鋼結(jié)構(gòu)吊車梁正常使用極限狀態(tài)分析

李 志 剛

(中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223)

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·結(jié)構(gòu)·抗震·

鋼結(jié)構(gòu)吊車梁正常使用極限狀態(tài)分析

李 志 剛

(中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223)

針對鋼結(jié)構(gòu)吊車梁的正常使用極限狀態(tài)，對相關(guān)規(guī)范的有關(guān)條款進(jìn)行了詳細(xì)分析，在撓度、安裝精度、構(gòu)造公差、運(yùn)行公差等概念的基礎(chǔ)上，介紹了滿載運(yùn)行公差的概念，提出了用于滿載運(yùn)行公差控制的準(zhǔn)則，建議將《起重機(jī) 車輪及大車和小車軌道公差 第一部分：總則》應(yīng)用于吊車梁正常使用極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

吊車梁，鋼結(jié)構(gòu)，滿載運(yùn)行公差，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)由排架柱子系統(tǒng)、吊車梁系統(tǒng)、屋蓋系統(tǒng)、墻架等系統(tǒng)組成,是為完成某項(xiàng)工業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)而設(shè)計(jì)的工廠建筑產(chǎn)品。其中吊車梁系統(tǒng)直接擔(dān)負(fù)廠房的重要設(shè)備——起重機(jī)，是重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。吊車梁的正常使用極限狀態(tài)，在目前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》控制。詳見其附錄A.1.1條“受彎構(gòu)件的允許撓度值”規(guī)定：吊車梁豎向撓度，輕級工作制L/800，中級工作制L/1 000，重級工作制L/1 200。隨著時代發(fā)展，廠房柱網(wǎng)越來越大，吊車起重量越來越大，這個指標(biāo)作為控制值已經(jīng)不能完全滿足時代發(fā)展的要求。某些工程投入使用后，有情況反饋吊車通行時噪聲較大、大車輪啃軌、走行不暢。類似現(xiàn)象多出現(xiàn)在廠房抽柱處，在非抽柱處少有發(fā)生。

1 問題的提出

某車間廠房局部布置如下：BC跨的跨度24 m；該跨布置兩臺180/50 t吊車；廠房基本柱距12 m：在B列為…12 m,24 m,12 m…，在C列為…12 m,12 m,12 m,12 m…。

吊車荷載資料按吊車廠家的設(shè)備資料：180/50 t吊車，Lk=21 m，起重機(jī)總重315 t(其中小車重100 t)，吊車適配軌道QU120。

吊車梁系統(tǒng)采用鋼結(jié)構(gòu)；吊車梁為焊接H形；水平制動系統(tǒng)采用制動梁，寬度3 m，兼做走道板(t=8)；板邊設(shè)置安全防護(hù)欄桿，按國標(biāo)02(03)J401選擇JG 2—12；軌道按設(shè)備要求為QU120；壓軌器按JB/T 10543軌道固定裝置選擇WJK8。

吊車梁系統(tǒng)永久荷載：走道板自重0.8 kN/m2，欄桿0.15 kN/m，軌道1.18 kN/m，壓軌器0.1 kN/m。

吊車梁系統(tǒng)可變荷載：走道板灰荷載0.5 kN/m2，行人荷載2 kN/m2，吊車梁系統(tǒng)吊掛工藝管道管線荷載10 kN/m。

由以上條件計(jì)算得：吊車梁均布線荷載(永久荷載)為2.63 kN/m，均布線荷載(可變荷載)為8.75 kN/m。

進(jìn)而計(jì)算得：24 m跨附加彎矩標(biāo)準(zhǔn)組合為819 kN·m，附加彎矩基本組合為1 109 kN·m。

12 m跨附加彎矩標(biāo)準(zhǔn)組合為205 kN·m，附加彎矩基本組合為277 kN·m。

吊車梁自重由程序自動計(jì)算。

經(jīng)軟件計(jì)算滿足現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)要求。但現(xiàn)場反饋，該吊車在抽柱處通行時噪聲較大、大車輪啃軌、走行不暢。鑒于起重機(jī)設(shè)備正常，初步判斷吊車梁撓度影響了起重機(jī)的正常使用。

2 吊車設(shè)備決定吊車梁的正常使用極限狀態(tài)

