超大噸位超長吊車梁設計處理技術

韓 冬 張旭彤 熊新宇

（機械工業第六設計研究院有限公司，河南 鄭州 450007）

1 引言

隨著國家加工制造業的不斷發展，重型及超重型設備需求的逐年增加，與之相應的超大設備加工機械也應運而生，促使廠房朝著大跨度、大柱距、大噸位吊車的方向發展。然而國內對重型廠房中大噸位大跨度的吊車梁體系開展的研究較少，同時國內尚無一本專用的規范做為結構設計依據。

2 工程概況

某項目聯合廠房所生產的構件運輸形式有兩種，一種通過廠房內900噸吊車運輸行駛出廠房，駛進海港中，由輪船進行運輸；一種通過拖車裝載駛入露天作業及產品發運場地。為了滿足拖車行駛的轉彎半徑，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米超長吊車梁采用箱型吊車梁。本文對這種超長吊車梁截面的選取和計算、構件穩定性、節點部分細部計算以及有限元數值仿真進行了詳細研究。

3 超大跨度箱型吊車梁設計

3.1 截面選型

大跨度吊車梁結構形式主要有三種，即桁架式吊車梁、實腹式焊接工字型吊車梁和箱型吊車梁。在課題研究的過程中對這三種形式進行了比較。

桁架式吊車梁在荷載和跨度都比較大時，桁架能充分利用材料達到經濟效果，但桿件類型太多，施工質量難以保證，又因該吊車梁在海邊，增大了防腐處理的難度。同時，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置輔助桁架、水平支撐、垂直支撐組成抗扭的空間系統，存在吊車梁高度太大、抗扭能力差等問題。

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、軌道偏心及風荷載所造成的扭矩，相比于其他的截面更為安全可靠。同時箱內封閉，空氣不流通，不宜腐蝕，外形簡單，方便防腐維修。箱型吊車梁的缺點是用鋼量較大，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，一旦變形量過大，在現場安裝時很可能無法安裝到位，而很大的自身剛度導致變形矯正非常困難。因此要求加工單位要具有相應的施工經驗并事先制定好一套完整的加工、安裝及運輸方案。本項目的箱型吊車梁總重將達200t左右，長度為32.65m，這種等級的吊車梁一般無法一次運輸安裝，應在工廠分段制作運輸。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比較簡單，主要荷載有吊車梁自重、吊車荷載和風荷載。吊車梁自重一般的計算程序都會自動考慮，露天跨的吊車共2臺，均為900t，吊車工作等級均為A5。基本風壓0.65kN/m2，吊車梁軌頂標高28m，風壓高度系數取1.8。計算時考慮吊車豎向荷載和橫向剎車荷載，吊車荷載和風荷載體型系數見圖1、圖2。

圖1 400t+400t吊車輪壓布置圖（P=935kN）

圖2 風荷載體型系數

3.3 箱型吊車梁計算

箱型吊車梁基本截面是由上下翼緣和兩片腹板組成，然后再根據需要和構造加上各種構件，如將吊車梁剪力傳遞給鋼柱的端板，保證腹板穩定的縱向、橫向和短加勁肋，增強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件。其中尤其重要的是傳力構件的設置，原則是傳力直接可靠，強度及剛度滿足要求，且盡量少的產生應力集中現象。吊車梁鋼材全部采用Q345C，其中厚度超過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，同時驗算強度、變形及穩定性。再利用某大型有限元軟件復核其強度、變形和穩定。根據荷載和跨度情況，經過初步計算確定吊車梁高為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。

根據影響線法計算出箱型吊車的內力見表1。

3.3.1 箱型吊車梁手算

由于目前沒有適合箱型梁的彎扭理論且便于手工計算的設計計算公式，所以箱型吊車梁的計算，基本上沿用按工字型簡支梁受彎的計算公式乘以一定的彎扭系數的方法。經手算計算出箱型吊車梁的強度、變形及穩定，詳見表2。

表1 箱型吊車梁內力組合值

表2 箱型吊車梁內力組合值

故箱型截面簡支吊車梁可不計算整體穩定。

腹板的局部穩定按照兩側為焊接工字型吊車梁進行計算，縱橫加勁肋所要求的慣性矩按單側加勁肋計算，加勁肋按照構造布置時與箱內剛性抗扭橫隔相適應，與此同時也設置了向外單側短的橫向加勁肋。

3.3.2 箱型吊車梁有限元數值分析

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

圖3 吊車梁模型

圖4 應力云圖

圖5 豎向位移云圖

從圖4可以看到，吊車梁的最大應力位置在吊車梁的中部，最大應力值為217N/mm2，小于鋼材抗彎強度設計值250MPa。

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

3.3.3 手算與有限元模擬數值比較

經過手算及有限元數值模擬，結果對比見表3。

表3 手算與有限元數值模擬結果對比

經表3對比可以發現，應力分析上有限元模擬結果與手算結果相近，撓度值相差比較懸殊，但基本滿足規范要求，有限元計算撓度較大原因主要是由于支座的模擬與實際情況不完全相同，且吊車梁中部和吊車梁上翼緣未按實際情況進行模擬施加約束造成撓度大于手算結果約百分之七十。

綜上所述，通過手算及有限元分析充分驗證了本課題所設計的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計提供了更加有利的理論及數值依據，間接創造了較大的經濟效益。

4 結論

通過對箱型吊車梁的理論及數值分析，可以得出大跨度箱型吊車梁的計算理論，即按工字型簡支梁受彎的計算公式乘以一定的彎扭系數的方法是可行的。同時縱橫加勁肋、箱內剛性抗扭橫隔、外部單側短加勁肋等一系列的構造措施，經分析對構件的整體穩定、截面抗扭起到了很好的效果。