門式起重機走行軌受力性能及影響規(guī)律研究

張婭敏

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

1 前言

門式起重機又稱龍門吊，通過兩側(cè)支腿支撐在地面軌道上進行起吊作業(yè)。龍門吊具有場地利用率高、通用性強等優(yōu)點，通常用在鐵路貨場、碼頭等，是露天物資轉(zhuǎn)運作業(yè)較為理想的起重設(shè)備。在場地允許的情況下，支撐龍門吊支腿的走行軌結(jié)構(gòu)通常水平安裝于地面上，可采用類似鐵路線路的軌枕結(jié)構(gòu)，也可以采用鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。軌枕基礎(chǔ)因要求經(jīng)常進行補砟、抬軌等養(yǎng)護工作，實際多采用鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。使用過程中，龍門吊沿著走行軌水平運行，龍門吊自重及吊裝荷載通過支腳作用在走行軌結(jié)構(gòu)上。底部的軌道結(jié)構(gòu)直接承受來自滾輪的集中荷載作用，并通過軌道結(jié)構(gòu)中的承軌梁將荷載傳遞到樁基和地基持力層，軌道結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)對龍門吊的運行、吊裝安全至關(guān)重要。

現(xiàn)場對某物流基地龍門吊走行軌排查發(fā)現(xiàn)，隨著線路運營時間的增長，在龍門吊移動荷載作用以及外界環(huán)境影響下，部分地段的龍門吊走行軌出現(xiàn)了不同程度的病害，包括橡膠墊老化竄出、鋼軌脫空、鐵墊板壓彎變形等問題。走行軌病害的出現(xiàn)降低了結(jié)構(gòu)的耐久性，嚴重情況下將會影響龍門吊運行安全。

目前，已有部分研究學(xué)者針對龍門吊走行軌結(jié)構(gòu)進行了相關(guān)研究。施有志對地鐵豎井深基坑與龍門吊軌道基礎(chǔ)共同作用進行了分析；呂濤對跨徑式龍門吊軌道基礎(chǔ)設(shè)計與施工進行了研究；陳旭對異形基坑龍門吊安裝可行性進行了研究；劉靜華對龍門吊走行軌基礎(chǔ)及鋪軌施工工藝進行了研究。當(dāng)前針對龍門吊走行軌的研究主要集中在設(shè)計和施工方面，對走行軌結(jié)構(gòu)受力性能的研究較少，結(jié)合走行軌現(xiàn)場病害，針對軌道結(jié)構(gòu)受力性能影響規(guī)律研究基本沒有。

本文基于有限元方法，結(jié)合現(xiàn)場對某物流基地龍門吊走行軌的調(diào)研情況，建立龍門吊走行軌結(jié)構(gòu)有限元分析模型，研究走行軌結(jié)構(gòu)的受力性能及影響規(guī)律，研究成果可為門式起重機走行軌的優(yōu)化設(shè)計和養(yǎng)護維修提供一定理論參考。

2 走行軌結(jié)構(gòu)有限元分析模型

2.1 軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計情況

某物流基地集裝箱配置了雙梁箱型門式起重機2臺，最大輪壓31t。門式起重機走行軌結(jié)構(gòu)由QU80鋼軌、壓板總成、橡膠墊板、鐵墊板、承軌梁、預(yù)埋螺栓、調(diào)校螺栓等組成。結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，鋼軌通過壓板總成進行固定，軌下設(shè)橡膠墊板鋪設(shè)在鐵墊板上，鐵墊板直接與軌道梁作用。

圖1 走行軌結(jié)構(gòu)設(shè)計情況

2.2 走行軌結(jié)構(gòu)有限元分析模型

2.2.1 計算參數(shù)

鋼軌采用QU80鋼軌，扣壓鋼軌的壓板總成間距0.5m。軌下橡膠墊板尺寸長150mm×寬120mm×厚10mm，橡膠墊板剛度100kN/mm，橡膠墊板彈性模量可通過橡膠墊剛度和尺寸換算得到。鐵墊板尺寸長300mm×寬150mm×厚20mm。承軌梁混凝土等級為C30。門式起重機走行軌結(jié)構(gòu)主要組成部件材料參數(shù)如表1所示。