針對上述問題，筆者思考如下：吊車和汽車相類似，需要在相對平坦的路面運(yùn)行，路面的平整度會影響其運(yùn)行。通過查閱相關(guān)的起重機(jī)設(shè)備規(guī)范，在GB/T 10183.1—2010起重機(jī) 車輪及大車和小車軌道公差 第一部分：總則(以下簡稱《總則》)找到相關(guān)條款：軌道任一點(diǎn)處相應(yīng)兩軌道頂面的高度差(即車輪與軌道接觸形成的平面)應(yīng)在一定公差范圍內(nèi)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員很少接觸專業(yè)外的其他規(guī)范，導(dǎo)致知識的某種缺失。筆者自問：廠房用來干什么，怎樣滿足使用的要求。這需要學(xué)習(xí)相關(guān)設(shè)備規(guī)范，了解設(shè)備運(yùn)行條件，從本質(zhì)上掌握結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)。

1)各專業(yè)的規(guī)范從各自不同角度詮釋吊車梁的正常使用極限狀態(tài)。引述如下：

a.《總則》規(guī)定了吊車設(shè)備正常安裝及運(yùn)行的軌道頂面標(biāo)高要求。定義“在起重機(jī)投入運(yùn)行之前，在新裝、改裝、重裝或維修組裝起重機(jī)期間，由起重機(jī)整機(jī)及其軌道的裝配產(chǎn)生的偏離規(guī)定尺寸的允許量值”為構(gòu)造公差，按其表2，規(guī)定軌道頂面構(gòu)造公差E(軌道任一點(diǎn)處相應(yīng)兩軌道頂面的高度差)為0.5S/1 000，極限值±5 mm。定義“由于起重機(jī)的使用，致使起重機(jī)和軌道產(chǎn)生的偏離規(guī)定尺寸的允許量值”為運(yùn)行公差，按其表7，規(guī)定軌道頂面運(yùn)行公差Ew1(軌道任一點(diǎn)處相應(yīng)兩軌道頂面的高度差)為±10 mm。

b.《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的附錄A.1.1條“受彎構(gòu)件的允許撓度值”。規(guī)定單個吊車梁豎向撓度，輕級工作制L/800，中級工作制L/1 000，重級工作制L/1 200。

c.《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(以下簡稱《驗(yàn)收規(guī)范》)的附錄E.0.2條“鋼吊車梁安裝的允許偏差”。規(guī)定結(jié)構(gòu)安裝時同跨間內(nèi)同一橫截面吊車梁頂面標(biāo)高差Δ，在支座處10 mm，其他處15 mm。

2)以上條款敘述的對象各不同，但又具有相關(guān)性、相似性，《總則》系設(shè)備規(guī)范，其關(guān)注點(diǎn)為軌道頂面標(biāo)高的公差?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》其關(guān)注點(diǎn)為吊車梁，從單個吊車梁撓度來考慮的?！厄?yàn)收規(guī)范》聚焦在施工安裝階段，其關(guān)注點(diǎn)為吊車梁安裝標(biāo)高差。解讀時應(yīng)注意其區(qū)別與聯(lián)系。

a.軌道頂面標(biāo)高與吊車梁頂面標(biāo)高的關(guān)系。

起重機(jī)設(shè)備運(yùn)行在以兩條軌道為基礎(chǔ)的一個水平面上，以雙邊軌道頂面標(biāo)高差(即吊車梁頂面標(biāo)高差)作為吊車正常安裝、運(yùn)行的控制參數(shù)。軌道頂面標(biāo)高公差與起重機(jī)設(shè)備安裝和運(yùn)行直接關(guān)聯(lián)，它是正常使用極限狀態(tài)的直接要求。

