杆自重设计值42（3）、轴力计算设计桅杆截面时，一般需要计算桅杆的顶部、吊耳处、中部和底部轴力，令其分别为：
、、、
43（3）、轴力计算、、、43顶部轴力：吊耳处的轴力
式中：
l1—桅杆头部长度
44顶部轴力：吊耳处的轴力式中：l1—桅杆头部桅杆中部轴力
桅杆底部轴力
45桅杆中部轴力桅杆底部轴力45图4-12桅杆轴力图46图4-12桅杆轴力图46(2)、弯矩的计算可分别按各力单独作用于桅杆时产生的弯矩进行计算，然后叠加。具体过程为作业，请同学们自己做。注意：桅杆自重是均布载荷叠加后的弯矩图如图4-1347(2)、弯矩的计算47图4-13桅杆弯矩图48图4-13桅杆弯矩图484、截面初选（1）、按经验或按教材表附录5初选；（2）、查出：①截面面积F②最小惯性半径i③计算出长细比λ
494、截面初选49式中：μ为两端支承系数，两端铰支：υ=1一端固定、一端自由：υ=2两端固定：υ=0.5一端固定、一端铰支：υ=0.7
一般，桅杆取为两端铰支。
50式中：μ为两端支承系数，50当：λ＜61时，小柔度杆，按强度进行计算。
λ≥61时，中、大柔度杆，按稳定条件进行计算。按λ查表，查出轴心受压折减系数
51当：λ＜61时，小柔度杆，按强度进行计算。515、截面校核：按简便计算法（轴心压杆）
式中：
A为许用应力减少量，一般取200～300Kg/cm2
NZ为桅杆中部轴力。525、截面校核：52
上式如满足，设计结束；如不满足，重新初选截面，进行校核。实际工程中，设计值一般控制在800Kg/cm2
～1000Kg/cm2左右。如必须按压弯组合进行计算，其具体方法见格构式桅杆的校核。
53上式如满足，设计结束；如不满足，重新初选截面例题1
如图示，某工地采用倾斜桅杆吊装一设备，已知设备重（包括索、吊具）为50KN，外形尺寸为：长×宽×=6×3×2.5m，基础高6.5m，如假定缆风绳的等效拉力为20KN，请按简便法设计一根钢管式桅杆。54例题1如图示，某工地采用倾斜桅杆吊装一设5555解：一、确定桅杆长度1、按投影关系已知：h1=6.5mh2=0.3mh3=2.5m(1)、确定吊索长度h4吊索栓接方法设计如图示56解：56由图示几何关系知：h4=1.5m(2)、确定滑轮组长度h5
根据设备重量，选择H8×2G滑轮组，单跑头顺穿，查表，得其最短极限距离（钩到钩）为2000，考虑500安全距离，则：
h5=2.5m57由图示几何关系知：h4=1.5m57令：按投影长度求得的桅杆有效长度为：取为14m。58令：按投影长度求得的桅杆有效长度为：582、按通过性确定桅杆有效长度（假定桅杆直径为400）令：按通过性确定的桅杆有效长度为取为17.5m。592、按通过性确定桅杆有效长度（假定桅杆直径为400）59两者比较，取桅杆有效长度为17.5m,加上桅杆头部长度500,则：桅杆总长
L=17.5+0.5=18.00m符合材料的出厂规格。60两者比较，取桅杆有效长度为17.5m,60二、桅杆的截面选择1、滑轮组跑绳拉力计算（1）、计算载荷
Q计
=K动×Q=1.1×50=55KN查表选H8×2G滑轮组，分支数为4，导向轮为2。查表，得载荷系数为：α=0.287则滑轮组的跑绳拉力S为:S=α×Q计
=0.287×55=15.8KN61二、桅杆的截面选择612、桅杆受力分析与计算（1）、桅杆受力分析如图示：查教材附录4，初选φ273×8的无缝钢管，其截面特性为：截面积F=66.7cm2惯性半径i=9.37cm自重:q=0.5228KN/m622、桅杆受力分析与计算62（2）、载荷设计值计算：计算载荷设计值：
滑轮组跑绳拉力设计值：63（2）、载荷设计值计算：滑轮组跑绳拉力设计值：63缆风绳的拉力设计值：
桅杆自重设计值：64缆风绳的拉力设计值：桅杆自重设计值：64（3）、轴力计算顶部轴力：
吊耳处轴力：65（3）、轴力计算吊耳处轴力：65桅杆中部轴力：桅杆底部轴力：66桅杆中部轴力：桅杆底部轴力：66桅杆轴力图67桅杆轴力图673、截面校核（按简便算法）（1）、长细比计算：查表（教材附录5）得轴心压杆折减系数为：683、截面校核（按简便算法）查表（教材附录5）得轴心压杆折减系（2）、截面校核：符合要求69（2）、截面校核：符合要求69第三节格构式桅杆的设计计算课程设计要用，要求自己看。70第三节格构式桅杆的设计计算课程设计要用，要求自己看。70第四节稳定系统的设计计算桅杆稳定系统包括缆风绳和地锚两大部分。一、缆风绳的设计计算：〈一〉、缆风绳的布置形式1、倾斜桅杆缆风绳的布置（图4-14）2、直立单桅杆缆风绳的布置（图4-15）3、直立双桅杆缆风绳的布置（图4-16）4、动臂桅杆缆风绳的布置（图4-17）71第四节稳定系统的设计计算桅杆稳定系统包括缆风绳和地锚两图4-14a倾斜桅杆缆风绳的布置(顶视图)
