某廠房吊車起重量升級(jí)可行性分析

劉 婷 （中鐵建安工程設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710061）

單層工業(yè)廠房是國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)采用最為廣泛的結(jié)構(gòu)，其可靠性和安全性直接關(guān)系到日常生產(chǎn)的順利進(jìn)行。近年來伴隨著我國工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展、企業(yè)生產(chǎn)工藝的改進(jìn)以及生產(chǎn)設(shè)備的更新，廠房吊車噸位的提升已成為企業(yè)發(fā)展不可避免的需求[1]。廠房吊車升級(jí)后引起的吊車荷載增加，對廠房結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及廠房整體可靠性的影響不可忽略，因此，需要對此類廠房進(jìn)行可靠性鑒定，以確定其可靠性和安全性滿足規(guī)范要求[2]。

1 工程概況

該項(xiàng)目建筑結(jié)構(gòu)形式為兩連跨（A～B：20m+、B～C：20m）單層鋼結(jié)構(gòu)廠房，柱距為8.0m，兩跨均設(shè)有吊車，軌頂標(biāo)高均為6.0m。結(jié)構(gòu)形式為門式剛架結(jié)構(gòu)，剛架梁、柱、吊車梁均采用焊接H型鋼。屋面板及墻面板均為彩鋼板，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用冷彎薄壁C型檁條及墻梁，柱間支撐及屋面支撐均采用角鋼和槽鋼。

2 吊車升級(jí)內(nèi)容

在廠房A～B 跨及B～C 跨交1～12 軸區(qū)間內(nèi)原有5t吊車基礎(chǔ)上再各增加一臺(tái)7t吊車。原吊車及新增吊車參數(shù)見表1。

表1 原吊車及新增吊車參數(shù)

3 相關(guān)理論依據(jù)

3.1 受彎構(gòu)件的強(qiáng)度（鋼吊車梁）

3.1.1 在主平面內(nèi)受彎的實(shí)腹式構(gòu)件，其受彎強(qiáng)度應(yīng)按式（1）計(jì)算：

式中Mx、My為同一截面處繞x 軸和y 軸的彎矩設(shè)計(jì)值，N·mm,；Wnx、Wny為對x 軸和y 軸的凈截面模量，mm3；γx、γy為對主軸x、y的截面塑性發(fā)展系數(shù)；f為鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。

3.1.2 在主平面內(nèi)受彎的實(shí)腹式構(gòu)件，除考慮腹板屈曲后強(qiáng)度值外，其受剪強(qiáng)度應(yīng)按式（2）計(jì)算：

式中V為計(jì)算截面沿腹板平面作用的剪力設(shè)計(jì)值，N；S為計(jì)算剪應(yīng)力處以上（或以下）毛截面對中和軸的面積矩，mm3；I為構(gòu)件的毛截面慣性矩，mm4；tw為構(gòu)件的腹板厚度，mm；fv為鋼材抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。

3.1.3 除本標(biāo)準(zhǔn)[3]第6.2.1條所規(guī)定情況外，在最大剛度主平面內(nèi)受彎的構(gòu)件，其整體穩(wěn)定性應(yīng)按式（3）計(jì)算：

式中Mx為繞強(qiáng)軸作用的最大彎矩設(shè)計(jì)值，N·mm；Wx為按受壓最大纖維確定的梁毛截面模量，mm3；?b為梁的整體穩(wěn)定性系數(shù)；f為鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。

3.1.4 除本標(biāo)準(zhǔn)［3］第6.2.1 條所指情況外，在兩個(gè)主平面受彎的H 型鋼截面或工字型截面構(gòu)件，其整體穩(wěn)定性應(yīng)按式（4）計(jì)算：

式中Mx、My為同一截面處繞x 軸和y 軸的彎矩設(shè)計(jì)值，N·mm；Wx、Wy為按受壓最大纖維確定的對x 軸的穩(wěn)定計(jì)算截面模量和對y 軸的毛截面模量，mm3；?b為繞強(qiáng)軸彎曲所確定的梁整體穩(wěn)定系數(shù)；γy為對主軸y的截面塑性發(fā)展系數(shù)；f為鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。

