Cần cẩu xây dựng: Các loại, cách chúng hoạt động, hướng dẫn lắp đặt và lịch sử

Cần cẩu xây dựng: Hướng dẫn đầy đủ

Cần cẩu xây dựng là xương sống của tòa nhà thẳng đứng hiện đại. Từ các khối văn phòng trung tầng đến các tòa nhà chọc trời siêu cao, không thiết bị nào khác có thể sánh được với sự kết hợp giữa tầm với, sức nâng và chiều cao hoạt động của cần trục tháp. Hướng dẫn này bao gồm mọi thứ từ lịch sử và phát minh của cần cẩu cho đến cách người vận hành đạt đến đỉnh cao, cách cung cấp năng lượng cho cần cẩu và cách chọn loại phù hợp cho một dự án nhất định.

Lịch sử của Cần Cẩu Tháp : Từ tời cổ đến người khổng lồ hiện đại

Lịch sử của cần cẩu tháp kéo dài xa hơn mức mà hầu hết mọi người nhận ra. Người Hy Lạp cổ đại đã phát triển cần cẩu cơ khí thực sự đầu tiên - trispastos — xung quanh 515 TCN , sử dụng hệ thống dây và ròng rọc đơn giản được hỗ trợ bởi sức người hoặc động vật. Những thiết bị đầu tiên này có thể nâng tải trọng khoảng 150 kg, đủ để định vị các khối đá được sử dụng trong xây dựng đền thờ.

Các kỹ sư La Mã đã mở rộng khái niệm này bằng polyspaston , một cần trục ròng rọc hỗn hợp có khả năng nâng tới 3.000 kg - một con số mà không có máy nâng di động nào có thể vượt qua cho đến cuộc Cách mạng Công nghiệp. Cần cẩu bánh lốp, phổ biến ở châu Âu thời trung cổ từ thế kỷ 12 trở đi, đã đưa ra khả năng quay bằng sức người thông qua một bánh xe gỗ lớn, cho phép xây dựng các thánh đường kiểu Gothic với những bức tường cao trên 30 mét.

Câu hỏi của ai đã phát minh ra cần cẩu ở dạng hiện đại thường được trả lời bằng hai tên. Kỹ sư người Scotland William Fairbairn đã thiết kế cần cẩu di chuyển chạy bằng hơi nước đầu tiên vào những năm 1840, làm thay đổi hoạt động của nhà máy đóng tàu và nhà kho. Tuy nhiên, cần cẩu tháp như được biết đến ngày nay - cần trục xoay gắn trên đỉnh cột thẳng đứng - được tiên phong bởi kỹ sư người Đức Hans Liebherr, người đã chế tạo cần trục tháp thương mại đầu tiên ở 1949 trong nỗ lực tái thiết nước Đức thời hậu chiến. Công ty của ông, Liebherr, vẫn là một trong những nhà sản xuất cần cẩu tháp lớn nhất thế giới cho đến ngày nay.

Các loại cần cẩu dùng trong xây dựng

Không phải tất cả cần cẩu xây dựng đều là cần cẩu tháp. Loại cần cẩu chính xác phụ thuộc vào phạm vi dự án, hạn chế về địa điểm, chiều cao nâng cần thiết và khả năng chịu tải. Các loại cần cẩu chính được sử dụng trên công trường bao gồm:

Cần cẩu tháp đầu búa

các cần cẩu tháp đầu búa — còn được gọi là cần trục quay trên hoặc cần trục yên ngựa — là hình thức được công nhận rộng rãi nhất. Nó có một cần ngang và một cần đối diện có chiều dài gần bằng nhau kéo dài từ một vòng xoay trung tâm trên đỉnh cột buồm, tạo cho nó hình chữ T đặc trưng có thể nhìn thấy trên các đường chân trời đô thị trên toàn thế giới. Xe đẩy di chuyển dọc theo cần trục để định vị tải ở bán kính thay đổi cho đến tầm với tối đa của cần trục, có thể vượt quá 80 mét trên các mô hình lớn. Cần cẩu đầu búa được ưa chuộng để xây dựng các tòa nhà cao tầng vì biểu đồ tải trọng có thể dự đoán được và hoạt động đơn giản trong không phận đông đúc.