72图4-14a倾斜桅杆缆风绳的布置(顶视图)72图4-14b倾斜桅杆缆风绳的布置(立体图)图4-14b倾斜桅杆缆风绳的布置(立体图)73图4-15a直立单桅杆缆风绳的布置(顶视图)
74图4-15a直立单桅杆缆风绳的布置(顶视图)744-15b直立单桅杆缆风绳的布置(立体图)4-15b直立单桅杆缆风绳的布置(立体图)75图4-16a直立双桅杆缆风绳的布置(顶视图)
76图4-16a直立双桅杆缆风绳的布置(顶视图)76图4-16b直立双桅杆缆风绳的布置(立体图)图4-16b直立双桅杆缆风绳的布置(立体图)77图4-17a动臂桅杆缆风绳的布置(顶视图)
78图4-17a动臂桅杆缆风绳的布置(顶视图)78图4-17b动臂桅杆缆风绳的布置(立体图)图4-17b动臂桅杆缆风绳的布置(立体图)79〈二〉、缆风绳的设计计算：缆风绳拉力分“工作拉力”和“初拉力”两部分。1、初拉力
（1）、概念：指的是桅杆在没有工作时，缆风绳预先拉紧的力。它决定了桅杆头部在工作时偏移量的大小。80〈二〉、缆风绳的设计计算：80（2）、初拉力的确定①理论公式：见教材，目前不成熟。
②按经验公式进行。在大多数吊装精度要求不高的情况下，能满足要求。初拉力计算的经验公式：a、取主缆风绳的工作拉力的15%～20%。81（2）、初拉力的确定81b、
按钢丝绳的直径确定：
≤22mm时，T初=1吨
22mm＜
d≤37mm时，T初=3吨
d＞
37mm时，T初=5吨C、取钢丝绳的自重的50%～100%
最常用的是a。（按主缆风绳的工作拉力的百分比取初拉力）82b、
按钢丝绳的直径确定：822、工作拉力：
（1）、概念：桅杆式起重机在工作时，缆风绳所承担的载荷。（2）、特点：①布置方式较多；根据具体情况计算。②肯定有一根处在吊装平面内。（主缆风）
832、工作拉力：83（3）、计算法则所有缆风绳的拉力转化为在吊装平面内的等效拉力T，因此，各力在这个垂直平面内形成平面汇交力系。根据力系平衡，可以计算出缆风绳的等效拉力T，然后，按一定比例将这个等效力T分配到各缆风绳上，即得到主缆风绳的工作拉力Tz。这个分配比例与缆风绳的工艺布置有关。可以查表。
84（3）、计算法则84（4）、计算过程如图4-14，缆风绳与水平面的夹角为β，规定：一般情况下：β≤300特殊情况下：β≤45085（4）、计算过程85根据力矩平衡，有：86根据力矩平衡，有：86主缆风绳工作拉力T工为：
T工=μ×T式中，μ为分配系数，根据缆风绳的布置形式，查表（教材表2-7-1，2-7-2）。主缆风绳总拉力Tz为：
Tz=T工+T初87主缆风绳工作拉力T工为：87（5）、缆风绳的选择所有缆风绳必须一律按主缆风绳的总拉力Tz选取。不允许：主缆风绳的受力大，选直径大的钢丝绳，其他缆风绳的受力小，选直径小的钢丝绳。88（5）、缆风绳的选择88例题2
试求例题1的缆风绳拉力，并选择缆风绳规格型号。（所有参数均取计算结果）。解：由例题1，已知：桅杆总长度：L=18m；有效长度:l=17.5m桅杆截面为:φ273×8;桅杆自重:G=52.28Kg/m×18=941Kg滑轮组跑绳拉力:S=1.58t计算载荷:Q计=5.5t89例题2试求例题1的缆风绳拉力，并选择缆风绳例题2吊耳偏心距：E2=300；缆风盘偏心距：E1=300。1、缆风绳布置：按5根布置；2、受力分析如例题2图示。90例题2吊耳偏心距：90例题23、有效拉力计算按公式：将数据代入公式得：
T=2.25t91例题23、有效拉力计算91例题24、主缆风绳工作拉力的确定：查表（教材表2-7-1）得：分配系数μ=0.828
则:主缆风绳工作拉力T工为:T工=μT=0.828×2.25=1.86t92例题24、主缆风绳工作拉力的确定：92例题25、主缆风绳初拉力的确定：按工作拉力的15%～20%取，太小，取为最小值T初=1t6、主缆风绳总拉力的确定：
T主=T工+T初
