鋼結構工業廠房的吊車梁系統設計分析

林青

（山西太鋼工程技術有限公司，山西 太原 030009）

0 前言

吊車梁系統是鋼結構工業廠房重要組成部分。如不嚴格遵照規范進行設計施工，將會產生一系列問題，如資金浪費、工期拖延、安全隱患等。

某單層廠房擴容改造廠房南延，廠房高度22m，跨度18m。二臺吊車起重量分別為140t/20t、100/20t，吊車梁跨度18m，相鄰吊車梁跨度9m，軟鉤重級工作制（A7）吊車。軌道型號QU120，采用鉆孔型軌道連接，手工焊焊條采用E50型焊條；翼緣與腹板連接焊縫采用自動焊。

1 吊車梁設計分析

吊車梁根據工藝專業提供的實際情況排列的兩臺起重量不同的吊車進行設計，撓度按一臺最大起重量吊車計算。吊車梁形式應根據吊車的起重量和跨度、吊車梁的跨度以及吊車的工作級別等確定。多數為三塊鋼板焊接成的上翼緣寬，下翼緣窄主軸X不對稱的工字形截面，一般設計為等高、等截面形式，制作較為簡單，節約鋼材，如圖1所示。

圖1 吊車梁系統平面布置

吊車梁承受的吊車豎向荷載和橫向荷載，由工藝設計人員提供的吊車參數進行計算。吊車豎向荷載標準值取吊車的最大輪壓Pmax，吊車荷載的荷載分項系數取γQ=1.4，動力系數取α=1.1，吊車豎向荷載設計值，P=1.1×1.4×Pmax；吊車橫向水平荷載設計值，Hk=1.4×0.1×Pmax。根據《鋼結構設計標準》和《建筑結構荷載規范》，吊車梁跨度18m，材質采用Q345C，起重量140t，最大輪壓為Pmax=710kN，小車重為63t，吊車寬度10.6m，每側4輪。起重量100t，最大輪壓為Pmax=372kN，小車重為32.5t，吊車寬度10.6m，每側4輪。吊車梁選用焊接工字型鋼梁。為了施工方便，構造簡單、確保項目早投產早見效，本工程吊車梁按簡支結構設計。吊車梁跨度為18m，相鄰跨吊車梁9m，故將18m跨的吊車梁做成高度不等、腹板截面變化的梁。在PKPM軟件組鋼結構二維設計工具箱“吊車梁工具-工字形吊車梁”進行數據錄入。本工程吊車為非標準數據，吊車參數由工藝設計人員提供。依據提供的吊車跨度，最大輪壓、小車重等性能指數，在程序中添加，按自己設計要求輸入吊車梁截面數據，然后根據擬選定的吊車梁系統形式，輸入制動板數據，應考慮制動板允許寬度。《鋼結構設計標準》第16.1.1條規定：直接承受動力荷載重復使用的鋼結構構件及其連接，當應力變化的循環次數n等于或大于5×104次時，應進行疲勞計算[1]。

本工程A7重級工作制，起重量140t，100t兩臺，且循環次數大于規范要求，故應考慮疲勞計算。吊車數據全部輸完后，運行PKPM軟件進行計算，輸出吊車梁計算書、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擇，PKPM可以選取最優截面供參考。本工程中PKPM軟件自動選擇截面非整數，故根據需求進行選取和調整截面參數，然后返回PKPM吊車梁計算程序中進行吊車梁截面驗算[4]，驗算結果均滿足規范要求，方可進行下一步設計，如圖2、圖3所示。

圖2 吊車簡圖（一）

圖3 吊車簡圖（二）

鋼結構廠房吊車梁支座應優先采用突緣支座，突緣端部加勁肋與柱不焊。下柱柱間支撐開間的吊車梁下翼緣支座附近，與柱的連接板承受柱列的全部縱向力，板的連接焊縫或高強螺栓的質量和強度必須通過計算確定。

2 制動結構、輔助桁架和支撐設計分析

2.1 制動結構設計分析

制動結構是由吊車梁上翼緣、制動板和邊梁（或輔助桁架的上弦桿）組成的制動梁或由吊車梁上翼緣（或吊車桁架上弦桿）、腹桿系統和邊梁（或輔助桁架的上弦桿）組成的制動桁架。本工程吊車A7工作級別，吊車梁跨度18m，應采用制動結構，制動結構為吊車梁+制動板+輔助桁架的上弦桿。本工程中制動板兼走道板，采用防滑鋼板，板下面設置橫向加勁肋，間距1.5m。邊列柱的吊車梁制動結構設計荷載按兩臺吊車最大橫行水平荷載、其他因素所產生的水平荷載和人行走道的垂直均布活荷載（標準值取2.0kN/m2），其荷載分項系數均為1.4。

本工程為重級工作制，制動板與梁上翼緣連接時，且焊縫等級要求高，應進行疲勞驗算。制動結構與吊車梁、柱連接時采用M20高強螺栓連接，間距按計算結果取。

2.2 輔助桁架設計分析

本工程輔助桁架與吊車梁、制動結構及垂直支撐組成一個空間體系，承受吊車橫向水平荷載或由于吊車偏軌引起的扭矩。輔助桁架幾何尺寸及外形與吊車梁的外形相匹配，采用平行弦輔助桁架。上弦桿采用雙槽鋼組合截面，拉桿截面長細比≤250，壓桿截面長細比≤150。腹桿采用雙角鋼組成的T形截面，且在與垂直支撐相連處采用雙角鋼組成的十字型截面，腹桿按壓桿截面長細比≤150。

作用在輔助桁架上的荷載有：桁架和人行走道的自重、人行走道活荷載、吊車橫向剎車荷載和風荷載。當與屋面支柱、墻架柱相連時，還應考慮屋面荷載、墻面豎向荷載和水平風荷載，地震區還應考慮地震作用。因此計算時：強度及撓度必須滿足豎向和水平荷載共同作用下的強度及撓度要求。該工程設有走道板，計算時還需充分考慮豎向荷載產生局部彎矩。綜合考慮輔助桁架與墻架系統之間的關系。不能單一考慮輔助桁架豎向僅承受走道板的重量和自重，因為墻架做法差異導致輔助桁架承受墻梁和墻板的部分重量也相應改變[5]，計算時不能忽略此項荷載。

2.3 支撐設計分析

吊車梁的垂直支撐對稱設置在吊車梁變形較小處，靠近端部1/3跨度處，兩端對稱設置。垂直支撐桿件的截面為單角鋼十字交叉桿件，長細比不大于250。吊車梁下翼緣的水平支撐采用單角鋼豎肢朝上放置，桿件截面按壓桿長細比確定不大于200。

3 結語

通過工程實例分析，吊車梁系統設計是應注意：①廠房柱頂標高相同但吊車梁跨度不一樣時，吊車梁需做成變截面。綜合考慮變截面的形式和高度，必要時采取中間截面過渡，如果變截面超高，就會對吊車梁強度及整體穩定性產生不良影響；②依據吊車梁跨度、吊車起重量及工作制這三方面因素合理選取吊車梁制動系統，合理的制動結構通過增強吊車梁剛度，從而保證吊車梁的側向穩定性，同時還可以有效減少造價成本；③不同的吊車梁疲勞設計時，應充分考慮吊車梁的結構形式、支座形式、連接形式、焊接形式、鋼材型號，高度重視其跨度大小、支撐以及吊車梁的工作頻率等因素。在實際工程中，工作人員應充分考慮現場實際情況，嚴格按照相關工藝規范施工、先進的軟件數據與長期工作經驗相結合，確保吊車梁系統設計合理、施工便利、安全高效。