Cần cẩu tháp đỉnh phẳng

các cần cẩu tháp đỉnh phẳng (cũng có mặt phẳng luffing hoặc mặt phẳng tự dựng, tùy thuộc vào biến thể) loại bỏ khung chữ A hoặc đỉnh truyền thống phía trên vòng xoay. Kết quả là hình dạng tổng thể thấp hơn, giúp giảm đáng kể khoảng cách tối thiểu cần thiết giữa các cần cẩu liền kề trên một địa điểm chật hẹp — lý do chính khiến thiết kế đỉnh phẳng chiếm ưu thế trong các dự án trung tâm thành phố, nơi nhiều cần cẩu tháp phải hoạt động gần nhau. Việc lắp ráp và tháo gỡ cũng nhanh hơn do không có cấu trúc khung trên cùng.

Cần cẩu tháp gắn trên đường ray

A cần cẩu tháp gắn trên đường ray di chuyển dọc theo một đường ray cố định đặt trên mặt đất, kết hợp tầm với thẳng đứng của cần trục tháp với khả năng di chuyển theo chiều ngang trên toàn bộ chiều dài của kết cấu. Cấu hình này đặc biệt hiệu quả trên các xưởng đóng tàu, cơ sở bê tông đúc sẵn và các dự án xây dựng tuyến tính như cầu cạn hoặc các tòa nhà công nghiệp dài. Khổ đường ray, khả năng chịu lực của đường ray và tốc độ di chuyển phải được thiết kế như một phần của kế hoạch địa điểm.

Cần cẩu tháp Luffing Jib

Khi ranh giới địa điểm hoặc các hạn chế về không phận ngăn không cho cần trục ngang lắc lư tự do, cần trục cần nâng sẽ nâng và hạ cần trục của nó theo hình vòng cung thay vì sử dụng xe đẩy di chuyển. Điều này làm giảm đáng kể bán kính quay cần thiết và cho phép vận hành an toàn bên cạnh các bức tường ranh giới, các cần cẩu khác hoặc hành lang không phận được bảo vệ — một yêu cầu chung ở các địa điểm hạn chế ở trung tâm thành phố.

Cần cẩu di động và cần cẩu bánh xích

Ngoài cần cẩu tháp, cần cẩu ống lồng di động (gắn trên xe tải) và cần cẩu bánh xích (bánh xe có bánh xích) xử lý các thang máy yêu cầu định vị lại giữa các cầu nâng hoặc rơi ra ngoài phạm vi của cần trục tháp. Cần trục di động là không thể thiếu trong quá trình tự lắp dựng cần trục tháp, nâng các phần cột và các bộ phận kết cấu vào vị trí trước khi cơ chế tự leo đảm nhiệm.

Các bộ phận của cần cẩu xây dựng

Hiểu các bộ phận chính của cần trục tháp sẽ làm rõ cách thức hoạt động của nó và cách mỗi bộ phận góp phần nâng hạ an toàn, hiệu quả.