=1.86+1=2.86t93例题25、主缆风绳初拉力的确定：93例题27、主缆风绳的选择：查表（手册表2-15）选6×19+1，σb=1400MP钢丝绳，安全系数取3.5直径为φ15.58、其它缆风绳的选择：其它缆风绳一律与主缆风绳相同。94例题27、主缆风绳的选择：94二、地锚的计算1、作用：地锚的作用是固定缆风绳，将缆风绳的拉力传递到大地。以保持桅杆的稳定和正常工作。2、种类、目前常用的地锚种类有：全埋式、半埋式、活动式和利用建筑物数种。95二、地锚的计算953、全埋式地锚的设计计算
（1）、结构全埋式地锚是将横梁横卧在按一定要求挖好的坑底，将钢丝绳拴接在横梁上，并从坑前端的槽中引出，埋好后回填土壤并夯实即成。963、全埋式地锚的设计计算96（2）、特点全埋式地锚可以承受较大的拉力，适合于重型吊装；须破坏地面，不适合用于地面已处理好，或地下埋有地下管、线的扩建工程；横梁材料不能再次使用，浪费较大；地锚强度的计算主要是验算其水平稳定性、垂直稳定性和横梁强度。97（2）、特点97（3）、垂直稳定性计算计算简图如图4-18示图4-18a全埋式地锚（剖面）98（3）、垂直稳定性计算图4-18a全埋式地锚（剖面）图4-18b全埋式地锚（立体图）图4-18b全埋式地锚（立体图）99图中：T—
缆风绳拉力，它可分解为水平分力T1，垂直分力T2；α—
缆风绳与地面夹角；B—
地锚的上口宽；b—
底部宽度；H—
地锚深度；L—横梁长度；100图中：100H—横梁高度；Ψ1—
土壤抗拔角；G—
土壤重量。在水平分力的作用下，横梁压紧在土壤上，当横梁在垂直分力的作用下有上拔趋势时，产生摩擦力f。
101H—横梁高度；101式中：μ为摩擦系数，一般取0.4～0.5垂直稳定性按下式校核:
式中：K为稳定安全系数，一般取
2～2.5
102式中：μ为摩擦系数，一般取0.4～0.5102（4）、水平稳定性计算计算简图如图4-18该项主要校核土壤的抗压能力。按下式进行：
式中：
为土壤在H深度的抗压强度。可按下式进行计算：
103（4）、水平稳定性计算103式中：γ
土壤容重，可查表
c—
土壤凝聚力，可查表，应注意单位的换算。
土壤的内摩擦角，可查表。
104式中：γ—土壤容重，可查表1044、活动式地锚的设计计算
（1）、结构
活动式地锚是在一钢质托排上压放块状重物如钢锭、条石等组成，钢丝绳拴接于托排上。（2）、特点承受的力不大，但不破坏地面，适合于改、扩建工程。计算其强度时需要计算其水平稳定性和垂直稳定性。
1054、活动式地锚的设计计算105（3）、垂直稳定性计算计算简图如图4-19图4-19a活动式地锚
106（3）、垂直稳定性计算图4-19a活动式地锚10图4-19b活动式地锚（立体图）图4-19b活动式地锚（立体图）107
地锚破坏时，可能在垂直分力的作用下，沿着托排尾部的A点倾翻，所以有：
K取2～2.5
108地锚破坏时，可能在垂直分力的作用下，沿着托排尾部的A（4）水平稳定性计算地锚破坏时，可能在水平分力的作用下，克服摩擦力而滑动，所以有：
式中：μ为摩擦系数，一般取0.5，K取2～2.5
109（4）水平稳定性计算1095、利用建筑物做地锚在工程实际中，还常利用已有建筑物作为地锚，如混凝土基础、混凝土柱等，但这类利用已有建筑物前，必须获得建筑物设计单位的书面认可。1105、利用建筑物做地锚110例题3
按例题2的条件设计一全埋式地锚，假设地质条件为可塑亚沙土。解：由例题2，已知：主缆风绳的拉力为：T主
=2.86t主缆风绳与水平面夹角：β=300由本题假定，查表（教材表2-8-1）得可塑亚沙土的特性为：111例题3按例题2的条件设计一全埋式地锚，假例题3
容重：γ=1.7×10-3Kg/cm3=1.7t/m3
内摩擦角ψ0=220
凝聚力:c=0.08Kg/cm2=0.8t/m2
计算抗拔角:ψ1=230(1)、受力分析简图如例题图主缆风绳的拉力的水平分力和垂直分力分别为：T1=2.86×cos300=2.48tT2=2.86×sin300=1.43t112例题3容重：γ=1.7×10-3Kg/cm3例题3图113例题3图113例题32、地锚结构设定：（1）、横梁采用工地常用规格木材，其尺寸为：长×宽×高=1500×250×250，四根，即：
L=1.5m；h=0.5m；b=0.5m；（2）、根据经验，暂取地锚深度H=1.5m（3）、地锚上口宽度B为：
B=b+H×tanψ1=0.5+1.5×tan230=1.14m114例题32、地锚结构设定：114例题33、土壤重量计算：
G=γ×V=1.7×（B+b）×H×0.5×1.5=3.14t4、摩擦力f的计算：
