固定式回轉起重機預埋件的設計

王雪松 銀長海 李術霞 謝曉暉

大連華銳重工起重機有限公司 大連 116013

0 引言

固定式回轉起重機（以下簡稱起重機）采用圓筒形法蘭通過預埋螺栓與混凝土基礎連接，作業區域為圓環形，節省了起重機運行機構、起重機軌道和鋼軌預埋件，是一種經濟型起重機。起重機的預埋件是整個工程項目的重要組成部分，上接起重機，下連混凝土基礎。一般會把預埋件的設計和供貨交由起重機廠家負責，而起重機相關規范及手冊卻很少找到關于預埋件設計的指導性文件。根據土建設計資料，結合實際設計應用，提出一款起重機圓筒形法蘭預埋件的設計方法，其他類型的預埋件，例如錨定、防風系纜等，也可參照本文進行設計。

1 預埋件設計條件

對預埋件進行設計前，應完成起重機的整體穩定性計算，完全確定起重機的基礎載荷、圓筒形法蘭的最小厚度。需要在起重機計算提取的載荷為整機最大垂直載荷Ny、水平力Fx、相對于法蘭中心的水平扭轉力矩Mj及垂直彎矩Mck，以及圓筒外徑D和最小壁厚t。圓筒最小壁厚是指按強度計算的最小壁厚，可以是圓筒的實際設計壁厚，考慮剛度因素時，也可比實際設計壁厚略小。

2 設計計算過程

2.1 極限彎矩的確定

預埋件的設計原則是當法蘭上部圓筒屈服時，預埋件不發生破壞，因此預埋件的最大計算彎矩Mc即是能使圓筒屈服的最小彎矩，可表示為

式中：Wx為圓筒的截面系數，σs為圓筒材料的屈服強度。

2.2 預埋錨栓直徑和長度的計算

錨栓的布置圖如圖1 所示，在法蘭上布置2 圈預埋螺栓，分布在半徑為P和Q的圓周上，法蘭的外徑和內徑分別為R1和R4，每圈螺栓的個數為n，n為2 的倍數，每1/2 圈布置的螺栓個數為m，n＝2m。

圖1 預埋件布置圖

根據預埋法蘭的力矩平衡條件，圓筒的計算最大彎矩為

式中：M1為所有螺栓拉力的力矩，My為法蘭對混凝土壓力產生的力矩。

根據預埋法蘭垂直力的平衡條件，圓筒法蘭對混凝土的垂直壓力為

式中：N1為所有螺栓拉力的反力，Ny為整機最大垂直載荷。

在式(2)中，已知Mc，則所有螺栓拉力的力矩為

式中：M1為所有螺栓拉力產生的力矩，Fi為Pi依次每個螺栓的拉力，m為每半圈螺栓的個數，Pi為依次每個法蘭外圈螺栓的到Mc中性軸的距離，Qi為依次每個法蘭內圈螺栓的到Mc中性軸的距離。

設受壓區混凝土面積為圓環的一半，而另半圈的內圈和外圈分別有m個預埋螺栓受拉，離O點最遠距離為P的螺栓受拉力最大為F，其余螺栓受力分別為Fi＝Pi·F/P或Fi＝Qi·F/Q。根據法蘭受拉半圈螺栓分布的幾何位置，可得系數k1為

根據圖1 將受壓區分割成m個小塊，每個小塊的面積為Ac，每個混凝土小塊的平均壓應力為σi，壓應力合力點(即每個小塊面積的形心)距離圓環中心線的距離為Li，則有法蘭對混凝土壓力產生力矩為

式中：P為法蘭外圈螺栓到Mc中性軸的最大距離，Q為法蘭內圈螺栓中的到Mc中性軸的最大距離。

經過上述過程的推導，式(2)演變為式(10)，式(3)演變為式(11)，即

在 式(10) 和 式(11) 中，k1、k2、k3、k4、Mc、Ny均為已知或可計算的，通過組成二元一次方程，可解出最大螺栓拉力F和混凝土小塊的面積Ac。根據GB 50017—2003《鋼結構設計規范》，通過F值可確定錨栓的直徑。預埋螺栓的實際錨固長度為

式中：lab為錨栓的基本預埋長度，ζaE、ζa為錨固系數。根據預埋螺栓的材料、混凝土材料及抗震等級，查11GB101-3《混凝土結構施工圖 平面整體表示制圖規則和構造詳圖》可得。