• Cột buồm (tháp): các vertical steel lattice structure that gives the crane its height. Standard mast sections are typically Cao 3–6 mét và bắt vít hoặc ghim lại với nhau trong quá trình lắp dựng. Cột buồm chuyển tất cả tải trọng - bao gồm cả gió - xuống nền móng.
• Bộ phận xoay: Được lắp ở phía trên cột buồm, vòng bi có động cơ này cho phép toàn bộ cấu trúc phía trên xoay 360°. Động cơ và bánh răng quay thường có tốc độ quay 0,6–0,8 vòng/phút.
• Jib (tiếng cần cẩu): các horizontal working arm that extends outward from the slewing unit. The sự bùng nổ của cần cẩu mang theo xe đẩy và dây tời. Chiều dài cần trục thường dao động từ 40 đến 80 mét tùy theo kiểu máy.
• Phản đòn: các shorter rear arm that carries the counterweights — typically heavy concrete or steel blocks — to balance the load on the working jib. Counterweight masses range from a few tonnes on small cranes to over 20 tonnes on large hammerhead models.
• Xe đẩy: Di chuyển theo chiều ngang dọc theo cần trục để thay đổi bán kính tải (khoảng cách từ tâm cột đến móc). Tốc độ xe đẩy thường dao động từ 20 đến 80 m/phút trên cần cẩu hiện đại.
• Khối móc và dây tời: các hook hangs from a steel wire rope wound onto the hoist drum. The hoist motor raises and lowers the load; hoist speeds commonly reach 60–120 m/min at single-line pull.
• Buồng cẩu tháp: các enclosed operator cabin, positioned at the top of the mast just below or alongside the slewing unit. The cabin cần cẩu tháp chứa tất cả các điều khiển vận hành, màn hình giám sát tải, chỉ số đo gió và thiết bị liên lạc. Hầu hết các xe taxi hiện đại đều có hệ thống kiểm soát khí hậu và chỗ ngồi tiện dụng để giảm sự mệt mỏi cho người vận hành trong những ca làm việc thường xuyên vượt quá 8 giờ.
• Khung leo (lồng leo thủy lực): các mechanism that allows the crane to grow with the building. A hydraulic ram pushes the upper crane structure upward by one mast section height, after which a new mast section is inserted below. This process — called "jumping" — can be completed in 2–4 hours by an experienced crew.
• Neo móng: các crane's base — either a concrete ballast cruciform or a cast-in foundation bolt cage anchored into the site's structural slab or a dedicated pad. Foundation design must account for the maximum overturning moment at full jib load and in maximum design wind conditions.

Cần cẩu hoạt động như thế nào

Cần cẩu tháp hoạt động bằng cách kết hợp ba chuyển động đồng thời - cẩu (nâng tải theo chiều dọc), xoay (xoay cần trục theo chiều ngang) và vận chuyển bằng xe đẩy (di chuyển tải trọng hướng tâm dọc theo cần trục) — để định vị tải trọng ở bất kỳ đâu trong phạm vi hoạt động của nó với độ chính xác đến từng milimet.

các physics underlying crane operation is moment balancing. The rated load capacity at any given radius is determined by the maximum allowable bending moment at the slewing ring — meaning a crane with a 6-tonne tip capacity at 60 metres radius may lift significantly more weight closer to the mast. This is expressed in the crane's load chart, which operators must consult before every pick.

Cần cẩu tháp hiện đại được trang bị Bộ hạn chế mô men tải (LML) và các thiết bị chống hai khối ngăn cản người vận hành vô tình vượt quá công suất định mức của cần trục hoặc đẩy khối móc vào kết cấu cần trục. Bộ truyền động tần số thay đổi (VFD) trên động cơ tời và động cơ xoay mang lại khả năng tăng tốc và giảm tốc mượt mà, giảm dao động tải và cải thiện thời gian chu kỳ.

Cần cẩu được cung cấp năng lượng như thế nào? Hầu như tất cả các cần cẩu tháp được sử dụng ngày nay đều được cấp điện thông qua cáp kéo hoặc kết nối cố định với bảng phân phối của địa điểm. Một cần cẩu đầu búa cỡ trung bình thường yêu cầu một 50–100 kVA nguồn điện ba pha. Hệ thống truyền động điện được ưu tiên hơn các lựa chọn thay thế thủy lực hoặc diesel cho các ứng dụng cần cẩu tháp vì hiệu quả sử dụng năng lượng, kiểm soát tốc độ chính xác và phù hợp với phanh tái tạo - nơi năng lượng từ việc giảm tải được đưa trở lại lưới điện.

Lắp dựng cần trục tháp: Cần cẩu được lắp dựng như thế nào

Việc lắp dựng cần cẩu tháp là một hoạt động được thực hiện theo trình tự chính xác, thường mất 1–3 ngày đối với cần trục đứng tiêu chuẩn, tùy thuộc vào kiểu máy và điều kiện tại địa điểm. Hiểu được quy trình sẽ làm rõ lý do tại sao việc lập kế hoạch lắp dựng lại quan trọng như bất kỳ giai đoạn nào khác của chương trình dự án.