f=μ×T1=0.5×2.48=1.24t5、垂直稳定性校核：115例题33、土壤重量计算：115例题3
垂直稳定性合格6、水平稳定性校核116例题3116例题3土壤在1.5m深度下的抗压强度：117例题3土壤在1.5m深度下的抗压强度：117例题3
水平稳定性合格,该地锚合格。其各部分尺寸为：
L=1.5m；h=0.5m；
b=0.5m；H=1.5m118例题3118作业一、思考题：1、桅杆式起重机由哪些基本系统组成？各系统的作用是什么？2、桅杆式起重机分成哪两大类？3、桅杆式起重机有哪些基本工作形式？这些工作形式各适用于哪些场合？4、确定桅杆长度时需考虑哪些问题？5、桅杆的破坏特性是什么？119作业一、思考题：119作业6、对钢管式桅杆的截面加强应怎样做才合理？7、钢管式桅杆的截面选择有哪些基本方法？8、缆风绳的布置的基本方式有哪些？9、对缆风绳的布置有哪些基本要求？10、缆风绳适合选用哪种型号的钢丝绳？其安全系数不得小于多少？120作业6、对钢管式桅杆的截面加强应怎样做才合理？120作业11、能否对主、副缆风绳选用不同直径的钢丝绳？为什么？12、地锚的种类基本的有哪些？13、如采用建筑物做地锚，应做哪些工作？14、全埋式地锚的特点有哪些？适合哪些场合？15、活动式地锚的特点有哪些？适合哪些场合？121作业11、能否对主、副缆风绳选用不同直径的钢丝绳？1作业二、计算题：1、如图，采用一直立桅杆吊装一10t桥式起重机，已知设备（包括索、吊具）重为100KN，吊装高度为12m，设备高3m，跨度21m，门式刚架厂房，采用两套滑轮组对称吊装，试采用简便计算方法设计一钢管式桅杆。(假设缆风绳对桅杆产生的轴力为55KN)122作业二、计算题：122作业1图123作业1图123作业2、某工地采用倾斜桅杆吊装一设备，已知设备重50KN，设备几何尺寸为：长×宽×高=3×1.5×1.5，基础高（包括地脚螺栓）10m，请采用简便计算方法设计一钢管式桅杆，选择其缆风绳规格，分别设计一全埋式和一活动式地锚。（提示：在设计桅杆截面时，需先计算缆风绳等效拉力，可先按教材表2-5-1，假设桅杆截面，计算自重）。124作业2、某工地采用倾斜桅杆吊装一设备，已知设备重50K第四章桅杆式起重机
125第四章桅杆式起重机1第一节桅杆式起重机的基本结构与分类
一、基本结构
桅杆式起重机由金属结构、起升系统、稳定系统、动力系统组成。
1、金属结构包括：桅杆、基座及其附件组成。主要用来提供起升高度和幅度，并将被吊装设备或构件的重量传递到基础上。如图4-1
126第一节桅杆式起重机的基本结构与分类一、基本结构2图4-1桅杆金属结构127图4-1桅杆金属结构3图4-2桅杆头部结构128图4-2桅杆头部结构4图4-3(a)桅杆基座结构1129图4-3(a)桅杆基座结构15图4-3(b)桅杆基座结构2130图4-3(b)桅杆基座结构262、起升系统：主要作用是提升被吊装设备或构件，它主要由滑轮组、导向轮和钢丝绳等组成。3、稳定系统：主要作用是稳定桅杆，包括缆风绳、地锚等。
4、动力系统：为桅杆式起重机提供动力，常用的主要是电动卷扬机，也有液压装置。
1312、起升系统：主要作用是提升被吊装设备或构件，它主要由滑轮组二、分类
1、按桅杆结构形式分：桅杆可分为格构式和实腹式（一般为钢管）两类（如图4-1）。
2、按组合形式分：桅杆可分为单桅杆、双桅杆、人字桅杆、门式桅杆和动臂桅杆五类基本形式。
132二、分类8三、基本工作形式：
桅杆式起重机的基本工作形式有如下五种，其它工作形式可以认为是该基本形式的变化。1、直立单桅杆吊装，主要用于吊装桥式起重机、大型构件等（如图4-4）。
133三、基本工作形式：9如图4-4直立单桅杆吊装桥式起重机134如图4-4直立单桅杆吊装桥式起重机102、斜立人字桅杆（或单桅杆和门式桅杆）吊装。主要用于在建筑物上吊装小型设备或构件（如图4-5）吊装过程见动画11352、斜立人字桅杆11动画1斜立人字桅杆吊装过程136动画1斜立人字桅杆吊装过程123、双桅杆滑移抬吊。主要用于吊装大型塔、罐设备（如图4-6）。
4、扳倒法吊装，主要用于吊装大型塔架类构件（如图4-7）。5、动臂桅杆吊装，主要用于在某一范围内有大量中、小设备或构件的吊装。（如图4-8）。
1373、双桅杆滑移抬吊。主要用于吊装大型塔、罐设备（如图4-6）如图4-6双桅杆滑移抬吊138如图4-6双桅杆滑移抬吊14动画2
