超大噸位超長(zhǎng)吊車梁設(shè)計(jì)處理技術(shù)

韓 冬 張旭彤 熊新宇

（機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450007）

1 引言

隨著國(guó)家加工制造業(yè)的不斷發(fā)展，重型及超重型設(shè)備需求的逐年增加，與之相應(yīng)的超大設(shè)備加工機(jī)械也應(yīng)運(yùn)而生，促使廠房朝著大跨度、大柱距、大噸位吊車的方向發(fā)展。然而國(guó)內(nèi)對(duì)重型廠房中大噸位大跨度的吊車梁體系開(kāi)展的研究較少，同時(shí)國(guó)內(nèi)尚無(wú)一本專用的規(guī)范做為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 工程概況

某項(xiàng)目聯(lián)合廠房所生產(chǎn)的構(gòu)件運(yùn)輸形式有兩種，一種通過(guò)廠房?jī)?nèi)900噸吊車運(yùn)輸行駛出廠房，駛進(jìn)海港中，由輪船進(jìn)行運(yùn)輸；一種通過(guò)拖車裝載駛?cè)肼短熳鳂I(yè)及產(chǎn)品發(fā)運(yùn)場(chǎng)地。為了滿足拖車行駛的轉(zhuǎn)彎半徑，臨近海港陸地上有一段柱距需要30米的凈空，因此該柱距于岸上部分采用18+33米。廠房外出海港部分33米超長(zhǎng)吊車梁采用箱型吊車梁。本文對(duì)這種超長(zhǎng)吊車梁截面的選取和計(jì)算、構(gòu)件穩(wěn)定性、節(jié)點(diǎn)部分細(xì)部計(jì)算以及有限元數(shù)值仿真進(jìn)行了詳細(xì)研究。

3 超大跨度箱型吊車梁設(shè)計(jì)

3.1 截面選型

大跨度吊車梁結(jié)構(gòu)形式主要有三種，即桁架式吊車梁、實(shí)腹式焊接工字型吊車梁和箱型吊車梁。在課題研究的過(guò)程中對(duì)這三種形式進(jìn)行了比較。

桁架式吊車梁在荷載和跨度都比較大時(shí)，桁架能充分利用材料達(dá)到經(jīng)濟(jì)效果，但桿件類型太多，施工質(zhì)量難以保證，又因該吊車梁在海邊，增大了防腐處理的難度。同時(shí)，在受力上桁架式吊車梁的水平剛度和豎向剛度較差。

如采用工字型截面吊車梁并設(shè)置輔助桁架、水平支撐、垂直支撐組成抗扭的空間系統(tǒng)，存在吊車梁高度太大、抗扭能力差等問(wèn)題。

綜合分析后，吊車梁的截面形式采用箱型截面。箱型吊車梁有較強(qiáng)的豎向剛度及抗扭剛度，在同樣荷載工況下所需梁高小于工字型等其他截面的吊車梁，能夠較好的依靠自身的剛度抵抗由橫向剎車力、軌道偏心及風(fēng)荷載所造成的扭矩，相比于其他的截面更為安全可靠。同時(shí)箱內(nèi)封閉，空氣不流通，不宜腐蝕，外形簡(jiǎn)單，方便防腐維修。箱型吊車梁的缺點(diǎn)是用鋼量較大，加工及安裝難度較大，焊接工作量非常大，焊接的殘余變形也很大，一旦變形量過(guò)大，在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)很可能無(wú)法安裝到位，而很大的自身剛度導(dǎo)致變形矯正非常困難。因此要求加工單位要具有相應(yīng)的施工經(jīng)驗(yàn)并事先制定好一套完整的加工、安裝及運(yùn)輸方案。本項(xiàng)目的箱型吊車梁總重將達(dá)200t左右，長(zhǎng)度為32.65m，這種等級(jí)的吊車梁一般無(wú)法一次運(yùn)輸安裝，應(yīng)在工廠分段制作運(yùn)輸。由于吊車梁位于海面上，安裝所需浮吊或者履帶吊的總起重量一般需要達(dá)到吊車梁的自重的2倍。

3.2 荷載與作用

作用在吊車梁上的荷載相對(duì)比較簡(jiǎn)單，主要荷載有吊車梁自重、吊車荷載和風(fēng)荷載。吊車梁自重一般的計(jì)算程序都會(huì)自動(dòng)考慮，露天跨的吊車共2臺(tái)，均為900t，吊車工作等級(jí)均為A5。基本風(fēng)壓0.65kN/m2，吊車梁軌頂標(biāo)高28m，風(fēng)壓高度系數(shù)取1.8。計(jì)算時(shí)考慮吊車豎向荷載和橫向剎車荷載，吊車荷載和風(fēng)荷載體型系數(shù)見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 400t+400t吊車輪壓布置圖（P=935kN）

