超大噸位超長吊車梁設(shè)計處理技術(shù)

韓 冬 張旭彤 熊新宇

（機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450007）

1 引言

隨著國家加工制造業(yè)的不斷發(fā)展，重型及超重型設(shè)備需求的逐年增加，與之相應(yīng)的超大設(shè)備加工機(jī)械也應(yīng)運而生，促使廠房朝著大跨度、大柱距、大噸位吊車的方向發(fā)展。然而國內(nèi)對重型廠房中大噸位大跨度的吊車梁體系開展的研究較少，同時國內(nèi)尚無一本專用的規(guī)范做為結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)。

2 工程概況

某項目聯(lián)合廠房所生產(chǎn)的構(gòu)件運輸形式有兩種，一種通過廠房內(nèi)900噸吊車運輸行駛出廠房，駛進(jìn)海港中，由輪船進(jìn)行運輸；一種通過拖車裝載駛?cè)肼短熳鳂I(yè)及產(chǎn)品發(fā)運場地。為了滿足拖車行駛的轉(zhuǎn)彎半徑，臨近海港陸地上有一段柱距需要30米的凈空，因此該柱距于岸上部分采用18+33米。廠房外出海港部分33米超長吊車梁采用箱型吊車梁。本文對這種超長吊車梁截面的選取和計算、構(gòu)件穩(wěn)定性、節(jié)點部分細(xì)部計算以及有限元數(shù)值仿真進(jìn)行了詳細(xì)研究。

3 超大跨度箱型吊車梁設(shè)計

3.1 截面選型

大跨度吊車梁結(jié)構(gòu)形式主要有三種，即桁架式吊車梁、實腹式焊接工字型吊車梁和箱型吊車梁。在課題研究的過程中對這三種形式進(jìn)行了比較。

桁架式吊車梁在荷載和跨度都比較大時，桁架能充分利用材料達(dá)到經(jīng)濟(jì)效果，但桿件類型太多，施工質(zhì)量難以保證，又因該吊車梁在海邊，增大了防腐處理的難度。同時，在受力上桁架式吊車梁的水平剛度和豎向剛度較差。

如采用工字型截面吊車梁并設(shè)置輔助桁架、水平支撐、垂直支撐組成抗扭的空間系統(tǒng)，存在吊車梁高度太大、抗扭能力差等問題。

綜合分析后，吊車梁的截面形式采用箱型截面。箱型吊車梁有較強(qiáng)的豎向剛度及抗扭剛度，在同樣荷載工況下所需梁高小于工字型等其他截面的吊車梁，能夠較好的依靠自身的剛度抵抗由橫向剎車力、軌道偏心及風(fēng)荷載所造成的扭矩，相比于其他的截面更為安全可靠。同時箱內(nèi)封閉，空氣不流通，不宜腐蝕，外形簡單，方便防腐維修。箱型吊車梁的缺點是用鋼量較大，加工及安裝難度較大，焊接工作量非常大，焊接的殘余變形也很大，一旦變形量過大，在現(xiàn)場安裝時很可能無法安裝到位，而很大的自身剛度導(dǎo)致變形矯正非常困難。因此要求加工單位要具有相應(yīng)的施工經(jīng)驗并事先制定好一套完整的加工、安裝及運輸方案。本項目的箱型吊車梁總重將達(dá)200t左右，長度為32.65m，這種等級的吊車梁一般無法一次運輸安裝，應(yīng)在工廠分段制作運輸。由于吊車梁位于海面上，安裝所需浮吊或者履帶吊的總起重量一般需要達(dá)到吊車梁的自重的2倍。

3.2 荷載與作用

作用在吊車梁上的荷載相對比較簡單，主要荷載有吊車梁自重、吊車荷載和風(fēng)荷載。吊車梁自重一般的計算程序都會自動考慮，露天跨的吊車共2臺，均為900t，吊車工作等級均為A5?；撅L(fēng)壓0.65kN/m2，吊車梁軌頂標(biāo)高28m，風(fēng)壓高度系數(shù)取1.8。計算時考慮吊車豎向荷載和橫向剎車荷載，吊車荷載和風(fēng)荷載體型系數(shù)見圖1、圖2。

圖1 400t+400t吊車輪壓布置圖（P=935kN）

圖2 風(fēng)荷載體型系數(shù)