双桅杆滑移抬吊吊装过程139动画2双桅杆滑移抬吊吊装过程15图4-7扳倒法吊装140图4-7扳倒法吊装16动画3扳倒法吊装过程动画3扳倒法吊装过程141图4-8动臂桅杆吊装142图4-8动臂桅杆吊装18动画4动臂桅杆吊装过程动画4动臂桅杆吊装过程143第二节实腹式桅杆式起重机的设计与校验
桅杆的设计主要有两项任务，长度确定、截面选择。现分别讨论。一、
桅杆的长度确定确定桅杆长度时，可分直立和倾斜两种情况处理，实际上，直立是倾斜在倾角α为零的一种特殊情况，但为了更明确，仍分别论述。其它工作形式均可转化成上述两种情况处理。
144第二节实腹式桅杆式起重机的设计与校验桅杆的设计1、直立桅杆的长度选择应考虑如下问题：（1）工艺要求或现场环境要求被吊装设备或构件被吊起的最大高度。（2）被吊装设备或构件的高度。（3）吊索拴接方法及高度。（4）滑轮组的最短极限距离。（5）工艺要求的腾空距离。（6）安全距离。（7）桅杆基础高度。如图4-9示，
1451、直立桅杆的长度选择应考虑如下问题：21图4-9直立桅杆长度计算图146图4-9直立桅杆长度计算图22图中：
h1—
设备就位高度，即工艺要求或现场环境要求被吊装设备或构件被吊起的最大高度。
h2
工艺要求的腾空距离。一般不小于300
h3
吊索和滑轮组在铅垂线上的投影，对于的确定，必须考虑：
147图中：23
①吊索的捆绑长度，必须根据施工实际情况确定，其原则是方便工人施工。
②滑轮组的最短极限距离和一定的安全裕度，安全裕度一般取为500，滑轮组的最短极限距离可查表。③滑轮组的偏角（与铅垂线的夹角）
h4——
桅杆头部长度，一般取为500
148
①吊索的捆绑长度，必须根据施工实际情况确定，其原则是方桅杆总长为：L=h1+h2+h3+h4对于桅杆总长的最后确定，还必须注意：①计算出的L值，必须考虑一个安全裕度，一般为500
②桅杆计算长度必须向大的方向圆整，以便于施工。③如果桅杆基础较高，则应减去基础高度，如果基础高度不大，而厂房高度又无严格限制，则可忽略基础高度。
149桅杆总长为：252、倾斜桅杆的长度计算倾斜桅杆的长度计算时，除了要考虑上述各项参数外，还要考虑被吊装设备或构件的几何尺寸、桅杆倾斜的角度、桅杆的直径等，进行投影关系计算和通过性能计算，取二者中的较大者为桅杆长度。如图4-10示。1502、倾斜桅杆的长度计算26图4-10倾斜桅杆长度计算图图中：桅杆有效长度为lh1—
基础高度h2—
腾空高度h3—
设备高度h4—
吊索高度h5—
滑轮组最短极限距离H6—吊环或捆绑绳长度
151图4-10倾斜桅杆长度计算图图中：27（1）按投影关系有：（2）按通过性能有：
152（1）按投影关系有：28
式中：
a—
设备外沿至桅杆轴线的距离，它包括：设备外沿至桅杆外沿的间距（不小于300）和桅杆的半径。
R——
设备半径。上述二者取较大者，并加一安全裕量后圆整，为桅杆的有效长度，再加上头部长度（一般为500），即为桅杆总长L。
153式中：29二、钢管式桅杆的截面选择与校核
1、破坏特点：（1）、细长压杆，其破坏形式是失稳破坏；（2）、所以在截面选择时，应按稳定条件选择。154二、钢管式桅杆的截面选择与校核302、设计方法与步骤（1）、设计方法：桅杆是受压形式是偏心压杆，即除了承受压力，还要承受偏心弯矩，计算时，应按压弯组合进行，但工程实际中，对于钢管式桅杆，为了简化计算，常将其简化成轴心受压进行计算，而将其许用应力减小。
1552、设计方法与步骤31
因此，对于实腹式桅杆式起重机，有两种设计计算方法：简便计算：将偏心压杆简化成轴心压杆进行计算，同时将许用应力降低200～300Kg/cm2精确计算：按压弯组合进行设计计算。实际上，工程实际中，为保证安全，不管按哪种方法进行设计计算，一般均将设计值控制在800Kg/cm2
～900Kg/cm2左右。156因此，对于实腹式桅杆式起重机，有两种设计计算（2）、设计步骤：①受力分析与计算，计算出桅杆的内力（轴力、弯矩），并画出内力图。②按经验初选截面。（或按教材附录初选）③计算初选截面的截面特性和长细比。④查表查出稳定折减系数。⑤按公式进行校核。如满足要求，选择完成，如不满足要求，重复上述过程。
157（2）、设计步骤：333、受力分析与内力计算受力分析简化如图4-11所示。（以倾斜桅杆为例）图中：
Q计—桅杆计算载荷，注意，应包括设备、索、吊具的重量。
S—跑绳拉力，可认为与桅杆平行。
T—缆风绳等效拉力。