1. Chuẩn bị nền tảng: Một khối neo bê tông - thường được gia cố bằng bu lông neo hoặc lồng bu lông chế tạo sẵn do nhà sản xuất cần cẩu chỉ định - được đổ xuống đất hoặc vào tấm kết cấu của tòa nhà trước nhiều tuần để cho phép bảo dưỡng đầy đủ.
2. Lắp ráp cơ sở cột buồm: các first mast sections are lowered onto the foundation bolts and plumbed precisely vertical using a spirit level or digital inclinometer. Deviation tolerance is typically less than 1 mm per metre of mast height.
3. Lắp đặt khung leo núi: các hydraulic climbing cage is fitted around the mast at the base of the upper structure, ready to lift each new section into position.
4. Lắp ráp bộ phận xoay, cabin và cần trục: Cần cẩu di động nâng vòng xoay, buồng lái, cần trục (đã lắp đối trọng) và sau đó các phần cần trục vào đúng vị trí. Cần trục được lắp ráp trên mặt đất và được nâng lên thành một khối hoặc từng phần tùy thuộc vào chiều dài của nó.
5. Reeving và vận hành: các hoist rope is threaded through the trolley and hook block, all electrical connections are made, and the crane undergoes function testing, load testing, and safety system verification before the handover certificate is issued.

Khi tòa nhà mọc lên, cần cẩu cũng lớn lên cùng với nó thông qua quá trình tự leo (nhảy) : thanh truyền động thủy lực mở rộng, cấu trúc phía trên được giữ trên các chốt leo trong khi phần cột mới được trượt vào vị trí bên dưới và cần trục được hạ xuống phần mới. Chu kỳ này lặp lại sau mỗi vài tầng, thường là bất cứ khi nào kết cấu tòa nhà vượt quá chiều cao móc đứng tự do của cần trục.

Chiều cao của cần cẩu và cần cẩu nặng bao nhiêu

các chiều cao của cần cẩu trên công trường xây dựng không cố định - nó tăng lên khi dự án tiến triển. Một cần cẩu tháp đứng tự do điển hình có thể đứng giữa 50 và 80 mét không gắn liền với kết cấu. Khi được neo vào tòa nhà đều đặn (thường là 20–30 mét cột buồm), cần trục có thể kéo dài đến vài trăm mét. Cần cẩu tháp cao nhất từng được sử dụng trong xây dựng đã đạt tới độ cao đứng tự do trên 100 mét , với chiều cao móc trên cần cẩu gắn liền vượt quá 300 mét trong các dự án tòa nhà chọc trời siêu cao.

các weight of a tower crane varies significantly with size and type. A compact self-erecting crane may weigh as little as 3–5 tấn , trong khi một con sếu đầu búa lớn có thể nặng hơn 200 tấn khi bao gồm tất cả các phần cột, đối trọng và các bộ phận cần trục. Dòng Liebherr EC-B và dòng Potain MDT — cả hai đều là sản phẩm của nhà sản xuất cần cẩu tháp phổ biến ở phân khúc trung bình trên thị trường — thường nặng từ 40 đến 120 tấn khi bố trí tại công trường.

Làm thế nào để người vận hành cần cẩu đạt đến đỉnh cao

Tiếp cận cabin cần trục tháp là một trong những khía cạnh ít được thảo luận nhưng rất thực tế trong hoạt động của cần trục. Làm thế nào để người điều khiển cần cẩu lên tới đỉnh cao? Ở hầu hết các cần cẩu tháp, việc tiếp cận được thực hiện thông qua một thang thẳng đứng cố định chạy bên trong hoặc dọc theo cột, với các bệ nghỉ cách đều nhau - thường là 6 mét một lần, tương ứng với các khớp nối của phần cột. Trên cần cẩu cao, người vận hành có thể leo lên 150–250 bậc trở lên vào đầu mỗi ca.