2.3 確定法蘭圓環的尺寸

法蘭與混凝土的受壓區接觸面積必須達到m·Ac，才能保證混凝土的壓應力不超過其許用壓應力[fc]，根據圖1 可知，法蘭外徑為R1＝D/2+h，法蘭內徑為R4＝D/2-h，則

其中的Ac由式(10)和式(11)可得，從而通過式(13)可解出h，根據圓筒外徑D解出R1和R4。

2.4 抗剪鍵的設計

由于圓筒法蘭的螺栓孔存在間隙，預埋螺栓不能承受法蘭面的水平載荷，需根據水平扭轉力矩Mj在法蘭下平面設置抗剪鍵。在法蘭下表面按直徑D圓周均布焊接4 個H 形鋼，Mj產生的圓周力通過H 形鋼傳遞到混凝土基礎，起重機圓筒法蘭水平力Fx和圓周力在H 形鋼表面產生的壓應力應小于混凝土許用壓應力[fc]。

式中：Aj為1 個H 形鋼抗壓面積。

3 實例計算

本文以應用在某電廠的25 t-37 m 固定式門座起重機實際計算為例（見圖2），對預埋件的設計進行舉例說明。該起重機通過如下的連接法蘭固定在碼頭面上。在某一載荷組合下，整機最大垂直載荷Ny＝4 337 kN、水平力Fx＝751 kN，相對于法蘭中心的水平扭轉力矩Mj＝4 934 kN·m、垂直彎矩Mck＝41 587 kN·m，以及圓筒外徑D＝3 600 mm 和最小壁厚t＝14 mm，預埋混凝土型號選C30，抗壓許用應力fc＝14.3 MPa。

圖2 25t-37m 固定式門座起重機

3.1 極限彎矩的確定

根據圓筒外徑及壁厚、圓筒材料（Q355B，σs＝355 MPa），計算出使圓筒屈服的最小彎矩，即預埋件的最大計算彎矩Mc＝49 976 000 kN·mm。

3.2 預埋錨栓直徑和長度的計算

根據已知數值，按式（5）計算出k1＝73 016 mm，按式（6）計算出k2＝286 307 N/mm，根據式（8）計算出22 個螺栓壓應力之和為k3＝200.47 MPa，按式（9）計算出k4＝25.62。將式(10)、式(11)轉化為式(15)、式(16)，即

由式(15)、式(16)解出預埋螺栓的拉力F＝512 483 N，混凝土小塊的面積Ac＝43 856 mm2。根據GB 50017—2003《鋼結構設計規范》第3.4.1 節，Q355 材料的預埋螺栓的許用應力為[σ]＝180 MPa，選取預埋螺栓直徑為M76，螺栓的計算應力σ＝132 MPa，滿足要求。查11GB101-3《混凝土結構施工圖 平面整體表示制圖規則和構造詳圖》，預埋螺栓的材料為Q355B，混凝土等級C30，抗震等級按一級，可得錨栓的基本預埋長度lab＝29d，同時可查到錨固系數ζaE＝1.5，ζa＝0.6，預埋螺栓的實際錨固長度laE為

3.3 確定法蘭圓環的尺寸的計算

按式（13）代入計算數據m＝22、Ac ＝43 856 mm2、D＝3 600 mm，解出h＝85 mm，即計算的最小法蘭外半徑R1min＝D/2+h=3 600/2+85 ＝1 885 mm，最大法蘭內半徑R4max＝D/2-h＝3 600/2-85 ＝1 715 mm。在實際設計過程中，考慮到預埋螺栓的扳手空間及布置定位塊的尺寸空間，實際設計取法蘭外半徑R1＝2 120 mm，法蘭內半徑R4＝1 480 mm，法蘭的承壓面積大于m·Ac。

3.4 抗剪鍵的計算

根據整機的計算輸入載荷，水平力Fx＝751 kN、相對于法蘭中心的水平扭轉力矩Mj＝4 934 kN·m，抗壓許用應力[fc]＝14.3 MPa，在法蘭圓周布置4 個抗剪H 形鋼，每個型鋼的最小抗壓面積

根據上式計算結果，可選取翼緣寬度125 mm，長度210 mm 的H 形鋼，其抗壓面積26 250 mm2，保證最小抗剪受壓面積大于25 110 mm2。

4 結論

預埋件是固定式回轉起重機的根基，一旦出現問題，就是無法補救的巨大損失。通過上述的設計計算，能夠使設計人員熟悉預埋件設計的各個關鍵要素，做好起重機與混凝土基礎的設計接口，使起重機與混凝土基礎安全銜接。