鋼結構吊車梁正常使用極限狀態分析

李 志 剛

(中冶南方工程技術有限公司，湖北 武漢 430223)

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·結構·抗震·

鋼結構吊車梁正常使用極限狀態分析

李 志 剛

(中冶南方工程技術有限公司，湖北 武漢 430223)

針對鋼結構吊車梁的正常使用極限狀態，對相關規范的有關條款進行了詳細分析，在撓度、安裝精度、構造公差、運行公差等概念的基礎上，介紹了滿載運行公差的概念，提出了用于滿載運行公差控制的準則，建議將《起重機 車輪及大車和小車軌道公差 第一部分：總則》應用于吊車梁正常使用極限狀態的結構設計。

吊車梁，鋼結構，滿載運行公差，結構設計

單層工業廠房結構由排架柱子系統、吊車梁系統、屋蓋系統、墻架等系統組成,是為完成某項工業生產目標而設計的工廠建筑產品。其中吊車梁系統直接擔負廠房的重要設備——起重機，是重要的結構構件。吊車梁的正常使用極限狀態，在目前結構設計中，按《鋼結構設計規范》控制。詳見其附錄A.1.1條“受彎構件的允許撓度值”規定：吊車梁豎向撓度，輕級工作制L/800，中級工作制L/1 000，重級工作制L/1 200。隨著時代發展，廠房柱網越來越大，吊車起重量越來越大，這個指標作為控制值已經不能完全滿足時代發展的要求。某些工程投入使用后，有情況反饋吊車通行時噪聲較大、大車輪啃軌、走行不暢。類似現象多出現在廠房抽柱處，在非抽柱處少有發生。

1 問題的提出

某車間廠房局部布置如下：BC跨的跨度24 m；該跨布置兩臺180/50 t吊車；廠房基本柱距12 m：在B列為…12 m,24 m,12 m…，在C列為…12 m,12 m,12 m,12 m…。

吊車荷載資料按吊車廠家的設備資料：180/50 t吊車，Lk=21 m，起重機總重315 t(其中小車重100 t)，吊車適配軌道QU120。

吊車梁系統采用鋼結構；吊車梁為焊接H形；水平制動系統采用制動梁，寬度3 m，兼做走道板(t=8)；板邊設置安全防護欄桿，按國標02(03)J401選擇JG 2—12；軌道按設備要求為QU120；壓軌器按JB/T 10543軌道固定裝置選擇WJK8。

吊車梁系統永久荷載：走道板自重0.8 kN/m2，欄桿0.15 kN/m，軌道1.18 kN/m，壓軌器0.1 kN/m。

吊車梁系統可變荷載：走道板灰荷載0.5 kN/m2，行人荷載2 kN/m2，吊車梁系統吊掛工藝管道管線荷載10 kN/m。

由以上條件計算得：吊車梁均布線荷載(永久荷載)為2.63 kN/m，均布線荷載(可變荷載)為8.75 kN/m。

進而計算得：24 m跨附加彎矩標準組合為819 kN·m，附加彎矩基本組合為1 109 kN·m。

12 m跨附加彎矩標準組合為205 kN·m，附加彎矩基本組合為277 kN·m。

吊車梁自重由程序自動計算。

經軟件計算滿足現行《鋼結構設計規范》承載能力極限狀態、正常使用極限狀態的設計要求。但現場反饋，該吊車在抽柱處通行時噪聲較大、大車輪啃軌、走行不暢。鑒于起重機設備正常，初步判斷吊車梁撓度影響了起重機的正常使用。

2 吊車設備決定吊車梁的正常使用極限狀態

針對上述問題，筆者思考如下：吊車和汽車相類似，需要在相對平坦的路面運行，路面的平整度會影響其運行。通過查閱相關的起重機設備規范，在GB/T 10183.1—2010起重機 車輪及大車和小車軌道公差 第一部分：總則(以下簡稱《總則》)找到相關條款：軌道任一點處相應兩軌道頂面的高度差(即車輪與軌道接觸形成的平面)應在一定公差范圍內。

結構設計人員很少接觸專業外的其他規范，導致知識的某種缺失。筆者自問：廠房用來干什么，怎樣滿足使用的要求。這需要學習相關設備規范，了解設備運行條件，從本質上掌握結構的正常使用極限狀態。

