固定式回轉(zhuǎn)起重機(jī)預(yù)埋件的設(shè)計(jì)

王雪松 銀長(zhǎng)海 李術(shù)霞 謝曉暉

大連華銳重工起重機(jī)有限公司 大連 116013

0 引言

固定式回轉(zhuǎn)起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)起重機(jī)）采用圓筒形法蘭通過(guò)預(yù)埋螺栓與混凝土基礎(chǔ)連接，作業(yè)區(qū)域?yàn)閳A環(huán)形，節(jié)省了起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)、起重機(jī)軌道和鋼軌預(yù)埋件，是一種經(jīng)濟(jì)型起重機(jī)。起重機(jī)的預(yù)埋件是整個(gè)工程項(xiàng)目的重要組成部分，上接起重機(jī)，下連混凝土基礎(chǔ)。一般會(huì)把預(yù)埋件的設(shè)計(jì)和供貨交由起重機(jī)廠家負(fù)責(zé)，而起重機(jī)相關(guān)規(guī)范及手冊(cè)卻很少找到關(guān)于預(yù)埋件設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性文件。根據(jù)土建設(shè)計(jì)資料，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用，提出一款起重機(jī)圓筒形法蘭預(yù)埋件的設(shè)計(jì)方法，其他類(lèi)型的預(yù)埋件，例如錨定、防風(fēng)系纜等，也可參照本文進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 預(yù)埋件設(shè)計(jì)條件

對(duì)預(yù)埋件進(jìn)行設(shè)計(jì)前，應(yīng)完成起重機(jī)的整體穩(wěn)定性計(jì)算，完全確定起重機(jī)的基礎(chǔ)載荷、圓筒形法蘭的最小厚度。需要在起重機(jī)計(jì)算提取的載荷為整機(jī)最大垂直載荷Ny、水平力Fx、相對(duì)于法蘭中心的水平扭轉(zhuǎn)力矩Mj及垂直彎矩Mck，以及圓筒外徑D和最小壁厚t。圓筒最小壁厚是指按強(qiáng)度計(jì)算的最小壁厚，可以是圓筒的實(shí)際設(shè)計(jì)壁厚，考慮剛度因素時(shí)，也可比實(shí)際設(shè)計(jì)壁厚略小。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程

2.1 極限彎矩的確定

預(yù)埋件的設(shè)計(jì)原則是當(dāng)法蘭上部圓筒屈服時(shí)，預(yù)埋件不發(fā)生破壞，因此預(yù)埋件的最大計(jì)算彎矩Mc即是能使圓筒屈服的最小彎矩，可表示為

式中：Wx為圓筒的截面系數(shù)，σs為圓筒材料的屈服強(qiáng)度。

2.2 預(yù)埋錨栓直徑和長(zhǎng)度的計(jì)算

錨栓的布置圖如圖1 所示，在法蘭上布置2 圈預(yù)埋螺栓，分布在半徑為P和Q的圓周上，法蘭的外徑和內(nèi)徑分別為R1和R4，每圈螺栓的個(gè)數(shù)為n，n為2 的倍數(shù)，每1/2 圈布置的螺栓個(gè)數(shù)為m，n＝2m。

圖1 預(yù)埋件布置圖

根據(jù)預(yù)埋法蘭的力矩平衡條件，圓筒的計(jì)算最大彎矩為

式中：M1為所有螺栓拉力的力矩，My為法蘭對(duì)混凝土壓力產(chǎn)生的力矩。

根據(jù)預(yù)埋法蘭垂直力的平衡條件，圓筒法蘭對(duì)混凝土的垂直壓力為

式中：N1為所有螺栓拉力的反力，Ny為整機(jī)最大垂直載荷。

在式(2)中，已知Mc，則所有螺栓拉力的力矩為

式中：M1為所有螺栓拉力產(chǎn)生的力矩，F(xiàn)i為Pi依次每個(gè)螺栓的拉力，m為每半圈螺栓的個(gè)數(shù)，Pi為依次每個(gè)法蘭外圈螺栓的到Mc中性軸的距離，Qi為依次每個(gè)法蘭內(nèi)圈螺栓的到Mc中性軸的距離。