3.2 鋼牛腿的計(jì)算

3.2.1 牛腿應(yīng)力的計(jì)算見式（5）式（6）：

式中M=F·e；σ為牛腿受彎強(qiáng)度，N/mm2；τv為牛腿受剪強(qiáng)度，N/mm2；F為作用到牛腿上集中力設(shè)計(jì)值，N；e為F到鋼柱翼緣距離，mm；W0為牛腿根部的凈截面模量，mm3；tw為構(gòu)件的腹板厚度，mm；hw為構(gòu)件的腹板高度，mm；f為鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；fv為鋼材抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。

3.2.2 牛腿與鋼柱連接焊縫計(jì)算

牛腿的上、下翼緣與鋼柱宜采用完全焊透的對接V形焊縫，此時(shí)焊縫與鋼材等強(qiáng)，因此不必計(jì)算。當(dāng)采用角焊縫時(shí)，其焊腳尺寸應(yīng)由計(jì)算求得：

式中M=F·e；Nt為按照彎矩等效計(jì)算的牛腿水平力，N；H為牛腿根部高度，mm；σt為垂直于焊縫長度方向的應(yīng)力，N/mm2；F為作用到牛腿上集中力設(shè)計(jì)值，N；e為F到鋼柱翼緣距離，mm；hw為角焊縫高度，mm；lw為角焊縫長度，mm；fwf為角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。

4 評估依據(jù)及復(fù)核內(nèi)容

4.1 評估依據(jù)

甲方提供的設(shè)計(jì)工程委托書及該工程設(shè)計(jì)合同要求的內(nèi)容，5t 及7t 單梁吊吊車樣本以及國家現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范、規(guī)程及規(guī)定。

4.2 復(fù)核內(nèi)容

選取吊車梁及牛腿進(jìn)行結(jié)構(gòu)復(fù)核。吊車升級(jí)后吊車輪壓引起的吊車梁作用效應(yīng)（彎矩、剪力）≤吊車梁所能承受的最大作用效應(yīng)（彎矩、剪力），則復(fù)核滿足，反之則不滿足。

5 吊車升級(jí)復(fù)核

5.1 吊車梁復(fù)核

因最大輪壓不能滿足要求，故對新增7t 吊車吊鉤橫向運(yùn)行范圍加以限定。

5.1.1 吊車自重引起的輪壓值計(jì)算：

式中Pmin為最小輪壓，kN；Pmax為最大輪壓，kN；n為每一吊車輪數(shù)；G為吊車起重量，kN；G0為吊車總質(zhì)量，kN。

由表1 中7t 吊車樣本可知：最大輪壓Pmax=60.1kN，最小輪壓Pmin=10.8kN。從而由式（9）計(jì)算可得吊車總質(zhì)量G0=7.18t，即71.8kN，則由吊車自重引起的輪壓為：P1=71.8kN/4=17.95kN。

5.1.2 限位后吊車輪壓引起的吊車梁作用效應(yīng)（彎矩、剪力）

現(xiàn)限定7t吊車吊鉤最大運(yùn)行范圍為兩端各距吊車端頭不小于4.25m的區(qū)間段內(nèi)（長度≤10m）如圖1所示。

圖1 7t吊車吊鉤最大運(yùn)行范圍

計(jì)算可得，在吊鉤限定運(yùn)行范圍內(nèi)的支座反力最大值RA=53.92kN、最小值RB=16.08kN。從而在吊鉤限定運(yùn)行范圍內(nèi)由吊車吊重引起的最大、最小輪壓分別為：Pmax=RA/n=26.96kN，Pmin=RB/n=8.04kN（n為吊車一側(cè)輪數(shù)）。

由《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）6.3.1條［4］可知，對懸掛吊車（包括電動(dòng)葫蘆）及工作級(jí)別A1～A5的軟鉤吊車，動(dòng)力系數(shù)可取1.05。

綜上所示，在吊鉤運(yùn)行10m范圍內(nèi)的最大輪壓Pmax=1.05×（P1+Pmax）=47.2kN，最小輪壓Pmin=1.05×（P1+Pmin）=27.3kN。經(jīng)PKPM 計(jì)算，可得該輪壓產(chǎn)生的吊車梁作用效應(yīng)（彎矩設(shè)計(jì)值、剪力設(shè)計(jì)值）分別為203.5kN·m、120.6kN。計(jì)算簡圖如圖2～圖4所示。

