某廠房吊車梁選型計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

任 亞 麗

(軍事科學(xué)院國(guó)防工程研究院，北京 100036)

1 概述

吊車梁需承受移動(dòng)的吊車荷載，因此與一般的受彎構(gòu)件相比，吊車梁受力情況更加復(fù)雜。在進(jìn)行吊車梁選型時(shí)，我們需要考慮多種影響因素。通常情況下可以根據(jù)起重機(jī)的工作機(jī)制和吊車梁的跨度，來初步確定吊車梁是否需要設(shè)置輔助制動(dòng)結(jié)構(gòu)，但具體情況還需根據(jù)實(shí)際受力分析結(jié)果確定。

2 案例分析

2.1 工程概況

某大型多層廠房為鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，廠房?jī)?nèi)吊車梁為橋式吊車梁，有200 t和50 t兩臺(tái)吊車運(yùn)行，吊高為24 m，相鄰吊車梁跨度為7.5 m和15 m，設(shè)置制動(dòng)梁和制動(dòng)桁架兩種制動(dòng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，吊車梁工作級(jí)別為中級(jí)工作制A5級(jí)，鋼材類別應(yīng)選用Q345鋼材。起重重量為200 t，吊車最大輪壓為45 kN，單側(cè)輪數(shù)為8，吊車寬度為10.2 m；起重重量為50 t，吊車最大輪壓為45 kN,單側(cè)輪數(shù)為2，吊車寬度6.5 m。吊車梁選用焊接工字型鋼梁系統(tǒng)。

2.2 吊車梁的特點(diǎn)

為方便施工，本工程吊車梁按簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于吊車噸位大、跨度大、兩臺(tái)吊車作業(yè)，橫向水平剎車荷載較大，因此在吊車梁高度及制動(dòng)結(jié)構(gòu)選取時(shí)，需綜合考慮各方面的影響因素[2]。

1)本工程中吊車梁局部柱距分別為15 m和7.5 m，吊車梁高度不同。由于大部分的柱距為7.5 m，因此可將15 m柱距的吊車梁做成高度不等、腹板截面變化的梁。在設(shè)計(jì)變截面吊車梁時(shí)，15 m與7.5 m兩跨度差距大，吊車梁高度差值也大，故采用中間截面高度過渡，使吊車梁高度選取既滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性和撓度等方面的要求，又更加經(jīng)濟(jì)合理。

2)本工程中吊車噸位大、跨度大，為保證吊車梁的整體穩(wěn)定性，同時(shí)增加吊車梁的側(cè)向剛度，應(yīng)選擇合適的吊車梁制動(dòng)結(jié)構(gòu)。本工程中，7.5 m跨度擬采用制動(dòng)梁結(jié)構(gòu)，即吊車梁+制動(dòng)板+制動(dòng)邊梁(見圖1)；15 m跨度擬采用制動(dòng)桁架結(jié)構(gòu)，即吊車梁+制動(dòng)桁架+輔助桁架(水平支撐)(見圖2)。

3)本工程吊車起重量為200 t的中級(jí)工作制，在考慮其制動(dòng)板或制動(dòng)桁架的腹桿連接板與梁上翼緣間的連接時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮采用高強(qiáng)螺栓或鉚釘連接，且由于其焊縫等級(jí)要求高，還應(yīng)進(jìn)行疲勞計(jì)算。

2.3 PKPM吊車梁計(jì)算過程

設(shè)計(jì)鋼吊車梁時(shí)，應(yīng)在PKPM軟件組中使用鋼結(jié)構(gòu)工具箱的“吊車梁—工字型吊車梁”進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入設(shè)計(jì)工作[3]。由于本工程選用的起重機(jī)為非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，故在數(shù)據(jù)庫中無此起重機(jī)樣本，應(yīng)根據(jù)廠家提供樣本自己添加數(shù)據(jù)。本工程根據(jù)四川沱江的起重機(jī)公司提供的樣本，添加輸入起重機(jī)跨度、最大輪壓、最小輪壓、輪距等特性數(shù)據(jù)。

在PKPM中輸入吊車梁截面數(shù)據(jù)，可以按自己設(shè)計(jì)需求選擇，然后根據(jù)擬選定的吊車系統(tǒng)形式，輸入制動(dòng)板或制動(dòng)桁架數(shù)據(jù)，在輸入制動(dòng)結(jié)構(gòu)信息時(shí)，應(yīng)考慮制動(dòng)板的允許寬度，避免輸入數(shù)據(jù)錯(cuò)誤而反復(fù)計(jì)算。

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.1.1條規(guī)定:直接承受動(dòng)力荷載重復(fù)作用的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其連接，當(dāng)應(yīng)力變化的循環(huán)次數(shù)n≥5×104次時(shí)，應(yīng)進(jìn)行疲勞計(jì)算[1]。由于本工程為中級(jí)工作制A5級(jí)，起重重量為200 t，50 t兩臺(tái)，且循環(huán)次數(shù)大于規(guī)范要求，故應(yīng)考慮疲勞計(jì)算(如圖3所示)。

吊車數(shù)據(jù)全部輸完后，運(yùn)行PKPM軟件進(jìn)行吊車梁計(jì)算，最后輸出吊車梁計(jì)算書，輸出計(jì)算書時(shí)可選擇輸出文件類型(.doc或PDF)。

