國內目前網架下懸掛吊車的現狀和研究

杜書源

（山東華科規(guī)劃建筑設計有限公司，山東 聊城 252000）

0 引言

隨著我國建筑工藝技術的快速發(fā)展和進步，網架施工的方式在我國的民用建筑和工業(yè)建筑中的應用變得越來越普遍。尤其是對于工業(yè)建筑而言，網架結構具有重量輕、剛度大、工期短等眾多優(yōu)勢，能夠顯著節(jié)約工業(yè)建筑的建設成本和施工難度。并且構建的建筑網架，耐用性能好，還可以隨著建筑的需求進行靈活的組裝變換。在工業(yè)建筑當中對工藝的需求，要在網架結構下懸掛輕量級吊車或者電葫蘆，以便于后續(xù)生產工作的進行。網架與懸掛吊車的節(jié)點栓接方式、支座處理、荷載計算等都是影響網架下懸掛吊車安全和質量的關鍵。而在目前國內，對于網架下懸掛吊車的使用范圍又非常寬泛，因此研究相關的技術對于促進我國工業(yè)建筑的施工發(fā)展具有積極的意義[1]。

1 國內應用現狀

1.1 網架結構的優(yōu)勢

隨著我國科技的發(fā)展和經濟高質量發(fā)展的要求，網架結構在我國建筑行業(yè)中的地位逐漸提高。這主要是因為網架結構具有以下優(yōu)點。

1.1.1 重量輕

相比起傳統房屋廠房建設中所使用的梁柱結構或者預制板房結構，網架結構的突出優(yōu)勢就是重量輕。因為網架結構是采用全鋼材質制造組裝而成的，利用螺栓和焊接固定，所以不需要使用水泥混凝土等作為加固手段，這就大大減輕了網架結構的重量，在建筑施工當中，尤其是工業(yè)建筑施工時，重量減輕就意味著施工的成本會降低，網架結構的施工主要工序就是網架地面錯位組裝和高空吊裝，最大的施工成本就是網架自身的成本和吊車安裝及吊裝定位成本。網架結構施工相比于傳統的混凝土結構施工，既節(jié)約了施工的成本和資源，也節(jié)約了施工的時間。網架結構能夠快速安裝成功并且投入使用，能夠縮短工業(yè)建筑建設的工期，加快工程建設速度[2]。

1.1.2 剛度大

網架結構的剛度主要由網架的結構設計和鋼材質以及網架的栓接方式所決定的。從目前國內工業(yè)建筑的網架結構施工建設情況來看，我國的網架結構剛度普遍較大，能夠承載一定的懸掛設備，網架下懸掛吊車也是在這樣的背景下發(fā)展起來。在實際的工業(yè)生產過程中，往往需要在廠房中安裝吊裝設備，如輕型吊車和電葫蘆，如果為了安裝吊車再重新搭建鋼梁結構的話，會明顯增加工業(yè)建筑的施工建設成本，因此將吊車直接安裝懸掛在網架結構的鋼軌上成為目前國內采用的普遍形式。而網架結構的剛性大是能夠承載懸掛吊車的關鍵。

1.1.3 便利性強

網架結構懸掛吊車因為自身的重量輕、造型靈活、安裝施工簡便等優(yōu)勢，在便利上比起傳統的大型塔吊具有更強的屬性。在施工過程中，便利性是影響設備價值的重要因素之一。對于網架下懸掛吊車，要達到同等水平的吊裝能力，傳統施工需要使用大型起重設備才可以實現，而大型起重設備的安裝工藝復雜、施工周期長，并且還涉及許多環(huán)境因素的協調與改造，整體便利性遠低于網架下懸掛吊車。以網架下懸掛吊車的自身屬性而言，建設吊車的時間只會占據整個施工周期的極少部分，并且拆裝都較為簡單，環(huán)境適應性也更強，可以在不同環(huán)境中根據需求調整網架結構，從而達到不同的效果，這一優(yōu)勢也是傳統吊車無法滿足的[3]。

1.2 網架下懸掛吊車的適用范圍

網架下懸掛吊車主要應用在大中跨，多跨中，因為網架結構具有施工建設靈活的特點，所以可以拼接建設較大面積的網架結構，這就使得網架結構可以應用在跨度大的工業(yè)建筑中，由于工業(yè)建筑，尤其是流水線廠房，都是很大面積的建筑，如采用混凝土頂板施工，建設施工的成本和時間會大大增加，大面積混凝土施工還會導致安全風險增加，此外，由于工業(yè)生產的技術在不斷進步與更新，工業(yè)廠房的流水線可能會發(fā)生變化，使廠房的功能區(qū)劃會產生差異，而采用網架結構施工的廠房，可以較為簡便地對廠房結構進行調整，將廠房的功能分區(qū)進行轉變。