圖2 風(fēng)荷載體型系數(shù)

3.3 箱型吊車梁計(jì)算

箱型吊車梁基本截面是由上下翼緣和兩片腹板組成，然后再根據(jù)需要和構(gòu)造加上各種構(gòu)件，如將吊車梁剪力傳遞給鋼柱的端板，保證腹板穩(wěn)定的縱向、橫向和短加勁肋，增強(qiáng)截面抗扭能力的剛性橫隔，以及將吊車梁輪壓可靠傳遞給鋼梁的傳力構(gòu)件。其中尤其重要的是傳力構(gòu)件的設(shè)置，原則是傳力直接可靠，強(qiáng)度及剛度滿足要求，且盡量少的產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。吊車梁鋼材全部采用Q345C，其中厚度超過(guò)40mm以上的板件采用Q345C（Z15）。采用手算確定截面、加勁肋、剛性橫隔及端板的尺寸和板厚，同時(shí)驗(yàn)算強(qiáng)度、變形及穩(wěn)定性。再利用某大型有限元軟件復(fù)核其強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定。根據(jù)荷載和跨度情況，經(jīng)過(guò)初步計(jì)算確定吊車梁高為4 000m，吊車梁兩腹板間距為2 600mm，上下翼緣均為80mm厚，腹板為40mm厚。

根據(jù)影響線法計(jì)算出箱型吊車的內(nèi)力見(jiàn)表1。

3.3.1 箱型吊車梁手算

由于目前沒(méi)有適合箱型梁的彎扭理論且便于手工計(jì)算的設(shè)計(jì)計(jì)算公式，所以箱型吊車梁的計(jì)算，基本上沿用按工字型簡(jiǎn)支梁受彎的計(jì)算公式乘以一定的彎扭系數(shù)的方法。經(jīng)手算計(jì)算出箱型吊車梁的強(qiáng)度、變形及穩(wěn)定，詳見(jiàn)表2。

表1 箱型吊車梁內(nèi)力組合值

表2 箱型吊車梁內(nèi)力組合值

故箱型截面簡(jiǎn)支吊車梁可不計(jì)算整體穩(wěn)定。

腹板的局部穩(wěn)定按照兩側(cè)為焊接工字型吊車梁進(jìn)行計(jì)算，縱橫加勁肋所要求的慣性矩按單側(cè)加勁肋計(jì)算，加勁肋按照構(gòu)造布置時(shí)與箱內(nèi)剛性抗扭橫隔相適應(yīng)，與此同時(shí)也設(shè)置了向外單側(cè)短的橫向加勁肋。

3.3.2 箱型吊車梁有限元數(shù)值分析

吊車梁的變形屬于彈性變形，應(yīng)用有限元軟件可以求出受荷后的應(yīng)力及變形，本項(xiàng)目采用某有限元軟件中的殼單元對(duì)吊車梁的各板件進(jìn)行模擬建立三維的有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖3 吊車梁模型

圖4 應(yīng)力云圖

圖5 豎向位移云圖

從圖4可以看到，吊車梁的最大應(yīng)力位置在吊車梁的中部，最大應(yīng)力值為217N/mm2，小于鋼材抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值250MPa。

從圖5可以看到，吊車梁的最大豎向位移發(fā)生在吊車梁的中部，最大豎向位移值為35mm，超出了L/1000=33mm，但基本滿足規(guī)范的變形要求。

3.3.3 手算與有限元模擬數(shù)值比較

經(jīng)過(guò)手算及有限元數(shù)值模擬，結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 手算與有限元數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

經(jīng)表3對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力分析上有限元模擬結(jié)果與手算結(jié)果相近，撓度值相差比較懸殊，但基本滿足規(guī)范要求，有限元計(jì)算撓度較大原因主要是由于支座的模擬與實(shí)際情況不完全相同，且吊車梁中部和吊車梁上翼緣未按實(shí)際情況進(jìn)行模擬施加約束造成撓度大于手算結(jié)果約百分之七十。

綜上所述，通過(guò)手算及有限元分析充分驗(yàn)證了本課題所設(shè)計(jì)的33米箱型吊車梁截面的合理性及安全性，為今后的大跨度吊車梁的設(shè)計(jì)提供了更加有利的理論及數(shù)值依據(jù)，間接創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)箱型吊車梁的理論及數(shù)值分析，可以得出大跨度箱型吊車梁的計(jì)算理論，即按工字型簡(jiǎn)支梁受彎的計(jì)算公式乘以一定的彎扭系數(shù)的方法是可行的。同時(shí)縱橫加勁肋、箱內(nèi)剛性抗扭橫隔、外部單側(cè)短加勁肋等一系列的構(gòu)造措施，經(jīng)分析對(duì)構(gòu)件的整體穩(wěn)定、截面抗扭起到了很好的效果。