1)各專業的規范從各自不同角度詮釋吊車梁的正常使用極限狀態。引述如下：

a.《總則》規定了吊車設備正常安裝及運行的軌道頂面標高要求。定義“在起重機投入運行之前，在新裝、改裝、重裝或維修組裝起重機期間，由起重機整機及其軌道的裝配產生的偏離規定尺寸的允許量值”為構造公差，按其表2，規定軌道頂面構造公差E(軌道任一點處相應兩軌道頂面的高度差)為0.5S/1 000，極限值±5 mm。定義“由于起重機的使用，致使起重機和軌道產生的偏離規定尺寸的允許量值”為運行公差，按其表7，規定軌道頂面運行公差Ew1(軌道任一點處相應兩軌道頂面的高度差)為±10 mm。

b.《鋼結構設計規范》的附錄A.1.1條“受彎構件的允許撓度值”。規定單個吊車梁豎向撓度，輕級工作制L/800，中級工作制L/1 000，重級工作制L/1 200。

c.《鋼結構工程施工質量驗收規范》(以下簡稱《驗收規范》)的附錄E.0.2條“鋼吊車梁安裝的允許偏差”。規定結構安裝時同跨間內同一橫截面吊車梁頂面標高差Δ，在支座處10 mm，其他處15 mm。

2)以上條款敘述的對象各不同，但又具有相關性、相似性，《總則》系設備規范，其關注點為軌道頂面標高的公差。《鋼結構設計規范》其關注點為吊車梁，從單個吊車梁撓度來考慮的。《驗收規范》聚焦在施工安裝階段，其關注點為吊車梁安裝標高差。解讀時應注意其區別與聯系。

a.軌道頂面標高與吊車梁頂面標高的關系。

起重機設備運行在以兩條軌道為基礎的一個水平面上，以雙邊軌道頂面標高差(即吊車梁頂面標高差)作為吊車正常安裝、運行的控制參數。軌道頂面標高公差與起重機設備安裝和運行直接關聯，它是正常使用極限狀態的直接要求。

吊車梁頂面標高是結構設計與施工的控制點。因為軌道自身剛度不大，其頂面標高由吊車梁決定，結構設計以吊車梁頂面標高為控制目標是可行的。

b.雙邊軌道頂面標高的“構造公差”。

軌道頂面形成吊車設備組裝的安裝工作臺，《總則》構造公差就是對這個工作臺的精度要求。 “標高差”是安裝公差與撓度變形的總和，其要求該公差在吊車空載時檢測確定。這表明：必須考慮吊車梁系統自重的撓度效應，在吊車設備開始組裝到完成組裝的整個過程中，考慮設備重量的撓度效應，以及吊車梁安裝公差。如果支座處存在安裝公差，則設計撓度限值可能還需要減小，換句話說，由于撓度的存在，必須嚴控支座處的安裝公差，最終要以構造公差限值作為評判標準。

《驗收規范》要求雙邊“吊車梁頂面”標高差的精度。屬性為安裝公差，它是吊車梁的安裝精度而不是軌道的安裝精度。本條款不要求考慮吊車荷載的作用，但同時內含一個條件：兩邊吊車梁在吊車梁系統自重作用時，其最大撓度差不得超過15 mm。

《總則》的“構造公差”與《驗收規范》吊車梁安裝精度的意義相輔相成又有所不同。都是對雙邊“吊車梁頂面”標高公差的要求，但《驗收規范》的要求低于《總則》，如僅滿足《驗收規范》要求的下限，在安裝軌道時則可能需要相應調整才能滿足《總則》要求。在結構設計說明中，宜指出軌道安裝應按《總則》執行。對于有經驗的營造商，在吊車梁安裝時按《總則》要求對吊車梁頂面標高作出控制，以避免在安裝軌道時的二次調整。

c.雙邊軌道頂面標高的“運行公差”。

起重機設備在軌道頂面的平面運行，《總則》運行公差就是對這個運行平臺的精度要求。同樣，“標高差”是安裝公差與撓度變形的總和，其要求該公差在吊車空載時檢測確定。設計時的思考方法參照本文2.2.2。

《鋼結構設計規范》要求在吊車滿載時最不利工況下的單邊吊車梁撓度。該條款從單邊吊車梁撓度來考慮，卻沒有將雙邊吊車梁允許變形共同考慮。

《總則》“運行公差”與《鋼結構設計規范》吊車梁撓度的意義有所不同但又有所關聯。“運行公差”是雙邊軌道頂面標高公差，通過計算雙邊吊車梁分別在吊車空載最大、最小輪壓下的撓度，得到雙邊軌道頂面標高公差。《鋼結構設計規范》吊車梁撓度是單邊吊車梁撓度，計算一側吊車梁在吊車滿載的最大輪壓下的撓度。

d.“構造公差”與“運行公差”。

“構造公差”較嚴格，雖然條款沒有說明其適用區域，但從其定義來看，它是為組裝起重機設備而定義的，筆者認為僅適用于組裝區域，不宜用于整個廠房。

“運行公差”相對寬泛，整個廠房的吊車梁軌道標高差均要滿足其要求。

e.以上條款從結構、設備等不同層面提出了明確的控制指標，對指導設計有著重要意義。遺憾的是在“運行公差”中，只對吊車空載提出運行公差要求，沒有對吊車滿載提出運行公差的要求，致使在設計工作即將收官的最后階段缺乏明確的設計控制要求。