G—桅杆自重1583、受力分析与内力计算34图4-11倾斜桅杆受力分析图α—桅杆与铅垂线的夹角β—缆风绳与水平面的夹角159图4-11倾斜桅杆受力分析图α—桅杆与铅垂线的夹角3（1）、载荷组合按照钢结构设计规范（GB50017—2003）的规定，对各类钢结构应按“极限概率状态”进行设计，其设计表达式为：
160（1）、载荷组合36式中：
γ0—结构重要性系数，对安全等级为一级、二级、三级的结构构件分别取不小于1.1、1.0、0.9，对于桅杆结构，取不小于1.1。
γG—“恒载荷”或“永久载荷”分项系数，在吊装工程中，取1.2。
γQ
—“活载荷”或“可变载荷”分项系数，在吊装工程中，取1.4。
161式中：37
—“恒载荷”或“永久载荷”标准值在桅杆结构截面或连接中产生的应力。
—“活载荷”或“可变载荷”标准值在桅杆结构截面或连接中产生的应力。
—钢材“强度设计值”，是钢材的屈服点（fy）除以抗力分项系数的商，对于Q235，
162—“恒载荷”或“永久载荷”标准值在桅杆结构截面或连
在吊装工程中，被吊装的设备或构件是运动的，滑轮组跑绳是运动的，缆风绳的拉力是随着被吊装的设备或构件的运动而改变的，所以被吊装的设备或构件的重量（包括索、吊具重量）、滑轮组跑绳拉力和缆风绳的拉力等是“活载荷”或“可变载荷”，由于在吊装过程中，桅杆不可避免地会因各种原因产生运动或振动，所以桅杆自重也可以偏安全地看成是“活载荷”或“可变载荷”，在计算桅杆内力时均应乘上1.4的分项系数。
163在吊装工程中，被吊装的设备或构件是运动的，滑轮组跑绳是
具体计算时应注意，滑轮组跑绳拉力和缆风绳的拉力既是选择滑轮组、钢丝绳和卷扬机的依据，又是设计桅杆截面的依据，在计算滑轮组跑绳拉力和缆风绳的拉力时，被吊装的设备或构件的重量（包括索、吊具重量）一般不应考虑“活载荷”或“可变载荷”分项系数，以免滑轮组、钢丝绳和卷扬机等选得过大，而在计算桅杆截面时，分别乘上。164具体计算时应注意，滑轮组跑绳拉力和缆风绳的拉力既是选（2）、载荷设计值计算
①、计算载荷设计值
②、滑轮组跑绳拉力设计值
165（2）、载荷设计值计算②、滑轮组跑绳拉力设计值41③、缆风绳的拉力设计值
④、桅杆自重设计值
166③、缆风绳的拉力设计值④、桅杆自重设计值42（3）、轴力计算设计桅杆截面时，一般需要计算桅杆的顶部、吊耳处、中部和底部轴力，令其分别为：
、、、
167（3）、轴力计算、、、43顶部轴力：吊耳处的轴力
式中：
l1—桅杆头部长度
168顶部轴力：吊耳处的轴力式中：l1—桅杆头部桅杆中部轴力
桅杆底部轴力
169桅杆中部轴力桅杆底部轴力45图4-12桅杆轴力图170图4-12桅杆轴力图46(2)、弯矩的计算可分别按各力单独作用于桅杆时产生的弯矩进行计算，然后叠加。具体过程为作业，请同学们自己做。注意：桅杆自重是均布载荷叠加后的弯矩图如图4-13171(2)、弯矩的计算47图4-13桅杆弯矩图172图4-13桅杆弯矩图484、截面初选（1）、按经验或按教材表附录5初选；（2）、查出：①截面面积F②最小惯性半径i③计算出长细比λ
1734、截面初选49式中：μ为两端支承系数，两端铰支：υ=1一端固定、一端自由：υ=2两端固定：υ=0.5一端固定、一端铰支：υ=0.7
一般，桅杆取为两端铰支。
174式中：μ为两端支承系数，50当：λ＜61时，小柔度杆，按强度进行计算。
λ≥61时，中、大柔度杆，按稳定条件进行计算。按λ查表，查出轴心受压折减系数
175当：λ＜61时，小柔度杆，按强度进行计算。515、截面校核：按简便计算法（轴心压杆）
式中：
A为许用应力减少量，一般取200～300Kg/cm2
NZ为桅杆中部轴力。1765、截面校核：52
上式如满足，设计结束；如不满足，重新初选截面，进行校核。实际工程中，设计值一般控制在800Kg/cm2
～1000Kg/cm2左右。如必须按压弯组合进行计算，其具体方法见格构式桅杆的校核。
177上式如满足，设计结束；如不满足，重新初选截面例题1
如图示，某工地采用倾斜桅杆吊装一设备，已知设备重（包括索、吊具）为50KN，外形尺寸为：长×宽×=6×3×2.5m，基础高6.5m，如假定缆风绳的等效拉力为20KN，请按简便法设计一根钢管式桅杆。178例题1如图示，某工地采用倾斜桅杆吊装一设17955解：一、确定桅杆长度1、按投影关系已知：h1=6.5mh2=0.3mh3=2.5m(1)、确定吊索长度h4吊索栓接方法设计如图示180解：56由图示几何关系知：h4=1.5m(2)、确定滑轮组长度h5