吊車梁頂面標(biāo)高是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工的控制點(diǎn)。因?yàn)檐壍雷陨韯偠炔淮?，其頂面?biāo)高由吊車梁決定，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以吊車梁頂面標(biāo)高為控制目標(biāo)是可行的。

b.雙邊軌道頂面標(biāo)高的“構(gòu)造公差”。

軌道頂面形成吊車設(shè)備組裝的安裝工作臺，《總則》構(gòu)造公差就是對這個工作臺的精度要求。 “標(biāo)高差”是安裝公差與撓度變形的總和，其要求該公差在吊車空載時檢測確定。這表明：必須考慮吊車梁系統(tǒng)自重的撓度效應(yīng)，在吊車設(shè)備開始組裝到完成組裝的整個過程中，考慮設(shè)備重量的撓度效應(yīng)，以及吊車梁安裝公差。如果支座處存在安裝公差，則設(shè)計(jì)撓度限值可能還需要減小，換句話說，由于撓度的存在，必須嚴(yán)控支座處的安裝公差，最終要以構(gòu)造公差限值作為評判標(biāo)準(zhǔn)。

《驗(yàn)收規(guī)范》要求雙邊“吊車梁頂面”標(biāo)高差的精度。屬性為安裝公差，它是吊車梁的安裝精度而不是軌道的安裝精度。本條款不要求考慮吊車荷載的作用，但同時內(nèi)含一個條件：兩邊吊車梁在吊車梁系統(tǒng)自重作用時，其最大撓度差不得超過15 mm。

《總則》的“構(gòu)造公差”與《驗(yàn)收規(guī)范》吊車梁安裝精度的意義相輔相成又有所不同。都是對雙邊“吊車梁頂面”標(biāo)高公差的要求，但《驗(yàn)收規(guī)范》的要求低于《總則》，如僅滿足《驗(yàn)收規(guī)范》要求的下限，在安裝軌道時則可能需要相應(yīng)調(diào)整才能滿足《總則》要求。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明中，宜指出軌道安裝應(yīng)按《總則》執(zhí)行。對于有經(jīng)驗(yàn)的營造商，在吊車梁安裝時按《總則》要求對吊車梁頂面標(biāo)高作出控制，以避免在安裝軌道時的二次調(diào)整。

c.雙邊軌道頂面標(biāo)高的“運(yùn)行公差”。

起重機(jī)設(shè)備在軌道頂面的平面運(yùn)行，《總則》運(yùn)行公差就是對這個運(yùn)行平臺的精度要求。同樣，“標(biāo)高差”是安裝公差與撓度變形的總和，其要求該公差在吊車空載時檢測確定。設(shè)計(jì)時的思考方法參照本文2.2.2。

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求在吊車滿載時最不利工況下的單邊吊車梁撓度。該條款從單邊吊車梁撓度來考慮，卻沒有將雙邊吊車梁允許變形共同考慮。

《總則》“運(yùn)行公差”與《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》吊車梁撓度的意義有所不同但又有所關(guān)聯(lián)?！斑\(yùn)行公差”是雙邊軌道頂面標(biāo)高公差，通過計(jì)算雙邊吊車梁分別在吊車空載最大、最小輪壓下的撓度，得到雙邊軌道頂面標(biāo)高公差。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》吊車梁撓度是單邊吊車梁撓度，計(jì)算一側(cè)吊車梁在吊車滿載的最大輪壓下的撓度。

d.“構(gòu)造公差”與“運(yùn)行公差”。

“構(gòu)造公差”較嚴(yán)格，雖然條款沒有說明其適用區(qū)域，但從其定義來看，它是為組裝起重機(jī)設(shè)備而定義的，筆者認(rèn)為僅適用于組裝區(qū)域，不宜用于整個廠房。

“運(yùn)行公差”相對寬泛，整個廠房的吊車梁軌道標(biāo)高差均要滿足其要求。

e.以上條款從結(jié)構(gòu)、設(shè)備等不同層面提出了明確的控制指標(biāo)，對指導(dǎo)設(shè)計(jì)有著重要意義。遺憾的是在“運(yùn)行公差”中，只對吊車空載提出運(yùn)行公差要求，沒有對吊車滿載提出運(yùn)行公差的要求，致使在設(shè)計(jì)工作即將收官的最后階段缺乏明確的設(shè)計(jì)控制要求。

3)核查案例的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)踯囘\(yùn)行至抽柱附近時，B列線吊車梁撓度約20 mm，帶動軌道下沉；而C列線是吊車梁支座，撓度為0，軌道沒有下沉。B，C列軌道面標(biāo)高差為20 mm。導(dǎo)致同一吊車跨在跨中處兩條軌道變位不一致，當(dāng)其差值較大時，影響吊車的正常運(yùn)行。