1.3 國內網架下懸掛吊車的應用問題

盡管國內網架下懸掛吊車的應用已經較為普遍，但是在實際的應用過程中，仍舊存在著一些問題[4]。

1.3.1 施工建設技術不夠先進

網架下懸掛吊車的技術在我國的工業(yè)建筑中應用時間已經超過了20年，但當前使用的網架下懸掛吊車的結構與設計和20年之前沒有顯著的差異，只是在材料和承重上有了進一步的優(yōu)化，并沒有更多有技術含量的創(chuàng)新，而網架的結構設計是影響其使用壽命和承載重量的關鍵，當前網架下懸掛吊車普遍為輕型吊車，所能夠吊運的重量也比較小。但是我國的生產技術在不斷發(fā)展，對于廠房內的吊車起重設備的吊運重量要求在不斷提高，因此當前國內的網架下懸掛吊車在設計上還不夠先進，逐漸無法滿足我國工業(yè)廠房生產的需求。

1.3.2 施工管理欠缺

網架下懸掛吊車的建設施工，由于技術比較簡單且專業(yè)性較強，一般的施工管理人員無法判斷施工建設的質量和問題，所以對于施工建設的管理較為松懈，主要依靠施工人員的自覺，這就使得在網架下懸掛吊車的建設過程中存在著一定的建設松懈和安全隱患，比如某些螺栓沒有擰緊等細節(jié)問題。而在安裝完成投入使用過后，對于網架下懸掛吊車的管理也存在一定的問題。首先，吊車的高負荷運作會影響網架鋼材的疲勞情況，鋼材在長期的使用過程中會產生疲勞現象，而螺栓等零部件如果長期處于高負荷的運作狀態(tài)下，會產生一定程度的機械磨損，從而縮短網架下懸掛吊車的使用壽命。再加上在實際的工業(yè)生產過程中，對于吊車的管理不夠嚴格，吊車操作員可能出現不標準的操作，或者違規(guī)操作，都會導致網架的性能和使用壽命受到影響。管理欠缺是目前國內應用網架下懸掛吊車過程中存在的主要問題。對于長期處于高負荷狀態(tài)下工作的網架下懸掛吊車，需要定期進行保養(yǎng)和維護，以延長吊車的使用壽命，降低事故發(fā)生率，但是在國內對于這種維護保養(yǎng)存在很大的問題，尤其是對于生產任務重的工廠而言，除硬性規(guī)定的年檢和維護保養(yǎng)以外，基本上沒有多余的機器維護保養(yǎng)，只有發(fā)生設備故障，影響生產時才會對其進行維修保養(yǎng)。這使得設備的小故障小問題不斷累積，最終導致吊車和網架出現故障，影響其使用壽命[5]。

1.3.3 網架懸掛吊車功能受限

當前國內應用網架下懸掛吊車的另一個問題就是沒有將網架懸掛吊車的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來。受到施工材料和施工工藝的限制，目前國內所使用的網架懸掛吊車在功能上只是相對普通懸掛吊車和塔吊有一定的優(yōu)勢，但是網架懸掛吊車本身強度大、便利性強的優(yōu)勢沒有充分得到體現，網架懸掛吊車很多時候仍舊被作為傳統吊車的升級版，而不是單獨的新技術使用。這種功能上的限制就使得原本利用網架懸掛吊車可以大幅縮短的工期和提高的施工質量都沒有完全實現，工程的整體施工建設效率并沒有因為網架懸掛吊車的應用而得到顯著提升。

2 網架下懸掛吊車的技術要點

2.1 節(jié)點的連接形式及構造處理

在國內的網架下懸掛吊車使用最多的是輕級工作制單梁吊車或者電葫蘆，這種吊車的起重范圍通常為1～5t。該類型吊車的軌道為工字鋼梁，而該類吊車與鋼梁的聯結方式為先將帶有端板的鋼管與螺栓球焊接在一起，然后用螺栓將端板與工字鋼梁聯結起來。這種連接方式最大的優(yōu)勢就是操作簡單，工序十分簡單，不需太多的成本投入，只要焊接和螺栓就可以完成，能夠快速進行吊車的懸掛。缺點是這種連接方式的穩(wěn)定性不夠好，尤其是需要水平吊運的吊車，采用這種連接方式在水平工作時，會產生很大的次應力，從而導致螺栓松動或者機構變形，影響吊車懸掛的使用壽命，嚴重的甚至會導致吊車懸掛脫落，造成嚴重的安全事故。為解決這個問題，當前普遍采用雙螺栓連接方式。即在原有的端板和工字鋼梁連接處加一組螺栓，這樣就能夠提供一定的水平運動力，從而減輕水平吊運時對端板的次應力，能夠較好地保護吊車懸掛。并且這種連接方式還能夠在水平方向提供輕微的轉動和位移，以增加網架下懸掛吊車的工作范圍。