根据设备重量，选择H8×2G滑轮组，单跑头顺穿，查表，得其最短极限距离（钩到钩）为2000，考虑500安全距离，则：
h5=2.5m181由图示几何关系知：h4=1.5m57令：按投影长度求得的桅杆有效长度为：取为14m。182令：按投影长度求得的桅杆有效长度为：582、按通过性确定桅杆有效长度（假定桅杆直径为400）令：按通过性确定的桅杆有效长度为取为17.5m。1832、按通过性确定桅杆有效长度（假定桅杆直径为400）59两者比较，取桅杆有效长度为17.5m,加上桅杆头部长度500,则：桅杆总长
L=17.5+0.5=18.00m符合材料的出厂规格。184两者比较，取桅杆有效长度为17.5m,60二、桅杆的截面选择1、滑轮组跑绳拉力计算（1）、计算载荷
Q计
=K动×Q=1.1×50=55KN查表选H8×2G滑轮组，分支数为4，导向轮为2。查表，得载荷系数为：α=0.287则滑轮组的跑绳拉力S为:S=α×Q计
=0.287×55=15.8KN185二、桅杆的截面选择612、桅杆受力分析与计算（1）、桅杆受力分析如图示：查教材附录4，初选φ273×8的无缝钢管，其截面特性为：截面积F=66.7cm2惯性半径i=9.37cm自重:q=0.5228KN/m1862、桅杆受力分析与计算62（2）、载荷设计值计算：计算载荷设计值：
滑轮组跑绳拉力设计值：187（2）、载荷设计值计算：滑轮组跑绳拉力设计值：63缆风绳的拉力设计值：
桅杆自重设计值：188缆风绳的拉力设计值：桅杆自重设计值：64（3）、轴力计算顶部轴力：
吊耳处轴力：189（3）、轴力计算吊耳处轴力：65桅杆中部轴力：桅杆底部轴力：190桅杆中部轴力：桅杆底部轴力：66桅杆轴力图191桅杆轴力图673、截面校核（按简便算法）（1）、长细比计算：查表（教材附录5）得轴心压杆折减系数为：1923、截面校核（按简便算法）查表（教材附录5）得轴心压杆折减系（2）、截面校核：符合要求193（2）、截面校核：符合要求69第三节格构式桅杆的设计计算课程设计要用，要求自己看。194第三节格构式桅杆的设计计算课程设计要用，要求自己看。70第四节稳定系统的设计计算桅杆稳定系统包括缆风绳和地锚两大部分。一、缆风绳的设计计算：〈一〉、缆风绳的布置形式1、倾斜桅杆缆风绳的布置（图4-14）2、直立单桅杆缆风绳的布置（图4-15）3、直立双桅杆缆风绳的布置（图4-16）4、动臂桅杆缆风绳的布置（图4-17）195第四节稳定系统的设计计算桅杆稳定系统包括缆风绳和地锚两图4-14a倾斜桅杆缆风绳的布置(顶视图)
196图4-14a倾斜桅杆缆风绳的布置(顶视图)72图4-14b倾斜桅杆缆风绳的布置(立体图)图4-14b倾斜桅杆缆风绳的布置(立体图)197图4-15a直立单桅杆缆风绳的布置(顶视图)
198图4-15a直立单桅杆缆风绳的布置(顶视图)744-15b直立单桅杆缆风绳的布置(立体图)4-15b直立单桅杆缆风绳的布置(立体图)199图4-16a直立双桅杆缆风绳的布置(顶视图)
200图4-16a直立双桅杆缆风绳的布置(顶视图)76图4-16b直立双桅杆缆风绳的布置(立体图)图4-16b直立双桅杆缆风绳的布置(立体图)201图4-17a动臂桅杆缆风绳的布置(顶视图)
202图4-17a动臂桅杆缆风绳的布置(顶视图)78图4-17b动臂桅杆缆风绳的布置(立体图)图4-17b动臂桅杆缆风绳的布置(立体图)203〈二〉、缆风绳的设计计算：缆风绳拉力分“工作拉力”和“初拉力”两部分。1、初拉力
（1）、概念：指的是桅杆在没有工作时，缆风绳预先拉紧的力。它决定了桅杆头部在工作时偏移量的大小。204〈二〉、缆风绳的设计计算：80（2）、初拉力的确定①理论公式：见教材，目前不成熟。
②按经验公式进行。在大多数吊装精度要求不高的情况下，能满足要求。初拉力计算的经验公式：a、取主缆风绳的工作拉力的15%～20%。205（2）、初拉力的确定81b、
按钢丝绳的直径确定：
≤22mm时，T初=1吨
22mm＜
d≤37mm时，T初=3吨
d＞
37mm时，T初=5吨C、取钢丝绳的自重的50%～100%
最常用的是a。（按主缆风绳的工作拉力的百分比取初拉力）206b、
按钢丝绳的直径确定：822、工作拉力：