在PKPM軟件輸出文件中可看出計(jì)算結(jié)果有多個(gè)截面可以選取，而PKPM會(huì)選取最經(jīng)濟(jì)截面以供設(shè)計(jì)者參考(見圖4)。

本工程中PKPM軟件自動(dòng)選擇截面非整數(shù)，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)需求進(jìn)行選取和調(diào)整，然后返回PKPM吊車梁計(jì)算程序中進(jìn)行吊車梁截面驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果須均滿足規(guī)范要求，方可按此結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)。

2.4 制動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

制動(dòng)梁結(jié)構(gòu)由吊車梁+制動(dòng)板+制動(dòng)邊梁(槽鋼)組成，為滿足建筑需求，制動(dòng)板需兼做走道板，故應(yīng)采用防滑鋼板。制動(dòng)邊梁設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮水平荷載和豎向荷載雙向作用，即吊車橫向水平力和走道板活荷載2 kN/m2。故制動(dòng)邊梁應(yīng)按雙向受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)。

制動(dòng)桁架結(jié)構(gòu)由吊車梁+制動(dòng)桁架+輔助桁架(水平支撐)組成，輔助桁架承受荷載主要為自重荷載、人行走道活荷載2 kN/m2、吊車橫向剎車荷載及風(fēng)荷載作用[4]。由于輔助桁架是在豎直及水平荷載共同作用下的，因此在計(jì)算時(shí)，不僅其強(qiáng)度須滿足豎直及水平荷載共同作用下的強(qiáng)度要求，而且其撓度也必須同時(shí)滿足豎向及水平兩個(gè)方向撓度的要求。由于設(shè)有走道板，計(jì)算時(shí)還需要考慮豎向荷載產(chǎn)生的局部彎矩。

2.5 連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

1)吊車梁連接。

在本工程中，由于主廠房柱為混凝土格構(gòu)柱，而在吊車梁標(biāo)高以上此柱變?yōu)閱蝹€(gè)圓鋼管混凝土柱，因此在上柱采取突出550寬的腹板，以便于吊車梁與上柱連接，此連接應(yīng)采用3M20高強(qiáng)螺栓。吊車梁下翼緣與柱的連接一般采用普通螺栓固定。吊車梁端部傳遞的荷載復(fù)雜，為水平剎車力、縱向風(fēng)荷載和縱向地震作用分別進(jìn)行組合計(jì)算，故吊車梁與吊車端部采用高強(qiáng)螺栓連接，螺栓間距要同時(shí)滿足構(gòu)造及計(jì)算要求。

2)制動(dòng)結(jié)構(gòu)的連接。

制動(dòng)板及制動(dòng)桁架與柱之間用M20高強(qiáng)螺栓連接；制動(dòng)板與吊車梁上翼緣連接采用直徑為M20高強(qiáng)螺栓連接,連接間距按計(jì)算結(jié)果選?。恢苿?dòng)桁架腹桿節(jié)點(diǎn)與吊車梁上翼緣采用M20高強(qiáng)螺栓連接。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題

通過以上工程實(shí)例分析，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下問題：

1)吊車梁截面選擇。

吊車梁跨度不一樣，為使柱頂標(biāo)高統(tǒng)一，柱頂標(biāo)高差距減小，吊車梁須做變截面。變截面的形式和高度應(yīng)綜合考慮，根據(jù)相鄰跨度的吊車梁高度進(jìn)行選擇，必要時(shí)可采取中間截面過渡，以防止變截面過高影響吊車梁受力。

2)吊車梁制動(dòng)結(jié)構(gòu)選取。

吊車梁制動(dòng)結(jié)構(gòu)包括制動(dòng)梁和制動(dòng)桁架。制動(dòng)系統(tǒng)的選取應(yīng)根據(jù)吊車跨度及起重機(jī)的起吊重量進(jìn)行選取。選取合適的制動(dòng)結(jié)構(gòu)不僅能滿足工作機(jī)制需求，而且能節(jié)約造價(jià)成本。

3)吊車梁疲勞計(jì)算。

在進(jìn)行疲勞計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮影響鋼吊車梁本身的結(jié)構(gòu)構(gòu)件形式，鋼材的力學(xué)性能以及其工作環(huán)境條件。對(duì)于不同的吊車梁，進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮吊車梁的支座形式、結(jié)構(gòu)形式、鋼材型號(hào)、跨度大小、支撐和連接形式、焊接形式以及吊車梁工作頻率等的影響。例如：對(duì)非焊接的構(gòu)件和連接，其應(yīng)力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位可不計(jì)算疲勞強(qiáng)度。而對(duì)于單個(gè)廠房來說，在疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮應(yīng)力幅值及應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的影響。

4 結(jié)語

在進(jìn)行吊車梁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)工程特點(diǎn)，充分考慮吊車系統(tǒng)各個(gè)組成部分的關(guān)系，利用PKPM計(jì)算軟件計(jì)算吊車梁。當(dāng)然，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把軟件作為輔助工具，更要根據(jù)自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，來判斷計(jì)算結(jié)果是否準(zhǔn)確，是否滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，這樣才能使吊車梁既能滿足規(guī)范要求又能經(jīng)濟(jì)合理。