鋼吊車梁改造驗算與加固處理方法

張 鑫，宿 檸，崔鐵剛

（1.東北電力設計院，吉林 長春 130021；2.國網吉林省電力有限公司培訓中心，長春 130022）

在工業(yè)廠房中，由于生產規(guī)模的擴大以及工藝的改造，經常遇到吊車升級，吊車噸位加大，原來的吊車梁無法滿足新增噸位的要求，承載能力不足或者是剛度不夠，就需要對原吊車梁進行加固處理，以達到新噸位的使用，鋼吊車梁加固的方法有很多，下面結合實際工程項目，對鋼吊車梁的實用方法做簡單分析。

1 工程概述

某核電站1，2號機組需進行發(fā)電機增容改造，發(fā)電機額定功率由目前的1000MW增容為1100 MW，發(fā)電機需要更換定子，由于新的定子質量增大，原設計的橋式吊車不能滿足定子吊裝要求，需要對核電常規(guī)島主廠房（UMA）的鋼結構吊車進行擴容改造。1、2號機組原設計是由外方設計院負責設計，廠房柱距為11m，吊車梁跨度為40.9m，鋼吊車梁材質為Q345，設計使用年限為40年。上面設1臺起重量為180／32t的吊車，兩個小車，小車的車輪最小間距為2560mm，其中廠房1～4軸有吊裝定子工況，吊車兩小車的最大輪壓分別為Pmax1＝495kN和Pmax2＝462kN，本次改造通過更換小車，吊車質量減輕約40t，需要吊裝新的發(fā)電機定子質量（含吊具等）410t。吊車梁已投產使用了8年，在日常生產中，各項強度指標，仍能夠滿足規(guī)范［1］要求，但在吊裝定子工況下，現(xiàn)吊車梁的承載力有可能不夠，必須對其進行重新核算與相應的加固處理。

2 吊車梁校核

2.1 吊車荷載計算

根據業(yè)主方提供的資料，只有原吊車梁施工的結構圖，沒有吊車廠家資料，吊車最大輪壓只能通過原設計采用的最大輪壓進行推算。根據吊車最大輪壓計算公式［2］：

式中：G、g、Q為吊車橋架自重，小車重和吊車起重量；Lk、d為橋架跨度和吊鉤至吊車軌道軸線的最小極限距離；n為吊車橋架的輪子總數。

圖1 最大彎矩的荷載布置圖

圖2 最大剪力的荷載布置圖

通過圖1和圖2的吊車輪壓布置，根據吊車最大輪壓，采用影響線法求此吊車梁承受的最不利內力如表1所示。

表1 內力計算結果

2.2 吊車梁截面幾何特性

由于吊車吊裝定子的工況只發(fā)生在1～4軸，荷載校核中只考慮吊車梁在1～4軸的截面大小，根據業(yè)主提供的外方設計圖紙，吊車梁截面如圖3所示，其中吊車梁截面尺寸單位為mm。據此求得吊車梁的截面幾何特性如表2所示。

2.3 吊車梁截面校核

根據內力計算結果（表1），梁的截面幾何特性值（表2），按照鋼結構設計規(guī)范［1］，對吊車梁進行強度、剛度、穩(wěn)定性等驗算，因吊車梁側面有制動體系，側向穩(wěn)定能夠滿足，故不計算梁的整體穩(wěn)定，計算結果如表3所示。

圖3 吊車梁截面

表2 吊車梁截面特性

由表3計算得知，吊車梁吊裝定子時的最大輪壓按照規(guī)范［1］進行驗算，其承載力、變形和局部穩(wěn)定都不能滿足使用要求，需要對鋼吊車梁進行加固處理。

表3 應力驗算結果

3 吊車梁加固處理方案

吊車梁加固方案主要有增大截面法、斜板支撐加固法、改變受力體系加固法、增加吊車間距法、采用CFRP（碳纖維板加固法）等［5］。

3.1 增大截面法

在本工程中，由于上翼緣板頂部有鋼軌道，采用增大截面在吊車梁上翼緣貼鋼板的做法，施工時候很不方便，因此不能采取此方法。增大截面的方法，還可以采用在原吊車梁下翼緣增加小工字型鋼梁的形式來擴大吊車梁截面的加固方案，吊車梁下翼緣和小鋼梁采用螺栓連接，加固形式如圖4所示。采用此加固方法，通常適用于結構僅翼緣處的正應力不滿足要求的情況，本工程中，腹板剪應力也不滿足設計要求，在支座節(jié)點處在翼緣下增加鋼梁顯然是做不到的，另外，采用增加小鋼梁和原吊車梁下翼緣螺栓連接，需要在橫截面上增加或擴孔等其他措施，常常會使原構件承載力的急劇下降，原結構為焊接時，應優(yōu)先采用焊接連接而不宜采用螺栓等其他連接形式［3］，所以，在方案選擇上，本工程優(yōu)先考慮在上翼緣下和下翼緣上新增豎向鋼板來實現(xiàn)，如圖5所示，其中新增豎向鋼板尺寸單位為mm。