設(shè)受壓區(qū)混凝土面積為圓環(huán)的一半，而另半圈的內(nèi)圈和外圈分別有m個(gè)預(yù)埋螺栓受拉，離O點(diǎn)最遠(yuǎn)距離為P的螺栓受拉力最大為F，其余螺栓受力分別為Fi＝Pi·F/P或Fi＝Qi·F/Q。根據(jù)法蘭受拉半圈螺栓分布的幾何位置，可得系數(shù)k1為

根據(jù)圖1 將受壓區(qū)分割成m個(gè)小塊，每個(gè)小塊的面積為Ac，每個(gè)混凝土小塊的平均壓應(yīng)力為σi，壓應(yīng)力合力點(diǎn)(即每個(gè)小塊面積的形心)距離圓環(huán)中心線的距離為L(zhǎng)i，則有法蘭對(duì)混凝土壓力產(chǎn)生力矩為

式中：P為法蘭外圈螺栓到Mc中性軸的最大距離，Q為法蘭內(nèi)圈螺栓中的到Mc中性軸的最大距離。

經(jīng)過(guò)上述過(guò)程的推導(dǎo)，式(2)演變?yōu)槭?10)，式(3)演變?yōu)槭?11)，即

在 式(10) 和 式(11) 中，k1、k2、k3、k4、Mc、Ny均為已知或可計(jì)算的，通過(guò)組成二元一次方程，可解出最大螺栓拉力F和混凝土小塊的面積Ac。根據(jù)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，通過(guò)F值可確定錨栓的直徑。預(yù)埋螺栓的實(shí)際錨固長(zhǎng)度為

式中：lab為錨栓的基本預(yù)埋長(zhǎng)度，ζaE、ζa為錨固系數(shù)。根據(jù)預(yù)埋螺栓的材料、混凝土材料及抗震等級(jí)，查11GB101-3《混凝土結(jié)構(gòu)施工圖 平面整體表示制圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖》可得。

2.3 確定法蘭圓環(huán)的尺寸

法蘭與混凝土的受壓區(qū)接觸面積必須達(dá)到m·Ac，才能保證混凝土的壓應(yīng)力不超過(guò)其許用壓應(yīng)力[fc]，根據(jù)圖1 可知，法蘭外徑為R1＝D/2+h，法蘭內(nèi)徑為R4＝D/2-h，則

其中的Ac由式(10)和式(11)可得，從而通過(guò)式(13)可解出h，根據(jù)圓筒外徑D解出R1和R4。

2.4 抗剪鍵的設(shè)計(jì)

由于圓筒法蘭的螺栓孔存在間隙，預(yù)埋螺栓不能承受法蘭面的水平載荷，需根據(jù)水平扭轉(zhuǎn)力矩Mj在法蘭下平面設(shè)置抗剪鍵。在法蘭下表面按直徑D圓周均布焊接4 個(gè)H 形鋼，Mj產(chǎn)生的圓周力通過(guò)H 形鋼傳遞到混凝土基礎(chǔ)，起重機(jī)圓筒法蘭水平力Fx和圓周力在H 形鋼表面產(chǎn)生的壓應(yīng)力應(yīng)小于混凝土許用壓應(yīng)力[fc]。

式中：Aj為1 個(gè)H 形鋼抗壓面積。

3 實(shí)例計(jì)算

本文以應(yīng)用在某電廠的25 t-37 m 固定式門(mén)座起重機(jī)實(shí)際計(jì)算為例（見(jiàn)圖2），對(duì)預(yù)埋件的設(shè)計(jì)進(jìn)行舉例說(shuō)明。該起重機(jī)通過(guò)如下的連接法蘭固定在碼頭面上。在某一載荷組合下，整機(jī)最大垂直載荷Ny＝4 337 kN、水平力Fx＝751 kN，相對(duì)于法蘭中心的水平扭轉(zhuǎn)力矩Mj＝4 934 kN·m、垂直彎矩Mck＝41 587 kN·m，以及圓筒外徑D＝3 600 mm 和最小壁厚t＝14 mm，預(yù)埋混凝土型號(hào)選C30，抗壓許用應(yīng)力fc＝14.3 MPa。