3)核查案例的計算，發現當吊車運行至抽柱附近時，B列線吊車梁撓度約20 mm，帶動軌道下沉；而C列線是吊車梁支座，撓度為0，軌道沒有下沉。B，C列軌道面標高差為20 mm。導致同一吊車跨在跨中處兩條軌道變位不一致，當其差值較大時，影響吊車的正常運行。

3 吊車梁正常使用極限狀態的設計及施工

吊車梁關系到起重機正常運行，設計時應進行正常使用極限狀態控制，施工時應執行安裝精度控制，以保證最終符合《總則》的公差要求。1)設計按《鋼結構設計規范》的吊車梁撓度要求，控制一側吊車梁在吊車滿載的最大輪壓下的撓度。2)設計按《總則》的構造公差要求，通過計算雙邊吊車梁分別在吊車空載的最大、最小輪壓下的撓度，校核構造公差。設計應與施工溝通，確定起重機設備組裝位置，并對該范圍的吊車梁執行構造公差控制。從受力—位移原理，吊車設備組裝時宜選擇左右兩邊吊車梁剛度對稱位置進行設備組裝，一般可以滿足構造公差要求。如果因工藝布置或施工現場空間原因吊車設備組裝必須在抽柱位進行時，在設計時應做好構造公差控制預案：一種方法是通過計算軌道頂面高差控制吊車梁截面，滿足0.5S/1 000或極限值±5 mm的要求。另一種方法是在安裝軌道時調整軌道頂面標高。3)設計按《總則》的運行公差要求，通過計算雙邊吊車梁分別在吊車空載的最大、最小輪壓下的撓度，校核運行公差。4)設計提出施工安裝相關要求，在結構設計中說明吊車梁、軌道安裝應按《總則》執行。5)針對現行規范沒有規定吊車滿載運行時雙邊吊車梁軌道頂面標高公差的情況，筆者提出建立“滿載運行公差”的概念，從有利于設備使用的角度出發更好地滿足吊車的正常使用。a.對于抽柱排架的吊車梁，鑒于非抽柱排架少有出現因高低差造成運行困難，以此為實踐經驗結合相關規范的條款，筆者建議：假設兩側均為大跨度的吊車梁，考慮吊車滿載時的最大輪壓、最小輪壓分別作用在兩邊吊車梁，計算兩邊吊車梁撓度差作為控制標準，在規范沒有明確條款的情況下暫時作為設計控制方法。b.對于非抽柱排架的吊車梁，由于少有吊車運行困難現象，是否空載運行公差可以滿足滿載運行尚無結論，對其滿載運行公差，筆者建議：比較滿載最大輪壓與空載最大輪壓，滿載最小輪壓與空載最小輪壓，取其較小比值乘以空載運行公差極限10 mm，作為“滿載運行公差”進行設計控制。6)對案例重新設計分析，采用3.5.1的控制方法，嚴格控制滿載運行公差，對比吊車梁材料重量比原設計增大12%～15%。

[1] GB/T 10183.1—2010，起重機 車輪及大車和小車軌道公差 第一部分：總則[S].

[2] GB 50017—2003，鋼結構設計規范[S].

[3] GB 50205—2001，鋼結構工程施工質量驗收規范[S].

Analyse of the crane girder in steel structure design

Li Zhigang

(WISDRIEngineering&ResearchIncorporationLimited,Wuhan430223,China)

A focusing study of serviceability limits states of crane beam is made by the author. Based on the detailed analysis of the items of deflection, installation tolerances, construction tolerances, operational tolerances from the governing codes, the concept and criteria of operational tolerances under capacity load are introduced.Crane-TolerancesforWheelsandTravelandTraversingTracks-Part1,Generalshould be applied to normal design procedure.

crane girder， steel structure， operational tolerance under capacity load, structure design

1009-6825(2016)18-0034-02

2016-04-19

李志剛(1965- )，男，高級工程師

TU391

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