某廠房吊車梁選型計算及結構設計探討

任 亞 麗

(軍事科學院國防工程研究院，北京 100036)

1 概述

吊車梁需承受移動的吊車荷載，因此與一般的受彎構件相比，吊車梁受力情況更加復雜。在進行吊車梁選型時，我們需要考慮多種影響因素。通常情況下可以根據起重機的工作機制和吊車梁的跨度，來初步確定吊車梁是否需要設置輔助制動結構，但具體情況還需根據實際受力分析結果確定。

2 案例分析

2.1 工程概況

某大型多層廠房為鋼網架結構，廠房內吊車梁為橋式吊車梁，有200 t和50 t兩臺吊車運行，吊高為24 m，相鄰吊車梁跨度為7.5 m和15 m，設置制動梁和制動桁架兩種制動結構。根據《鋼結構設計規范》和《建筑結構荷載規范》，吊車梁工作級別為中級工作制A5級，鋼材類別應選用Q345鋼材。起重重量為200 t，吊車最大輪壓為45 kN，單側輪數為8，吊車寬度為10.2 m；起重重量為50 t，吊車最大輪壓為45 kN,單側輪數為2，吊車寬度6.5 m。吊車梁選用焊接工字型鋼梁系統。

2.2 吊車梁的特點

為方便施工，本工程吊車梁按簡支結構設計，由于吊車噸位大、跨度大、兩臺吊車作業，橫向水平剎車荷載較大，因此在吊車梁高度及制動結構選取時，需綜合考慮各方面的影響因素[2]。

1)本工程中吊車梁局部柱距分別為15 m和7.5 m，吊車梁高度不同。由于大部分的柱距為7.5 m，因此可將15 m柱距的吊車梁做成高度不等、腹板截面變化的梁。在設計變截面吊車梁時，15 m與7.5 m兩跨度差距大，吊車梁高度差值也大，故采用中間截面高度過渡，使吊車梁高度選取既滿足強度、穩定性和撓度等方面的要求，又更加經濟合理。

2)本工程中吊車噸位大、跨度大，為保證吊車梁的整體穩定性，同時增加吊車梁的側向剛度，應選擇合適的吊車梁制動結構。本工程中，7.5 m跨度擬采用制動梁結構，即吊車梁+制動板+制動邊梁(見圖1)；15 m跨度擬采用制動桁架結構，即吊車梁+制動桁架+輔助桁架(水平支撐)(見圖2)。

3)本工程吊車起重量為200 t的中級工作制，在考慮其制動板或制動桁架的腹桿連接板與梁上翼緣間的連接時，應優先考慮采用高強螺栓或鉚釘連接，且由于其焊縫等級要求高，還應進行疲勞計算。

2.3 PKPM吊車梁計算過程

設計鋼吊車梁時，應在PKPM軟件組中使用鋼結構工具箱的“吊車梁—工字型吊車梁”進行數據錄入設計工作[3]。由于本工程選用的起重機為非標準數據，故在數據庫中無此起重機樣本，應根據廠家提供樣本自己添加數據。本工程根據四川沱江的起重機公司提供的樣本，添加輸入起重機跨度、最大輪壓、最小輪壓、輪距等特性數據。

在PKPM中輸入吊車梁截面數據，可以按自己設計需求選擇，然后根據擬選定的吊車系統形式，輸入制動板或制動桁架數據，在輸入制動結構信息時，應考慮制動板的允許寬度，避免輸入數據錯誤而反復計算。

《鋼結構設計規范》第6.1.1條規定:直接承受動力荷載重復作用的鋼結構構件及其連接，當應力變化的循環次數n≥5×104次時，應進行疲勞計算[1]。由于本工程為中級工作制A5級，起重重量為200 t，50 t兩臺，且循環次數大于規范要求，故應考慮疲勞計算(如圖3所示)。

