吊车梁选型计算及结构设计探讨

1概述

吊车梁需承受移动的吊车荷载，因此与一般的受弯构件相比，吊车梁受力情况更加复杂。在进行吊车梁选型时，我们需要考虑多种影响因素。通常情况下可以根据起重机的工作机制和吊车梁的跨度，来初步确定吊车梁是否需要设置辅助制动结构，但具体情况还需根据实际受力分析结果确定。

2案例分析

2．1工程概况。某大型多层厂房为钢网架结构，厂房内吊车梁为桥式吊车梁，有200t和50t两台吊车运行，吊高为24m，相邻吊车梁跨度为7．5m和15m，设置制动梁和制动桁架两种制动结构。根据《钢结构设计规范》和《建筑结构荷载规范》，吊车梁工作级别为中级工作制A5级，钢材类别应选用Q345钢材。起重重量为200t，吊车最大轮压为45kN，单侧轮数为8，吊车宽度为10．2m;起重重量为50t，吊车最大轮压为45kN，单侧轮数为2，吊车宽度6．5m。吊车梁选用焊接工字型钢梁系统。2．2吊车梁的特点。为方便施工，本工程吊车梁按简支结构设计，由于吊车吨位大、跨度大、两台吊车作业，横向水平刹车荷载较大，因此在吊车梁高度及制动结构选取时，需综合考虑各方面的影响因素［2］。1)本工程中吊车梁局部柱距分别为15m和7．5m，吊车梁高度不同。由于大部分的柱距为7．5m，因此可将15m柱距的吊车梁做成高度不等、腹板截面变化的梁。在设计变截面吊车梁时，15m与7．5m两跨度差距大，吊车梁高度差值也大，故采用中间截面高度过渡，使吊车梁高度选取既满足强度、稳定性和挠度等方面的要求，又更加经济合理。2)本工程中吊车吨位大、跨度大，为保证吊车梁的整体稳定性，同时增加吊车梁的侧向刚度，应选择合适的吊车梁制动结构。本工程中，7．5m跨度拟采用制动梁结构，即吊车梁+制动板+制动边梁(见图1);15m跨度拟采用制动桁架结构，即吊车梁+制动桁架+辅助桁架(水平支撑)(见图2)。3)本工程吊车起重量为200t的中级工作制，在考虑其制动板或制动桁架的腹杆连接板与梁上翼缘间的连接时，应优先考虑采用高强螺栓或铆钉连接，且由于其焊缝等级要求高，还应进行疲劳计算。2．3PKPM吊车梁计算过程。设计钢吊车梁时，应在PKPM软件组中使用钢结构工具箱的“吊车梁—工字型吊车梁”进行数据录入设计工作［3］。由于本工程选用的起重机为非标准数据，故在数据库中无此起重机样本，应根据厂家提供样本自己添加数据。本工程根据四川沱江的起重机公司提供的样本，添加输入起重机跨度、最大轮压、最小轮压、轮距等特性数据。在PKPM中输入吊车梁截面数据，可以按自己设计需求选择，然后根据拟选定的吊车系统形式，输入制动板或制动桁架数据，在输入制动结构信息时，应考虑制动板的允许宽度，避免输入数据错误而反复计算。《钢结构设计规范》第6．1．1条规定:直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化的循环次数n≥5×104次时，应进行疲劳计算［1］。由于本工程为中级工作制A5级，起重重量为200t，50t两台，且循环次数大于规范要求，故应考虑疲劳计算(如图3所示)。吊车数据全部输完后，运行PKPM软件进行吊车梁计算，最后输出吊车梁计算书，输出计算书时可选择输出文件类型(．doc或PDF)。在PKPM软件输出文件中可看出计算结果有多个截面可以选取，而PKPM会选取最经济截面以供设计者参考(见图4)。本工程中PKPM软件自动选择截面非整数，故设计时应根据需求进行选取和调整，然后返回PKPM吊车梁计算程序中进行吊车梁截面验算，验算结果须均满足规范要求，方可按此结果进行进一步设计。2．4制动结构设计。制动梁结构由吊车梁+制动板+制动边梁(槽钢)组成，为满足建筑需求，制动板需兼做走道板，故应采用防滑钢板。制动边梁设计时，要考虑水平荷载和竖向荷载双向作用，即吊车横向水平力和走道板活荷载2kN/m2。故制动边梁应按双向受弯构件设计。制动桁架结构由吊车梁+制动桁架+辅助桁架(水平支撑)组成，辅助桁架承受荷载主要为自重荷载、人行走道活荷载2kN/m2、吊车横向刹车荷载及风荷载作用［4］。由于辅助桁架是在竖直及水平荷载共同作用下的，因此在计算时，不仅其强度须满足竖直及水平荷载共同作用下的强度要求，而且其挠度也必须同时满足竖向及水平两个方向挠度的要求。由于设有走道板，计算时还需要考虑竖向荷载产生的局部弯矩。2．5连接节点设计。1)吊车梁连接。在本工程中，由于主厂房柱为混凝土格构柱，而在吊车梁标高以上此柱变为单个圆钢管混凝土柱，因此在上柱采取突出550宽的腹板，以便于吊车梁与上柱连接，此连接应采用3M20高强螺栓。吊车梁下翼缘与柱的连接一般采用普通螺栓固定。吊车梁端部传递的荷载复杂，为水平刹车力、纵向风荷载和纵向地震作用分别进行组合计算，故吊车梁与吊车端部采用高强螺栓连接，螺栓间距要同时满足构造及计算要求。2)制动结构的连接。制动板及制动桁架与柱之间用M20高强螺栓连接;制动板与吊车梁上翼缘连接采用直径为M20高强螺栓连接，连接间距按计算结果选取;制动桁架腹杆节点与吊车梁上翼缘采用M20高强螺栓连接。