圖2 7t吊車示意圖及參數(shù)（單位：t、m）

圖3 7t吊車梁絕對最大豎向、水平彎矩（設(shè)計(jì)值）計(jì)算簡圖/mm

圖4 7t吊車梁絕對最大剪力（設(shè)計(jì)值）計(jì)算簡圖/mm

5.1.3 原設(shè)計(jì)吊車梁參數(shù)對比

由原設(shè)計(jì)中《吊車梁平面布置圖》可知，原廠房吊車梁選用型號(hào)為GDL7.5-2（Q235鋼），查圖集［5］得該吊車梁所能承受的最大彎矩、剪力設(shè)計(jì)值分別為277.7kN·m、157.5kN。綜上所述，原有吊車梁承受荷載標(biāo)準(zhǔn)值及設(shè)計(jì)值對比如表2所示。

表2 吊車梁承受荷載標(biāo)準(zhǔn)值及設(shè)計(jì)值對比

根據(jù)表2，可知在吊車升級(jí)后，在限定吊鉤及吊車運(yùn)行范圍的情況下，吊車輪壓引起的吊車梁作用效應(yīng)（彎矩、剪力）＜吊車梁所能承受的最大作用效應(yīng)（彎矩、剪力），原吊車梁滿足使用要求。

5.2 牛腿復(fù)核

由原設(shè)計(jì)圖可知，牛腿截面尺寸為h×b×tw×t=460×300mm×10mm×14mm（Q345-B，焊條E50），偏心距e=350mm。并且限制5t及7t吊車在滿載情況下不能同時(shí)出現(xiàn)在同跨或相鄰跨。

由PKPM鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算程序（版本為2021(V1.3.1)）計(jì)算7t 吊車作用下吊車梁復(fù)核可得，吊車最大輪壓傳至柱牛腿的反力為78.113kN。原設(shè)計(jì)GDL7.5-2 自重為571kg，P43 軌自重為43kg/m，廠房柱距為8m。則經(jīng)計(jì)算可得：吊車梁及軌道傳至牛腿的荷載為571kg+43kg/m×8m=915kg，考慮零星構(gòu)件荷載取915kg×1.05=960.75kg，恒載組合值960.75kg × 1.3=1249.0kg，即12.490kN。 從而牛腿所承受剪力V=78.113kN +12.490kN=90.603kN，偏心距e=350mm。牛腿截面及焊縫強(qiáng)度手算如圖5所示。

圖5 牛腿截面及焊縫強(qiáng)度計(jì)算

經(jīng)過計(jì)算得出牛腿在7t 吊車限位作用下，截面強(qiáng)度如表3所示。

表3 牛腿截面強(qiáng)度

根據(jù)表3 數(shù)據(jù)，吊車升級(jí)后，在限定吊鉤及吊車運(yùn)行范圍的情況下，牛腿所承受剪力作用效應(yīng)（正應(yīng)力、剪應(yīng)力）＜牛腿所能承受的最大作用效應(yīng)（正應(yīng)力、剪應(yīng)力），原牛腿滿足使用要求。

6 結(jié)語

由于吊車升級(jí)，原吊車梁上P24軌道需全部更換為P43軌道，且新增7t吊車吊鉤運(yùn)行范圍應(yīng)嚴(yán)格按照距吊車兩端均不小于4.25m使用，限位器由廠方自定。新增7t吊車后，如果考慮兩臺(tái)吊車同時(shí)并吊使用，且滿負(fù)荷最不利位置工作，新增吊車與原有吊車之間需采取吊車大車縱向限位措施［6］，與原5t吊車須離開一個(gè)柱距運(yùn)行。這樣在滿足新的工業(yè)生產(chǎn)流程及設(shè)備產(chǎn)品要求的情況下，根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算實(shí)際，合理增加吊車限位措施，即可簡化吊車升級(jí)方案，降低升級(jí)改造成本，為老舊廠房生產(chǎn)工藝革新?lián)Q代及吊車升級(jí)改造提供了一個(gè)切實(shí)可行的參考方案。