（1）、概念：桅杆式起重机在工作时，缆风绳所承担的载荷。（2）、特点：①布置方式较多；根据具体情况计算。②肯定有一根处在吊装平面内。（主缆风）
2072、工作拉力：83（3）、计算法则所有缆风绳的拉力转化为在吊装平面内的等效拉力T，因此，各力在这个垂直平面内形成平面汇交力系。根据力系平衡，可以计算出缆风绳的等效拉力T，然后，按一定比例将这个等效力T分配到各缆风绳上，即得到主缆风绳的工作拉力Tz。这个分配比例与缆风绳的工艺布置有关。可以查表。
208（3）、计算法则84（4）、计算过程如图4-14，缆风绳与水平面的夹角为β，规定：一般情况下：β≤300特殊情况下：β≤450209（4）、计算过程85根据力矩平衡，有：210根据力矩平衡，有：86主缆风绳工作拉力T工为：
T工=μ×T式中，μ为分配系数，根据缆风绳的布置形式，查表（教材表2-7-1，2-7-2）。主缆风绳总拉力Tz为：
Tz=T工+T初211主缆风绳工作拉力T工为：87（5）、缆风绳的选择所有缆风绳必须一律按主缆风绳的总拉力Tz选取。不允许：主缆风绳的受力大，选直径大的钢丝绳，其他缆风绳的受力小，选直径小的钢丝绳。212（5）、缆风绳的选择88例题2
试求例题1的缆风绳拉力，并选择缆风绳规格型号。（所有参数均取计算结果）。解：由例题1，已知：桅杆总长度：L=18m；有效长度:l=17.5m桅杆截面为:φ273×8;桅杆自重:G=52.28Kg/m×18=941Kg滑轮组跑绳拉力:S=1.58t计算载荷:Q计=5.5t213例题2试求例题1的缆风绳拉力，并选择缆风绳例题2吊耳偏心距：E2=300；缆风盘偏心距：E1=300。1、缆风绳布置：按5根布置；2、受力分析如例题2图示。214例题2吊耳偏心距：90例题23、有效拉力计算按公式：将数据代入公式得：
T=2.25t215例题23、有效拉力计算91例题24、主缆风绳工作拉力的确定：查表（教材表2-7-1）得：分配系数μ=0.828
则:主缆风绳工作拉力T工为:T工=μT=0.828×2.25=1.86t216例题24、主缆风绳工作拉力的确定：92例题25、主缆风绳初拉力的确定：按工作拉力的15%～20%取，太小，取为最小值T初=1t6、主缆风绳总拉力的确定：
T主=T工+T初
=1.86+1=2.86t217例题25、主缆风绳初拉力的确定：93例题27、主缆风绳的选择：查表（手册表2-15）选6×19+1，σb=1400MP钢丝绳，安全系数取3.5直径为φ15.58、其它缆风绳的选择：其它缆风绳一律与主缆风绳相同。218例题27、主缆风绳的选择：94二、地锚的计算1、作用：地锚的作用是固定缆风绳，将缆风绳的拉力传递到大地。以保持桅杆的稳定和正常工作。2、种类、目前常用的地锚种类有：全埋式、半埋式、活动式和利用建筑物数种。219二、地锚的计算953、全埋式地锚的设计计算
（1）、结构全埋式地锚是将横梁横卧在按一定要求挖好的坑底，将钢丝绳拴接在横梁上，并从坑前端的槽中引出，埋好后回填土壤并夯实即成。2203、全埋式地锚的设计计算96（2）、特点全埋式地锚可以承受较大的拉力，适合于重型吊装；须破坏地面，不适合用于地面已处理好，或地下埋有地下管、线的扩建工程；横梁材料不能再次使用，浪费较大；地锚强度的计算主要是验算其水平稳定性、垂直稳定性和横梁强度。221（2）、特点97（3）、垂直稳定性计算计算简图如图4-18示图4-18a全埋式地锚（剖面）222（3）、垂直稳定性计算图4-18a全埋式地锚（剖面）图4-18b全埋式地锚（立体图）图4-18b全埋式地锚（立体图）223图中：T—
缆风绳拉力，它可分解为水平分力T1，垂直分力T2；α—
缆风绳与地面夹角；B—
地锚的上口宽；b—
底部宽度；H—
地锚深度；L—横梁长度；224图中：100H—横梁高度；Ψ1—
土壤抗拔角；G—
土壤重量。在水平分力的作用下，横梁压紧在土壤上，当横梁在垂直分力的作用下有上拔趋势时，产生摩擦力f。
225H—横梁高度；101式中：μ为摩擦系数，一般取0.4～0.5垂直稳定性按下式校核:
式中：K为稳定安全系数，一般取
2～2.5
226式中：μ为摩擦系数，一般取0.4～0.5102（4）、水平稳定性计算计算简图如图4-18该项主要校核土壤的抗压能力。按下式进行：
式中：
为土壤在H深度的抗压强度。可按下式进行计算：
227（4）、水平稳定性计算103式中：γ
土壤
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