圖2 25t-37m 固定式門(mén)座起重機(jī)

3.1 極限彎矩的確定

根據(jù)圓筒外徑及壁厚、圓筒材料（Q355B，σs＝355 MPa），計(jì)算出使圓筒屈服的最小彎矩，即預(yù)埋件的最大計(jì)算彎矩Mc＝49 976 000 kN·mm。

3.2 預(yù)埋錨栓直徑和長(zhǎng)度的計(jì)算

根據(jù)已知數(shù)值，按式（5）計(jì)算出k1＝73 016 mm，按式（6）計(jì)算出k2＝286 307 N/mm，根據(jù)式（8）計(jì)算出22 個(gè)螺栓壓應(yīng)力之和為k3＝200.47 MPa，按式（9）計(jì)算出k4＝25.62。將式(10)、式(11)轉(zhuǎn)化為式(15)、式(16)，即

由式(15)、式(16)解出預(yù)埋螺栓的拉力F＝512 483 N，混凝土小塊的面積Ac＝43 856 mm2。根據(jù)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.4.1 節(jié)，Q355 材料的預(yù)埋螺栓的許用應(yīng)力為[σ]＝180 MPa，選取預(yù)埋螺栓直徑為M76，螺栓的計(jì)算應(yīng)力σ＝132 MPa，滿足要求。查11GB101-3《混凝土結(jié)構(gòu)施工圖 平面整體表示制圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖》，預(yù)埋螺栓的材料為Q355B，混凝土等級(jí)C30，抗震等級(jí)按一級(jí)，可得錨栓的基本預(yù)埋長(zhǎng)度lab＝29d，同時(shí)可查到錨固系數(shù)ζaE＝1.5，ζa＝0.6，預(yù)埋螺栓的實(shí)際錨固長(zhǎng)度laE為

3.3 確定法蘭圓環(huán)的尺寸的計(jì)算

按式（13）代入計(jì)算數(shù)據(jù)m＝22、Ac ＝43 856 mm2、D＝3 600 mm，解出h＝85 mm，即計(jì)算的最小法蘭外半徑R1min＝D/2+h=3 600/2+85 ＝1 885 mm，最大法蘭內(nèi)半徑R4max＝D/2-h＝3 600/2-85 ＝1 715 mm。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到預(yù)埋螺栓的扳手空間及布置定位塊的尺寸空間，實(shí)際設(shè)計(jì)取法蘭外半徑R1＝2 120 mm，法蘭內(nèi)半徑R4＝1 480 mm，法蘭的承壓面積大于m·Ac。

3.4 抗剪鍵的計(jì)算

根據(jù)整機(jī)的計(jì)算輸入載荷，水平力Fx＝751 kN、相對(duì)于法蘭中心的水平扭轉(zhuǎn)力矩Mj＝4 934 kN·m，抗壓許用應(yīng)力[fc]＝14.3 MPa，在法蘭圓周布置4 個(gè)抗剪H 形鋼，每個(gè)型鋼的最小抗壓面積

根據(jù)上式計(jì)算結(jié)果，可選取翼緣寬度125 mm，長(zhǎng)度210 mm 的H 形鋼，其抗壓面積26 250 mm2，保證最小抗剪受壓面積大于25 110 mm2。

4 結(jié)論

預(yù)埋件是固定式回轉(zhuǎn)起重機(jī)的根基，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，就是無(wú)法補(bǔ)救的巨大損失。通過(guò)上述的設(shè)計(jì)計(jì)算，能夠使設(shè)計(jì)人員熟悉預(yù)埋件設(shè)計(jì)的各個(gè)關(guān)鍵要素，做好起重機(jī)與混凝土基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)接口，使起重機(jī)與混凝土基礎(chǔ)安全銜接。