吊車數據全部輸完后，運行PKPM軟件進行吊車梁計算，最后輸出吊車梁計算書，輸出計算書時可選擇輸出文件類型(.doc或PDF)。

在PKPM軟件輸出文件中可看出計算結果有多個截面可以選取，而PKPM會選取最經濟截面以供設計者參考(見圖4)。

本工程中PKPM軟件自動選擇截面非整數，故設計時應根據需求進行選取和調整，然后返回PKPM吊車梁計算程序中進行吊車梁截面驗算，驗算結果須均滿足規范要求，方可按此結果進行進一步設計。

2.4 制動結構設計

制動梁結構由吊車梁+制動板+制動邊梁(槽鋼)組成，為滿足建筑需求，制動板需兼做走道板，故應采用防滑鋼板。制動邊梁設計時，要考慮水平荷載和豎向荷載雙向作用，即吊車橫向水平力和走道板活荷載2 kN/m2。故制動邊梁應按雙向受彎構件設計。

制動桁架結構由吊車梁+制動桁架+輔助桁架(水平支撐)組成，輔助桁架承受荷載主要為自重荷載、人行走道活荷載2 kN/m2、吊車橫向剎車荷載及風荷載作用[4]。由于輔助桁架是在豎直及水平荷載共同作用下的，因此在計算時，不僅其強度須滿足豎直及水平荷載共同作用下的強度要求，而且其撓度也必須同時滿足豎向及水平兩個方向撓度的要求。由于設有走道板，計算時還需要考慮豎向荷載產生的局部彎矩。

2.5 連接節點設計

1)吊車梁連接。

在本工程中，由于主廠房柱為混凝土格構柱，而在吊車梁標高以上此柱變為單個圓鋼管混凝土柱，因此在上柱采取突出550寬的腹板，以便于吊車梁與上柱連接，此連接應采用3M20高強螺栓。吊車梁下翼緣與柱的連接一般采用普通螺栓固定。吊車梁端部傳遞的荷載復雜，為水平剎車力、縱向風荷載和縱向地震作用分別進行組合計算，故吊車梁與吊車端部采用高強螺栓連接，螺栓間距要同時滿足構造及計算要求。

2)制動結構的連接。

制動板及制動桁架與柱之間用M20高強螺栓連接；制動板與吊車梁上翼緣連接采用直徑為M20高強螺栓連接,連接間距按計算結果選取；制動桁架腹桿節點與吊車梁上翼緣采用M20高強螺栓連接。

3 結構設計應注意的問題

通過以上工程實例分析，在設計時應注意以下問題：

1)吊車梁截面選擇。

吊車梁跨度不一樣，為使柱頂標高統一，柱頂標高差距減小，吊車梁須做變截面。變截面的形式和高度應綜合考慮，根據相鄰跨度的吊車梁高度進行選擇，必要時可采取中間截面過渡，以防止變截面過高影響吊車梁受力。

2)吊車梁制動結構選取。

吊車梁制動結構包括制動梁和制動桁架。制動系統的選取應根據吊車跨度及起重機的起吊重量進行選取。選取合適的制動結構不僅能滿足工作機制需求，而且能節約造價成本。

3)吊車梁疲勞計算。

在進行疲勞計算時，應考慮影響鋼吊車梁本身的結構構件形式，鋼材的力學性能以及其工作環境條件。對于不同的吊車梁，進行疲勞設計時，應考慮吊車梁的支座形式、結構形式、鋼材型號、跨度大小、支撐和連接形式、焊接形式以及吊車梁工作頻率等的影響。例如：對非焊接的構件和連接，其應力循環中不出現拉應力的部位可不計算疲勞強度。而對于單個廠房來說，在疲勞設計時，應考慮應力幅值及應力循環次數的影響。

4 結語

在進行吊車梁系統的設計時，設計人員可根據工程特點，充分考慮吊車系統各個組成部分的關系，利用PKPM計算軟件計算吊車梁。當然，我們在設計時應把軟件作為輔助工具，更要根據自己的設計經驗，來判斷計算結果是否準確，是否滿足相關規范標準的要求，這樣才能使吊車梁既能滿足規范要求又能經濟合理。