Một số cần cẩu tháp hiện đại, đặc biệt là trên các công trình kiến trúc rất cao hoặc ở các thị trường có tiêu chuẩn phúc lợi lao động cao, được trang bị một tời nâng người leo cột - một ô tô nhỏ có mái che di chuyển lên bên ngoài cột buồm, loại bỏ nhu cầu vật chất khi leo thang. Tuy nhiên, điều này làm tăng thêm chi phí và yêu cầu bảo trì bổ sung, vì vậy nhiều địa điểm — đặc biệt là ở các thị trường đang phát triển — tiếp tục dựa vào khả năng tiếp cận bằng thang.

Người vận hành thường dành toàn bộ ca làm việc - thông thường 8–10 giờ - trong cabin mà không hạ xuống. Bữa ăn, nước uống và trong một số trường hợp, thiết bị vệ sinh được mang đến khi bắt đầu ca làm việc hoặc được cung cấp qua dây tời trong một chiếc xô. Do đó, quản lý độ mỏi là một phần cốt lõi của việc lập kế hoạch vận hành cần trục có trách nhiệm.

Các nhà sản xuất cần cẩu tháp: Ai tạo ra cần cẩu xây dựng trên thế giới

các global market for tower cranes is served by a relatively small number of dominant manufacturers, though the competitive landscape has expanded significantly with the growth of Chinese production.

• Liebherr (Đức): Được coi là tên tuổi sáng lập của cần cẩu tháp hiện đại, sản xuất đầy đủ các loại từ mô hình tự dựng cho đến cần cẩu đầu búa hạng nặng với công suất đầu lên tới 64 tấn.
• Manitowoc / Potain (Pháp/Mỹ): Potain là thương hiệu cần cẩu tháp lớn nhất thế giới tính theo cơ sở lắp đặt, cung cấp các dòng cẩu tháp MDT đỉnh phẳng và MCT được sử dụng rộng rãi trên tất cả các thị trường lớn trên toàn cầu.
• Terex Comedil (Ý): Chuyên về cần cẩu đầu phẳng và cần trục, đặc biệt phổ biến ở thị trường Châu Âu và Úc.
• Wolffkran (Đức): Được biết đến với cần cẩu đầu búa hạng nặng và các mẫu cần cẩu công suất cao chuyên dụng cho các ứng dụng công nghiệp và cơ sở hạ tầng.
• XCMG, Zoomlion, SANY (Trung Quốc): Các nhà sản xuất có trụ sở tại Trung Quốc đã nhanh chóng mở rộng sự hiện diện của cần cẩu trên toàn cầu, đưa ra mức giá cạnh tranh cho tất cả các loại cần cẩu và hiện chiếm tỷ trọng đáng kể trong việc cung cấp cần cẩu mới ở Châu Á, Trung Đông và Châu Phi.

Khi lựa chọn nhà sản xuất cần cẩu tháp, đội mua sắm không chỉ nên đánh giá đơn giá mà còn Tính sẵn có của các bộ phận tại địa phương, phạm vi phủ sóng của mạng lưới dịch vụ, thời gian giao hàng cho các phần cột và giá trị bán lại — tất cả những điều này có thể ảnh hưởng đáng kể đến tổng chi phí sở hữu trong một dự án kéo dài nhiều năm.

Lập kế hoạch cần cẩu cao tầng: Cân nhắc cần cẩu trên công trường

Định vị một cần cẩu trên công trường - đặc biệt đối với một cần cẩu cao tầng ứng dụng - yêu cầu phân tích kỹ thuật tốt trước khi chạm đất. Các biến kế hoạch chính bao gồm:

• Phân tích độ bao phủ: các crane's jib must reach every point of the building footprint plus key laydown areas. For large or irregularly shaped buildings, multiple cranes may be required, demanding careful airspace coordination to prevent jib collision.
• Tích hợp cấu trúc: Đối với cần trục gắn trên các công trình cao tầng, các khung giằng phải được thiết kế thành bản vẽ kết cấu của tòa nhà ở cao độ sàn phù hợp. Mỗi dây buộc truyền tải trọng ngang vài trăm kilonewton vào khung tòa nhà.
• Leo nội bộ so với bên ngoài: Trên các tòa nhà siêu cao, cần cẩu thường được "nhảy" vào bên trong trục lõi của tòa nhà - cần trục nằm trong lõi thang máy và leo lên bằng cách sử dụng các bức tường lõi làm điểm neo. Điều này bảo vệ cần trục khỏi tải trọng gió cực lớn ở độ cao và tránh sự cần thiết của các giá đỡ bên ngoài trên mặt tiền tòa nhà.
• Lập kế hoạch tháo dỡ: Trên các tòa nhà cao tầng, cần cẩu không thể được tháo dỡ theo cách ngược lại. Thường cần phải có một "cần cẩu cứu hộ" nhỏ hơn hoặc một cần cẩu leo ​​ra khỏi cấu trúc mái nhà - một quá trình phải được lên kế hoạch ngay từ đầu.
• Giới hạn tốc độ gió: Cần cẩu tháp đã xác định tốc độ gió vận hành tối đa - thường 72 km/giờ (20 m/giây) - và xếp hạng gió không hoạt động xác định khi nào cần trục phải được để ở chế độ quay tự do để cần trục chịu gió. Ở những độ cao đáng kể, tốc độ gió luôn cao hơn so với mặt đất, khiến dữ liệu máy đo gió trở thành đầu vào vận hành quan trọng.

Những câu hỏi thường gặp về cần cẩu xây dựng

• Sự khác biệt giữa cần cẩu đầu búa và cần cẩu tháp đỉnh phẳng là gì?

  Cần cẩu đầu búa có cấu trúc khung chữ A hoặc đỉnh phía trên vòng quay để từ đó các dây treo đỡ cần trục. Cần cẩu đỉnh phẳng không có đỉnh như vậy - cần trục được hỗ trợ bởi cấu trúc dây cung bên trong - tạo cho nó một hình dạng tổng thể thấp hơn. Cần cẩu đỉnh phẳng được ưu tiên khi nhiều cần cẩu phải làm việc gần nhau vì các cần trục của chúng có thể vượt qua nhau ở độ cao chênh lệch thấp hơn.

• Cần cẩu tháp có thể cao bao nhiêu?

  Cần trục tháp đứng độc lập thường bị giới hạn ở khoảng cách 50–80 mét tùy thuộc vào kiểu máy và thiết kế nền móng. Khi được neo vào cấu trúc tòa nhà đều đặn, không có giới hạn trên thực tế nào được quy định bởi chính cần trục - cần cẩu trong các dự án siêu cao đã hoạt động ở độ cao móc vượt quá 600 mét so với mặt đất.

• Cần cẩu được vận hành như thế nào trên công trường?

  Cần cẩu tháp hầu như được cấp nguồn bằng điện, được kết nối với bảng phân phối của công trường thông qua một dây cáp kéo dài ra khi cần cẩu leo ​​lên. Yêu cầu cung cấp điện dao động từ khoảng 30 kVA đối với các mô hình tự lắp đặt nhỏ đến trên 200 kVA đối với cần cẩu đầu búa lớn có cần trục tốc độ cao.

• Mất bao lâu để lắp dựng cần trục tháp?

  Một cần cẩu tháp đứng tiêu chuẩn có thể được lắp dựng trong 1-3 ngày bởi đội ngũ có kinh nghiệm sử dụng cần cẩu di động, giả sử neo móng đã được đặt đúng chỗ. Các mô hình tự dựng với cần gấp có thể được thiết lập chỉ trong 20–30 phút một lần tại chỗ. Việc tháo rời mất một khoảng thời gian tương tự như khi lắp dựng.

• Ai đã phát minh ra cần cẩu tháp hiện đại?

  Hans Liebherr được ghi nhận là người đã chế tạo cần cẩu tháp hiện đại thành công về mặt thương mại đầu tiên vào năm 1949, được thiết kế để hỗ trợ việc tái thiết nhanh chóng các thành phố của Đức sau Thế chiến thứ hai. Thiết kế của ông — kết hợp cần trục xoay với cột buồm tự leo — đã thiết lập khuôn mẫu mà tất cả cần cẩu tháp sau này đều tuân theo.