直角突變支座的變截面鋼吊車梁設(shè)計(jì)及有限元分析

敖士楷

1.技術(shù)特點(diǎn)

鋼吊車梁支座處變截面可分為三類：直角突變型截面、圓弧過(guò)渡型截面和梯形過(guò)渡型截面，如圖1 所示。其中，梯形過(guò)渡型鋼吊車梁由于截面變化較平緩，實(shí)際使用較少。

圖1 鋼吊車梁支座處變截面示意圖

由于疲勞問(wèn)題的復(fù)雜性，重級(jí)、特重級(jí)工作制起重機(jī)的變截面吊車梁在變截面附近會(huì)產(chǎn)生疲勞裂縫。已有研究和實(shí)踐表明，圓弧過(guò)渡型變截面吊車梁支座處呈現(xiàn)雙向主拉應(yīng)力，容易在翼緣和腹板的連接焊縫處產(chǎn)生圓弧切向裂縫、在腹板區(qū)域產(chǎn)生圓弧徑向裂縫；而直角突變型支座處的應(yīng)力集中比圓弧過(guò)渡型小很多，抗疲勞性能更好。

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某試驗(yàn)器廠房2 軸～7 軸三跨的柱距分別為7m、6m、7m，柱上布置有一臺(tái)起重量為10t 的橋式偏軌起重機(jī)，跨度為10.0m，如圖2 所示。原設(shè)計(jì)中考慮到施工和安裝方便，鋼吊車梁選用了《鋼吊車梁》（08SG520-3）中GDL7.5-4（H600mm×350mm×250mm×6mm×16mm），通過(guò)修改構(gòu)件長(zhǎng)度滿足不等跨柱距的要求。實(shí)際施工過(guò)程中，由于起重機(jī)起吊高度的調(diào)整，已施工的牛腿高度滿足不了起重機(jī)運(yùn)行時(shí)上部的安全距離要求，因此對(duì)鋼吊車梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在吊車梁端頭支座處采用變截面設(shè)計(jì)，降低牛腿處的截面高度。

圖2 鋼吊車梁平面布置圖

根據(jù)廠家提供的吊車資料，起重機(jī)10t、跨度10.0m 的A5 級(jí)橋式偏軌起重機(jī)，主要參數(shù)為：起重機(jī)單側(cè)輪數(shù)為2 只，輪距2.0m，最大輪壓71.0kN，最小輪壓4.9kN，軌道型號(hào)為43kg/m。采用PKPM 二維設(shè)計(jì)模塊中的工字型吊車梁模塊進(jìn)行變截面吊車梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在鋼結(jié)構(gòu)加工時(shí)，6m 跨吊車梁可以根據(jù)7m 跨吊車梁截面減少1m 進(jìn)行生產(chǎn)，所以僅對(duì)7m跨吊車梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析[1]。

圖3 鋼吊車梁截面示意圖

鋼吊車梁截面在H600mm×350mm×250mm×6mm×16mm的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終的設(shè)計(jì)截面為：跨中H600mm×320mm×220mm×6mm×16mm，支座處H250mm×320mm×220mm×12mm×16mm，每間隔1m 設(shè)置一道橫向加勁肋，鋼材型號(hào)采用Q235B，如圖4 所示。

圖4 GDL7.0 鋼吊車梁結(jié)構(gòu)圖

計(jì)算結(jié)果中，吊車梁跨度與豎向撓度之比L/F=1103.960，由此可得，吊車梁最大撓度為6.34mm。

3.有限元計(jì)算分析

圖5 鋼吊車梁整體模型圖

為了更直觀地反映直角突變支座的變截面鋼吊車梁受力特性，運(yùn)用ABAQUS 有限元分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)的7.0m 跨變截面吊車梁進(jìn)行應(yīng)力分析。模型單元采用shell 殼單元，鋼材型號(hào)為Q235B，彈性模量為2.06e11Pa，屈服強(qiáng)度235e8Pa，泊松比取0.3[2]。

根據(jù)力學(xué)分析，起重機(jī)小車運(yùn)行到如圖6 所示位置處，吊車梁跨中彎矩最大。

圖6 模型簡(jiǎn)圖

圖7 荷載及支座布置圖

圖8 計(jì)算網(wǎng)格劃分圖

由圖9 中應(yīng)力圖可知，直角突變支座的變截面鋼吊車梁在跨中及支座變截面處的應(yīng)力較大，最大值為69.2MPa。在支座截面突變的端板與插入板的連接焊縫位置處，應(yīng)力集中比較嚴(yán)重，是出現(xiàn)疲勞裂縫的潛在位置。由圖10 可知，直角突變支座的變截面鋼吊車梁的最大撓度為5.89mm，與PKPM的設(shè)計(jì)結(jié)果十分接近，同時(shí)與普通吊車梁的受力變形也基本一致[3]。

圖9 應(yīng)力云圖（單位MPa）

圖10 變形云圖（單位mm）

4.構(gòu)造措施

鋼構(gòu)件的疲勞性能與其節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造措施密切相關(guān)。合理的變截面吊車梁支座節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，可以有效避免或降低腹板的雙向受拉狀態(tài)。根據(jù)文獻(xiàn)表明，對(duì)于直角突變支座變截面吊車梁，直角突變點(diǎn)轉(zhuǎn)角處由焊接產(chǎn)生的應(yīng)力，可以通過(guò)加焊角鋼解決，可增大插入板與端封板處的剛度，使應(yīng)力集中得到有效改善。梁端部下翼緣開槽插入腹板后焊接，下翼緣插入端點(diǎn)通過(guò)開止裂孔（孔壁需打磨光滑）也有效緩解了此端點(diǎn)的應(yīng)力集中。通過(guò)有效的構(gòu)造措施，能使直角突變支座變截面吊車梁受力合理，應(yīng)力變化平緩，無(wú)明顯的應(yīng)力集中區(qū)域[4～6]。

圖11 吊車梁現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

5.結(jié)語(yǔ)

吊車梁作為工業(yè)廠房中重要的受力構(gòu)件，采用變截面吊車梁不僅能滿足柱距不等跨的工藝條件，還能節(jié)省建造的經(jīng)濟(jì)成本[7]。本文分別通過(guò)PKPM 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件和ABAQUS 有限元分析軟件，對(duì)直角突變支座的變截面鋼吊車梁進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)和有限元分析，直角突變支座的變截面鋼吊車梁不僅制作簡(jiǎn)單，并且在截面變化處應(yīng)力變化較平緩，通過(guò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造措施能有效降低吊車梁變截面處因疲勞而產(chǎn)生的開裂現(xiàn)象。