3.2 斜板支撐加固法

吊車升級、鋼吊車梁承載能力不足，可采用在吊車梁下加斜撐，斜撐上端撐在吊車梁下翼緣，下端支于廠房主框架下柱的方法加固，使吊車梁由簡支梁變?yōu)檫B續(xù)梁，減小梁的應力和撓度。此方法是將一部分荷載直接分擔到了柱子上，這樣，勢必會增加柱子的彎矩，增加柱截面的配筋量，通過分析計算，原柱子自身的配筋量已不足，需要進行加固處理，所以，本工程采取本方法也是不適合的。

圖4 小鋼梁加固形式

圖5 新增豎向鋼板加固形式

3.3 增設支點法

從調整傳力路徑和結構體系的角度出發(fā)，改變結構的整體性能和受力狀況，從而達到加固的目的。通常采用增設支點法，使部分荷載通過支點，轉移到其它地方，改善結構的受力狀況。增設支點后，能夠大幅度地提高結構的承載能力，增強鋼結構的穩(wěn)定性，減少結構和構件的撓度。從結構受力分析看，不失為一種好的加固方法，加固效率比較高，但加固后的受力分析以及連接構造處理往往很復雜，對其它部位的結構使用功能可能有影響。對于本工程，如果增設支點，只能將荷載傳到地面上，但地面是地下室的頂板，梁板結構能否承受的了吊車梁傳來的荷載，仍是未知數，加上采用此辦法，對施工提出了很高的要求，在本工程加固中不采用。

3.4 增加吊車間距法和增加最小極限距離法

前面所述的基本方法都是通過增加截面或者加固的措施來實現(xiàn)的。如果不修改吊車梁截面將兩小車間距拉大也能達到要求，即將原來兩小車車輪最小間距的2560mm增加，根據影響線原理，作用在吊車梁上的彎矩和剪力相應降低，吊車梁的強度、撓度和穩(wěn)定性就可以滿足要求。采取此方法，受制于吊車廠家，應該由吊車廠家進行改造核算，能否實現(xiàn)得依據吊車廠家的核算結果，但可以提供給業(yè)主以供其參考；另外，還有增加最小極限距離法，此方法的基本理論，就是降低最大輪壓使其小于原吊車設計時使用的最大輪壓，以滿足新的荷載要求。在吊裝過程中，合理設計吊裝方案，避免小車走到極限位置，以免吊車軌道產生最大輪壓，通過核算，小車橫向走行位置距離極限位置大約3.0m，能夠滿足吊車軌道最大輪壓不大于原設計吊裝定子時候的最大輪壓P1＝660kN，P2＝638kN。

在本工程中，采用的主要方法按照新增豎向鋼板的加固方法實現(xiàn)，在上下翼緣各新增兩塊豎板為300mm×10mm，如圖5所示。經過重新驗算，加固后的吊車梁能滿足承載力、局部穩(wěn)定和變形要求。計算結果如表4所示。

表4 改造后內力計算結果

實際施工中，應該保證焊接質量，新增豎板和原吊車梁翼緣之問存在受力協(xié)調問題，特別是吊車在高負荷作業(yè)情況下，造成翼緣和豎板之間的剪應力很大，計算中，應考慮這種影響，同時輔以增加最小極限距離法。通過吊裝方案的優(yōu)化，盡量避免小車橫向走行到極限位置。

4 結論

本文針對鋼吊車梁的改造問題，系統(tǒng)地論述了吊車梁的計算分析；對吊車梁荷載增大致使其承載力不足的問題分析了幾種加固方法，確定其在本工程的實用性。

a.吊車梁加固方案有多種，主要有增大截面法、斜板支撐加固法、改變受力體系加固法、增加吊車間距法、采用CFRP等。各方案都有其實用性，應該根據工程特點，分析確定，做到經濟合理，節(jié)約投資，改造工期短，當地施工條件能夠實現(xiàn)。

b.本工程中，采取了新增豎向鋼板的加固方法，通過驗算，滿足了使用要求，同時，也應該注意在施工過程中的焊接質量控制。

c.在加固的過程中，同時采取增加最小極限距離法，通過吊裝方案的優(yōu)化，盡量避免小車橫向走行到極限位置，做到降低最大輪壓，間接達到加固目的。

［1］GB 50017—2003，鋼結構設計規(guī)范［S］.

［2］沈祖炎，陳以一，陳揚驥.房屋鋼結構設計［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社.2008

［3］CECS：77—01996，鋼結構加固技術規(guī)范［S］.

［4］郭寶琳，李國強，郭耀杰.鋼吊車梁的改造驗算及加固處理方法［J］.鋼結構，2006，21（1）：28－33.

［5］馮艷輝.鋼吊車梁的加固處理方法［J］.山西建筑，2008，34（3）：96－97.