3结构设计应注意的问题

通过以上工程实例分析，在设计时应注意以下问题:1)吊车梁截面选择。吊车梁跨度不一样，为使柱顶标高统一，柱顶标高差距减小，吊车梁须做变截面。变截面的形式和高度应综合考虑，根据相邻跨度的吊车梁高度进行选择，必要时可采取中间截面过渡，以防止变截面过高影响吊车梁受力。2)吊车梁制动结构选取。吊车梁制动结构包括制动梁和制动桁架。制动系统的选取应根据吊车跨度及起重机的起吊重量进行选取。选取合适的制动结构不仅能满足工作机制需求，而且能节约造价成本。3)吊车梁疲劳计算。在进行疲劳计算时，应考虑影响钢吊车梁本身的结构构件形式，钢材的力学性能以及其工作环境条件。对于不同的吊车梁，进行疲劳设计时，应考虑吊车梁的支座形式、结构形式、钢材型号、跨度大小、支撑和连接形式、焊接形式以及吊车梁工作频率等的影响。例如:对非焊接的构件和连接，其应力循环中不出现拉应力的部位可不计算疲劳强度。而对于单个厂房来说，在疲劳设计时，应考虑应力幅值及应力循环次数的影响。

4结语

在进行吊车梁系统的设计时，设计人员可根据工程特点，充分考虑吊车系统各个组成部分的关系，利用PKPM计算软件计算吊车梁。当然，我们在设计时应把软件作为辅助工具，更要根据自己的设计经验，来判断计算结果是否准确，是否满足相关规范标准的要求，这样才能使吊车梁既能满足规范要求又能经济合理。

参考文献:

［1］GB50017—2017，钢结构设计规范［S］．

［2］王芳，隋春光，刘洋．主厂房钢吊车梁系统设计［J］．城市建设理论研究，2012(35):1-4．

［3］陈文洁，李方慧，赵杰，等．大型吊车梁结构计算对比分析［J］．建筑技术，2018，49(5):545-547．

［4］曹辉．对吊车梁系统设计的相关探讨［J］．城市建设，2012(11):1-6．•73•第46卷第13期2020年7月

作者:任亚丽 单位:军事科学院国防工程研究院