3.3 箱型吊車梁計算

箱型吊車梁基本截面是由上下翼緣和兩片腹板組成，然后再根據(jù)需要和構(gòu)造加上各種構(gòu)件，如將吊車梁剪力傳遞給鋼柱的端板，保證腹板穩(wěn)定的縱向、橫向和短加勁肋，增強(qiáng)截面抗扭能力的剛性橫隔，以及將吊車梁輪壓可靠傳遞給鋼梁的傳力構(gòu)件。其中尤其重要的是傳力構(gòu)件的設(shè)置，原則是傳力直接可靠，強(qiáng)度及剛度滿足要求，且盡量少的產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。吊車梁鋼材全部采用Q345C，其中厚度超過40mm以上的板件采用Q345C（Z15）。采用手算確定截面、加勁肋、剛性橫隔及端板的尺寸和板厚，同時驗算強(qiáng)度、變形及穩(wěn)定性。再利用某大型有限元軟件復(fù)核其強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定。根據(jù)荷載和跨度情況，經(jīng)過初步計算確定吊車梁高為4 000m，吊車梁兩腹板間距為2 600mm，上下翼緣均為80mm厚，腹板為40mm厚。

根據(jù)影響線法計算出箱型吊車的內(nèi)力見表1。

3.3.1 箱型吊車梁手算

由于目前沒有適合箱型梁的彎扭理論且便于手工計算的設(shè)計計算公式，所以箱型吊車梁的計算，基本上沿用按工字型簡支梁受彎的計算公式乘以一定的彎扭系數(shù)的方法。經(jīng)手算計算出箱型吊車梁的強(qiáng)度、變形及穩(wěn)定，詳見表2。

表1 箱型吊車梁內(nèi)力組合值

表2 箱型吊車梁內(nèi)力組合值

故箱型截面簡支吊車梁可不計算整體穩(wěn)定。

腹板的局部穩(wěn)定按照兩側(cè)為焊接工字型吊車梁進(jìn)行計算，縱橫加勁肋所要求的慣性矩按單側(cè)加勁肋計算，加勁肋按照構(gòu)造布置時與箱內(nèi)剛性抗扭橫隔相適應(yīng)，與此同時也設(shè)置了向外單側(cè)短的橫向加勁肋。

3.3.2 箱型吊車梁有限元數(shù)值分析

吊車梁的變形屬于彈性變形，應(yīng)用有限元軟件可以求出受荷后的應(yīng)力及變形，本項目采用某有限元軟件中的殼單元對吊車梁的各板件進(jìn)行模擬建立三維的有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖3 吊車梁模型

圖4 應(yīng)力云圖

圖5 豎向位移云圖

從圖4可以看到，吊車梁的最大應(yīng)力位置在吊車梁的中部，最大應(yīng)力值為217N/mm2，小于鋼材抗彎強(qiáng)度設(shè)計值250MPa。

從圖5可以看到，吊車梁的最大豎向位移發(fā)生在吊車梁的中部，最大豎向位移值為35mm，超出了L/1000=33mm，但基本滿足規(guī)范的變形要求。

3.3.3 手算與有限元模擬數(shù)值比較

經(jīng)過手算及有限元數(shù)值模擬，結(jié)果對比見表3。

表3 手算與有限元數(shù)值模擬結(jié)果對比

經(jīng)表3對比可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力分析上有限元模擬結(jié)果與手算結(jié)果相近，撓度值相差比較懸殊，但基本滿足規(guī)范要求，有限元計算撓度較大原因主要是由于支座的模擬與實際情況不完全相同，且吊車梁中部和吊車梁上翼緣未按實際情況進(jìn)行模擬施加約束造成撓度大于手算結(jié)果約百分之七十。

綜上所述，通過手算及有限元分析充分驗證了本課題所設(shè)計的33米箱型吊車梁截面的合理性及安全性，為今后的大跨度吊車梁的設(shè)計提供了更加有利的理論及數(shù)值依據(jù)，間接創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

通過對箱型吊車梁的理論及數(shù)值分析，可以得出大跨度箱型吊車梁的計算理論，即按工字型簡支梁受彎的計算公式乘以一定的彎扭系數(shù)的方法是可行的。同時縱橫加勁肋、箱內(nèi)剛性抗扭橫隔、外部單側(cè)短加勁肋等一系列的構(gòu)造措施，經(jīng)分析對構(gòu)件的整體穩(wěn)定、截面抗扭起到了很好的效果。