鋼吊車梁承載力和穩(wěn)定性驗(yàn)算

施其福

(安徽馬鋼工程技術(shù)有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

1 工程概況

某煉鋼廠主廠房為單層兩跨鋼排架結(jié)構(gòu)(即BC，CD跨)，跨度分別為27.000 m和30.000 m，BC跨設(shè)有3臺(tái)A7級(jí)工作制橋式軟鉤吊車，額定起重量均為200 t，CD跨設(shè)有4臺(tái)A6級(jí)工作制橋式軟鉤吊車，額定起重量由南向北依次為125 t，50 t，125 t和50 t。除BC跨C列30.000 m梁為焊接雙腹壁箱形梁外，廠房其余所有吊車梁均為焊接Ⅰ形截面鋼吊車梁，廠房B，C，D列(05)軸～(17)軸線范圍吊車梁主要跨度分別為 12.000 m，15.000 m，18.000 m，21.000 m及24.000 m。廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按7度、Ⅱ類場地土進(jìn)行了抗震設(shè)防。

2 荷載及內(nèi)力計(jì)算

吊車梁主要承受豎向動(dòng)力荷載和吊車剎車時(shí)產(chǎn)生的水平剎車力，不僅需要滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求，還要具有足夠的疲勞強(qiáng)度，因此吊車梁需要較高的側(cè)向強(qiáng)度和剛度。針對該廠房吊車梁在服役期間出現(xiàn)的問題，選出一根受載最不利的吊車梁進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和疲勞驗(yàn)算。

該鋼吊車梁采用實(shí)腹式焊接工字形截面，鋼材選用Q345鋼材，吊車基本參數(shù)見表1，吊車梁的截面尺寸、吊車計(jì)算簡圖分別見圖 1，圖 2。

表1 吊車基本資料

圖1 吊車梁截面及其組成構(gòu)件

圖2 1，2吊車計(jì)算簡圖

制動(dòng)板上走道荷載為2.0 kN/mm2，制動(dòng)結(jié)構(gòu)上的積灰荷載為1.0 kN/mm2。計(jì)算吊車梁的豎向剪力時(shí)，應(yīng)考慮軌道和它的固定件、吊車制動(dòng)結(jié)構(gòu)、支撐系統(tǒng)以及吊車梁自重等影響，將近似地簡化求得的彎矩值和剪力值乘以自重影響系數(shù)βw。荷載設(shè)計(jì)值分項(xiàng)系數(shù) γQ=1.4，A6 級(jí)吊車的動(dòng)力系數(shù)取 1.1[1-4]。按照吊車廠家提供的數(shù)據(jù)，應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)可以計(jì)算出30 m吊車梁在移動(dòng)荷載作用下的最大內(nèi)力如下:

兩臺(tái)吊車時(shí):絕對最大豎向彎矩標(biāo)準(zhǔn)值Mxmax，k=14 921.1 kN·m，相應(yīng)的剪力標(biāo)準(zhǔn)值Vc，k=505.2 kN;絕對最大水平彎矩標(biāo)準(zhǔn)值Mymax，k=1 492.1 kN·m;支座的最大剪力標(biāo)準(zhǔn)值 Vmax，k=2 317.6 kN。

一臺(tái)吊車時(shí):絕對最大豎向彎矩標(biāo)準(zhǔn)值Mxmax，k=17 613.2 kN·m，相應(yīng)的剪力標(biāo)準(zhǔn)值 Vc，k=535.2 kN;絕對最大水平彎矩標(biāo)準(zhǔn)值Mymax，k=1 761.3 kN·m;支座的最大剪力標(biāo)準(zhǔn)值 Vmax，k=2 680.5 kN(以上計(jì)算的各標(biāo)準(zhǔn)值已考慮了動(dòng)力系數(shù)及自重影響系數(shù)，荷載設(shè)計(jì)值為標(biāo)準(zhǔn)值乘以荷載分項(xiàng)系數(shù)γQ)。

根據(jù)吊車梁的截面尺寸可知其截面特性為:

3 截面驗(yàn)算

3.1 強(qiáng)度驗(yàn)算

3.1.1 正應(yīng)力驗(yàn)算

上翼緣正應(yīng)力:

下翼緣正應(yīng)力:

3.1.2 剪應(yīng)力驗(yàn)算

一般截面剪應(yīng)力:

突緣支座截面處剪應(yīng)力:

其中，hw，tw分別為梁腹板的高度和厚度。

3.1.3 邊緣局部壓應(yīng)力驗(yàn)算

吊車梁軌道采用QU120，軌道高度hR=170 mm，翼緣高度hy=36 mm。

最大輪壓設(shè)計(jì)值:

則局部壓應(yīng)力:

其中，lz為集中荷載在腹板計(jì)算高度上邊緣的假設(shè)分布長度;φ為集中荷載增大系數(shù)，取值為1.35。

3.1.4 折算應(yīng)力驗(yàn)算

取跨中C截面上翼緣板與腹板交匯處:

因?yàn)棣液挺襝均為壓應(yīng)力，因此β取1.1，則:

3.2 穩(wěn)定性驗(yàn)算

3.2.1 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

因吊車梁的受壓翼緣板上設(shè)有制動(dòng)梁，吊車梁不會(huì)喪失整體穩(wěn)定性，故可不驗(yàn)算。

3.2.2 局部穩(wěn)定驗(yàn)算

由設(shè)計(jì)圖紙可知，此吊車梁設(shè)置了橫向加勁肋和縱向加勁肋以及短肋，需要對腹板區(qū)格的局部穩(wěn)定進(jìn)行驗(yàn)算。

圖3 截面設(shè)計(jì)圖

根據(jù)圖3可知:

經(jīng)求解:

則:

此處的彎矩最大，因此無需檢驗(yàn)其他區(qū)隔的穩(wěn)定性。

3.3 撓度驗(yàn)算

3.3.1 吊車梁的豎向撓度

3.3.2 水平作用下產(chǎn)生的撓度

其中，l為吊車梁跨度;E為鋼材結(jié)構(gòu)彈性模量值。

3.4 疲勞驗(yàn)算

重級(jí)工作制軟鉤吊車的吊車梁的欠載系數(shù)αf=0.8。

1)受拉翼緣與腹板連接焊縫附近腹板的主體金屬處(最大彎矩截面處)，此處金屬屬于第3類:

2)橫向加勁肋下端點(diǎn)附近腹板的主體金屬處，此處金屬屬于第4類:

3)下翼緣與腹板連接角焊縫處(角焊縫高度hf=10 mm)，此處金屬屬于第8類:

4)受拉翼緣板上螺栓孔附近的主體金屬處，此處金屬屬于第3類:

5)梁端突緣加勁肋與腹板連接角焊縫處(角焊縫高度hf=10 mm)，此處金屬屬于第8類:

4 結(jié)語

由于吊車梁承受很大的豎向動(dòng)力荷載和橫向水平荷載，設(shè)計(jì)分析時(shí)應(yīng)對其進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和疲勞驗(yàn)算。經(jīng)計(jì)算分析，該鋼吊車梁在強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及抗疲勞驗(yàn)算均符合相關(guān)要求。本文計(jì)算分析可以對類似工程起到一定的參考作用。

[1] 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》編委會(huì).鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊[M].第3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[2] 汪一駿.輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南(實(shí)例與圖集)[M].第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[3] 陳紹番，顧 強(qiáng).鋼結(jié)構(gòu)(上冊)鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)[M].第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[4] 龍馭球，包世華.結(jié)構(gòu)力學(xué)基本教程[M].第2版.北京:高等教育出版社，2007.