3 吊車梁正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)及施工

吊車梁關(guān)系到起重機(jī)正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)時應(yīng)進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)控制，施工時應(yīng)執(zhí)行安裝精度控制，以保證最終符合《總則》的公差要求。1)設(shè)計(jì)按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的吊車梁撓度要求，控制一側(cè)吊車梁在吊車滿載的最大輪壓下的撓度。2)設(shè)計(jì)按《總則》的構(gòu)造公差要求，通過計(jì)算雙邊吊車梁分別在吊車空載的最大、最小輪壓下的撓度，校核構(gòu)造公差。設(shè)計(jì)應(yīng)與施工溝通，確定起重機(jī)設(shè)備組裝位置，并對該范圍的吊車梁執(zhí)行構(gòu)造公差控制。從受力—位移原理，吊車設(shè)備組裝時宜選擇左右兩邊吊車梁剛度對稱位置進(jìn)行設(shè)備組裝，一般可以滿足構(gòu)造公差要求。如果因工藝布置或施工現(xiàn)場空間原因吊車設(shè)備組裝必須在抽柱位進(jìn)行時，在設(shè)計(jì)時應(yīng)做好構(gòu)造公差控制預(yù)案：一種方法是通過計(jì)算軌道頂面高差控制吊車梁截面，滿足0.5S/1 000或極限值±5 mm的要求。另一種方法是在安裝軌道時調(diào)整軌道頂面標(biāo)高。3)設(shè)計(jì)按《總則》的運(yùn)行公差要求，通過計(jì)算雙邊吊車梁分別在吊車空載的最大、最小輪壓下的撓度，校核運(yùn)行公差。4)設(shè)計(jì)提出施工安裝相關(guān)要求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中說明吊車梁、軌道安裝應(yīng)按《總則》執(zhí)行。5)針對現(xiàn)行規(guī)范沒有規(guī)定吊車滿載運(yùn)行時雙邊吊車梁軌道頂面標(biāo)高公差的情況，筆者提出建立“滿載運(yùn)行公差”的概念，從有利于設(shè)備使用的角度出發(fā)更好地滿足吊車的正常使用。a.對于抽柱排架的吊車梁，鑒于非抽柱排架少有出現(xiàn)因高低差造成運(yùn)行困難，以此為實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)結(jié)合相關(guān)規(guī)范的條款，筆者建議：假設(shè)兩側(cè)均為大跨度的吊車梁，考慮吊車滿載時的最大輪壓、最小輪壓分別作用在兩邊吊車梁，計(jì)算兩邊吊車梁撓度差作為控制標(biāo)準(zhǔn)，在規(guī)范沒有明確條款的情況下暫時作為設(shè)計(jì)控制方法。b.對于非抽柱排架的吊車梁，由于少有吊車運(yùn)行困難現(xiàn)象，是否空載運(yùn)行公差可以滿足滿載運(yùn)行尚無結(jié)論，對其滿載運(yùn)行公差，筆者建議：比較滿載最大輪壓與空載最大輪壓，滿載最小輪壓與空載最小輪壓，取其較小比值乘以空載運(yùn)行公差極限10 mm，作為“滿載運(yùn)行公差”進(jìn)行設(shè)計(jì)控制。6)對案例重新設(shè)計(jì)分析，采用3.5.1的控制方法，嚴(yán)格控制滿載運(yùn)行公差，對比吊車梁材料重量比原設(shè)計(jì)增大12%～15%。

[1] GB/T 10183.1—2010，起重機(jī) 車輪及大車和小車軌道公差 第一部分：總則[S].

[2] GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB 50205—2001，鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].

Analyse of the crane girder in steel structure design

Li Zhigang

(WISDRIEngineering&ResearchIncorporationLimited,Wuhan430223,China)

A focusing study of serviceability limits states of crane beam is made by the author. Based on the detailed analysis of the items of deflection, installation tolerances, construction tolerances, operational tolerances from the governing codes, the concept and criteria of operational tolerances under capacity load are introduced.Crane-TolerancesforWheelsandTravelandTraversingTracks-Part1,Generalshould be applied to normal design procedure.

crane girder， steel structure， operational tolerance under capacity load, structure design

1009-6825(2016)18-0034-02

2016-04-19

李志剛(1965- )，男，高級工程師

TU391

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