箱型吊车梁的计算与设计

箱型吊车梁的计算与设计

【摘要】由于箱型吊车梁的诸多优点，对于很多工程来说采用箱型吊车梁具有很大的作用。文章阐述了吊车梁的相关设计与计算问题。

【关键词】箱型吊车梁设计 计算

Abstract：With the many advantages of box pile crane beam, they will play an important role for many construction. In this paper, it will mainly introduce the crane beam relative design and calculating problem.

Key Words； box pile crane beam; design; calculating 引言

为了解决发电设备和石化容器超大件的运输，中国二重在江苏镇江建立了出海口基地。介绍了该出口基地工程采用相关软件对露天跨柱距50m，悬挑18m，承载2 台850t 吊车的箱型吊车梁进行有限元整体建模计算的过程和结果。

1、箱型吊车梁的特点

1.1受力好。箱型梁当一侧受荷时,全梁截面均参加工作,而梁是按双侧受荷设计的。受力性能比单梁好。

1.2刚度大。箱型梁具有很好的整体性及刚度,尤其是水平刚度远远超过工字型单梁。同时还具有很好的抗扭刚度,因而梁受吊车轨道偏心扭矩能够很好的抵抗。

1.3梁高低。在吊车荷载相同的条件下,比焊接工字吊车梁可以降低高度1/4-1/5,翼缘板厚度可以减薄30%一50%。

1.4制作易。箱型梁构造比较简单,共分上下盖板（翼缘板）、腹板、横隔板、加劲板等五个主件。在找到合理的装配、焊接工艺后,加工方便,制作一个箱型梁比制作二根普通焊接板梁可提高工效50%左右。

1.5用料省。箱型梁采用很大的梁宽,可降低梁高,节省了腹板的耗钢量,并提高了梁下的使用净空。同时箱型梁将走台板取消,以整块的盖板来代替,使之参加受力工作。故焊接箱型结构比焊接工字型梁结构,随着跨度吊车吨位的变化,大约可以节省钢材。

2、箱型吊车梁的设计

2.1选用箱型吊车梁的理由结合管坯连铸主厂房的具体条件和从多方案对比之后,认为全部采用箱型吊车梁是最佳方案,其主要理由如下：

（1）主厂房柱网布置是属于大跨度、大柱距的结构体系,厂房横向和纵向整体刚度相对小很多,再加上厂房柱又选用了刚度比较小的钢管硅柱,因此在厂房结构设计中能不考虑这些不利因素,做为设计必须采取措施解决管坯连铸厂一房结构的整体刚度问题,唯一的办法是全部采用抗弯抗扭整体性能最好的箱型吊车梁。经过厂房水平刚度的分析,比采用焊接工字吊车梁的厂房水平刚度增大约21.5%。

(2)由于管坯连铸主厂房的高度和吊车梁轨面高度相对地是属于比较低的,假如选用焊接工字梁必须高2.8m以上,上下翼缘板厚度约40mm以上,而箱型梁高仅为2.2m，翼缘板厚度仅为25mm,在感观上,不至于显得不舒服感和压抑感。在材料供应上,中厚板（a=25mm)容易解决,而且便于制作,否则a=40mm须从国外进口。

(3)箱型吊车梁由于刚度大,受力性能好,避免了和减小了轨道偏心引起的疲劳破坏,焊接工字梁和析架吊车梁是难以与之相比的,特别适应低合金高强度钢。因为从过去工程设计实践表明,如采用Q235钢设计的焊接工字型吊车梁,按现行的国内外钢结构设计规范规定,其强度、稳定、刚度三个设计指标,均刚好满足符合条件。而如改用Q345钢,其强度可以充分发挥,但稳定及刚度均满足不了要求。但如把Q345钢用在箱型吊车梁上,则箱型梁的强度、稳定、刚度三个指标刚好充分发挥并全符合要求。所以选用箱型吊车梁是合理的。在调查和收集有关箱型吊车梁试验研究资料基础上,经过研究和分析结果表明,其受力性能优于焊接工字梁,不仅具有很好的整体性和刚性,而且有强大的抗扭性和耐疲劳性能,在实际工程中经常在焊接工字梁上翼缘附近出现疲劳裂缝,而箱型吊车梁则很少有此现象。从实际已建成的重级工作制箱型吊车梁的调查,表明使用情况是可靠的。

3、箱型梁的计算和分析

箱型吊车梁的计算,以往基本上是用手工计算的方式验算强度、变形、稳定等。在管坯连铸主厂房的箱型梁的计算中,在用手工方法计算的同时,利用美国乔治亚理工学院开发的面向土木工程结构分析计算的有限元分析程序GTSTRUDL,在SUN/SPARC工作站上对箱型梁进行了分析并将分析结果与手工计算进行了比较。由于目前尚无一套适合梁的弯扭理论又便于手工计算的设计计算公式,所以箱型吊车梁的计算,基本上沿用按工字型简支梁受弯的计算公式乘以一定的弯扭系数的方法。这种方法大大简化了计算公式,经国内已完成的箱型梁试验结果是可靠的,并减少了计算工作量,经实践的检验偏于安全,但有较大的近似性,和实际工作情况有一定出入。现以中列柱26m跨箱型吊车梁为例,对其手工计算和GTSTRUDL程序分析进行比较。