2.2 網架下懸掛吊車的荷載作用機制

網架下懸掛吊車的荷載作用機制分為吊車荷載和網架荷載兩個部分，吊車部分的荷載又分為水平荷載和垂直荷載兩個組成部分。在吊車工作的時候，為了將貨物或者材料吊離地面，需要給吊臂施加動力，這主要通過吊車自身的液壓動力系統來實現，而將被吊物體吊起的過程中，物體本身的重力會給吊車施加一個垂直的荷載，這個垂直荷載傳遞到吊臂上，會給吊臂產生一部分水平荷載，而在吊運的過程中，物體受到慣性影響，會給吊車施加另一部分水平的荷載。由于吊車和網架是通過鋼質端板連接在一起的，鋼質端板屬于硬性材質，不會對力產生較大的緩沖作用，會直接將吊車受到的力傳遞給鋼梁，再加上鋼梁自身的重力，所以鋼梁也會受到垂直和水平兩種荷載。

對于網架來講，鋼梁的荷載只是網架的下恒荷載的一部分，網架自身由于設計和安裝的工藝，以及自身重力，還會受到上弦恒載和上弦活載，還包括下弦恒載，還應該考慮前面所述的豎向荷載和水平荷載的作用，并按承載力極限狀態(tài)進行荷載效應組合，再將設計值施加到吊車作用的下弦節(jié)點上。

2.3 節(jié)點疲勞破壞

鋼結構設計在系統上存在著無可避免的疲勞情況，因為鋼材是硬質材料，對受到力的緩沖作用較小，會受到工作過程中各種力的直接影響，而鋼材本身的硬度，彈性限度都是有限的。所以在鋼結構中，必然會出現機械磨損和材料疲勞。網架下懸掛吊車的性能疲勞主要取決于連接節(jié)點的疲勞性能，因為鋼梁和網架的弦梁本身都是采用一體化制造成形，密度均勻，對力的分散作用較好，而節(jié)點的密度不均勻，彼此之間存在縫隙，容易因為外力而導致節(jié)點疲勞，而節(jié)點的疲勞問題又主要取決于高強螺栓與桿件的連接。

懸掛吊車作用下網架的疲勞破壞主要有以下4種形式：①破壞形式為高強螺栓在栓桿與螺栓球表面下第一個絲扣相咬合的螺紋處斷裂，在第一個絲扣咬合處的螺栓在吊車工作的過的過程中，會受到貨物的重力和水平的次應力，高強螺栓的彈性限度非常小，所以在長期高強度的吊運工作中，容易超出自身的承受能力而發(fā)生斷裂，這是無可避免的，要解決這個問題只能通過更換高強螺栓的材質，選擇更加耐用的材料，或者優(yōu)化端板與螺栓球的聯結方式，增加一組螺栓，這樣施加在單組螺栓上的力就會小一些，從而增加高強螺栓的使用壽命。②破壞形式為高強螺栓栓桿根部疲勞斷裂，這種斷裂方式和第一種的原因是差不多的，在實際的網架下帶懸掛吊車工作過程中，第一種斷裂方式會引起螺栓帽的破壞，而這一種只是栓桿斷裂，更換一個高強螺栓就可以解決。③破壞形式是吊點肋板與底板連接角焊縫疲勞斷裂，在吊車的工作工程中，經常需要吊運重量較大的物體，受到物體重力的影響，吊點肋板和底板連接角的焊縫可能會發(fā)生疲勞斷裂的情況，取決于焊接材料的選用和焊接工藝，這是焊接組件的系統性疲勞，不能從根本上解決，只能通過更換更好的焊接材料和先進的焊接工藝，降低這種疲勞斷裂發(fā)生的頻率，延長焊縫的使用壽命，增強焊縫的連接穩(wěn)定性；④破壞形式是懸掛吊車軌道與吊點的連接的螺栓斷裂，吊車軌道與吊點的連接是通過高強螺栓實現的，由于吊車經常處于高強度工作的狀態(tài)，所以如果不能經常性地維護和保養(yǎng)螺栓，就會發(fā)生吊點螺栓斷裂的問題。

2.4 支座處理

在網架下懸掛吊車中，支座處理主要的目的是為了釋放水平荷載產生的位移。在網架模型的簡化過程中，還是讓豎直方向固定，水平方向為彈簧支座，不需要把支座設計成能夠抵抗水平荷載的模型。通常國內的網架下懸掛吊車使用的是板式橡膠墊支座，其具有較好的彈性和足夠的豎向剛度，能夠承受吊車產生的垂直荷載。支座的處理主要就是對支座進行嵌合與安裝，將其安裝到吊車合適的位置，并調整支座的方向形狀和大小。

3 結語

網架下懸掛吊車在國內的應用范圍非常廣泛，無論是民用建筑還是工業(yè)建筑都有較多的使用，尤其是工業(yè)建筑中，因為網架結構本身具有重量輕，剛度大和靈活性強的特點，所以能夠適應多種工業(yè)建筑的安裝需求。并且因為許多工業(yè)工藝中，都需要使用吊車，而網架下懸掛吊車能夠節(jié)省建設成本，增強穩(wěn)定性。在國內的應用比較普及。但是國內對于網架下懸掛吊車的技術還不夠先進，管理也存在問題。從技術上看，網架下懸掛吊車主要涉及節(jié)點連接形式、荷載機制，疲勞破壞和支座處理4個方面。在今后的網架下懸掛吊車的使用過程中，需要注意這些技術點，以建設更有質量的工業(yè)建筑。