3.1手工计算

（1）计算依据：钢结构设计规范（GBJ17-88）

(2)计算资料:中列柱吊车梁相邻两跨各有两台30T磁盘吊车,重级工作制,总重130T,小车重28T,最大轮压58T.吊车简图如图1所示。其主要材质采用SM50B

钢,中间横隔板及加劲板采用Q235钢,梁截面见图2

3.2计算原则

箱型吊车梁由上下翼缘和两片腹板组成基本截面，再根据需要和构造加上各种构件，比如将吊车梁剪力传递给钢柱的端板，保证腹板稳定的横向、纵向和短加劲肋，增强截面抗扭能力的刚性横隔，以及将吊车梁轮压可靠传递给钢梁的传力构件。其中尤其重要的是传力构件的设置，原则是传力直接可靠，强度及刚度满足要求，且尽量少的产生应力集中现象。

3.2.1在最大荷载作用下,验算跨中弯曲应力,并乘以1.05的系数,该系数是考虑到约束弯曲引起的法向应力和约束扭转法向应力的存在。考虑了该系数后,可免除了繁琐的扭转应力计算。

3.2.2用在最大荷载作用下产生的端部剪力,验算梁端剪应力,并乘以􀀂∃的系数。该系数是考虑了梁端约束扭转剪应力的附加系数。

以上二条简化原则并不全面,但能减少繁琐的数算,且偏于安全。在目前对箱型结构复杂受力尚未彻底研究清楚前,箱型梁的计算均采用以上系数,是为了设计上的简化且有较高的可靠性。这是经过工程实践证明了的,在电子计算机开发之前,国内均采用了简化手工计算方法。

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4、箱型吊车梁荷载组合(见表一)

4.1内力计算及强度验算结果

从表中对比中看出,按通常的手工计算,在强度计算时偏于安全,但刚度计算值

偏小,由于手工计算假定吊车水平制动力产生由下盖板平均分担,而下盖板又比上盖板截面略小,于是有下盖板正应力大于上盖板正应力的结果。而实际上由于水平制动力作用在轨道上,应该由上盖板承担大些,应力也应高些,有限元分析

的结果,反映了这种情况。手工计算腹板剪应力时,两侧的吊车在荷载同时对称作用在梁上,此时梁并不受扭,但手工计算时仍采用􀀂!的扭转影响系数。并且手工计算公式直接由工字型梁的计算公式得来。而剪应力的分布规律对工字型梁和箱型梁是不同的,因此手工计算的剪应力高于有限元分析。

中列柱的箱型吊车梁是将相邻的两跨吊车梁合成一根梁,在计算挠度时,假定每一跨两台吊车梁连在一起,都是最大起重量处于最不利位置,这样两跨共四台吊车同时作用,这样梁的截面尺寸主要是由挠度控制,从前面的计算结果看梁的应力并未达到强度的设计值。但是这样的吊车排列在实际生产中几乎不可能出现的。因此按这样的假定计算箱型梁挠度是否合理有待今后进一步研究。以上的分析比较为我们在设计箱型吊车梁提供了受力状况,并为计算箱型梁提供了实际参数。

结束语

我们在这样大面积采用箱型吊车梁还是首次,经过这次设计实践,证明在大柱距、大吨位吊车的厂房中选用箱型吊车梁,具有明显的优点和经济效益,必将在大型厂房中得到广泛应用,发挥其应有的效益。时程分析法是基于反应谱法更为有效的抗震计算方法，它能确切地了解结构在地震过程中的内力与位移随时间的反应，通过将建筑物作为弹性或者弹塑性振动系统，直接输入地面地震加速度记录，对运动方程直接积分，从而获得计算系统各质点的位移、速度、加速度等的时程变化曲线，因此这种方法更能准确

而完整地反映出结构在地震作用下的全过程这次我们采用了美国乔治亚理工学院开发的GTSTRUDL程序,分析结果是比较精确的,考虑的计算因素是比较全面的,比手工计算准确得多,表明目前国内采用的手工计算方法偏于安全和保守。今后应该利用现代化的软、硬件工具,将设计计算水平提高一步。但目前手工计算有时还会用到,使用多年的箱型吊车梁简化手工计算方法,尚有改进的余地,因此在计算中根据不同的部位、不同情况,采取多个扭转影响系数,也应进行探讨、研究和改进。

参考文献

【1】GB 50009-2001建筑结构荷载规范（2006 版）[S].

【2】GB50017-2003钢结构设计规范[S].

【3】赵熙元武人岱等钢结构设计手册[M].北京：冶金工业出版社，1995

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。