表1 走行軌結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

門式起重機走行軌位于直線上，且運行速度較低，軌道結(jié)構(gòu)主要承受起重機的垂向荷載作用。本文重點研究走行軌結(jié)構(gòu)在起重機垂向荷載作用下的靜力特性及影響規(guī)律，垂向荷載取輪壓31t，考慮1.1倍的動載系數(shù)。

2.2.2 計算模型

鋼軌、橡膠墊板、鐵墊板、承軌梁采用實體單元模擬，各部件尺寸均按設(shè)計尺寸取值。壓板總成對鋼軌的扣壓作用采用彈簧單元模擬。各部件接觸界面切向采用摩擦接觸模擬，摩擦系數(shù)取0.8，垂向采用硬接觸模擬。承軌梁底部采用固定約束，鋼軌兩端采用對稱約束。為避免邊界效應(yīng)的影響，共建7個壓板總成長度模型，總長3.5m。荷載施加在鋼軌正中間位置，軌道結(jié)構(gòu)有限元分析模型，如圖2所示。

圖2 走行軌結(jié)構(gòu)有限元分析模型

3 走行軌結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究

走行軌結(jié)構(gòu)在門式起重機輪壓垂向荷載作用下，各部件受力變形典型指標云圖如圖3所示。

圖3 走行軌結(jié)構(gòu)受力變形云圖

由圖3可知，在門式起重機垂向荷載作用下，鋼軌最大拉應(yīng)力和垂向位移分別為118.4MPa和1.746mm，受力小于鋼軌抗拉強度設(shè)計值，變形滿足設(shè)計要求。鐵墊板最大拉應(yīng)力為7.767MPa，整體受力較小。承軌梁最大拉、壓應(yīng)力分別為0.642MPa和2.867MPa，未超過C30混凝土抗拉、壓強度設(shè)計值。綜上可知，走行軌結(jié)構(gòu)在門式起重機垂向荷載作用下，各部件受力變形水平較小，均滿足設(shè)計要求。

4 走行軌結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響規(guī)律研究

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研情況，研究軌下橡膠墊板彈性模量、鐵墊板厚度、鐵墊板脫空范圍和脫空型式對走行軌結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響規(guī)律。

4.1 橡膠墊板彈性模量影響

現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)橡膠墊板存在不同程度的老化情況，導(dǎo)致彈性模量發(fā)生變化。本節(jié)研究橡膠墊彈性模量對結(jié)構(gòu)受力性能的影響，彈性模量分別取25.25、50.5、101、202、303、404和505MPa，其中50.5MPa為標準工況。計算不同工況時，軌道結(jié)構(gòu)其他尺寸、材料參數(shù)保持不變。

由圖4可知，橡膠墊板壓應(yīng)力、鐵墊板和承軌梁拉應(yīng)力均隨著橡膠墊彈性模量的增加呈非線性增大，但應(yīng)力值均在各部件抗拉、壓設(shè)計強度范圍內(nèi)。當(dāng)橡膠墊板彈性模量由標準工況的50.5MPa增加至505MPa時，橡膠墊壓應(yīng)力由1.687MPa增加至2.59MPa，增加了53.5%，鐵墊板最大拉應(yīng)力由7.767MPa增加至13.1MPa，增加了68.7%，承軌梁由0.642MPa增加至1.081MPa，增加了68.4%。由此可見，橡膠墊板老化會一定程度惡化橡膠墊板、鐵墊板和承軌梁的受力，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)橡膠墊板老化失效，應(yīng)及時進行更換處理。

圖4 走行軌結(jié)構(gòu)受力變形曲線

4.2 鐵墊板厚度影響

現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，部分鐵墊板厚度存在尺寸偏差，本節(jié)研究鐵墊板厚度對結(jié)構(gòu)受力性能的影響，厚度分別取10、15、20、25和30mm，其中，20mm為標準工況。計算不同工況時，軌道結(jié)構(gòu)其他尺寸、材料參數(shù)保持不變，橡膠墊彈性模量取標準工況的50.5MPa。

由圖5可知，鐵墊板、承軌梁受力隨著鐵墊板厚度的增加先減小，當(dāng)厚度超過20mm后逐漸增加。當(dāng)鐵墊板厚度由20mm減小至10mm時，鐵墊板拉應(yīng)力由7.767MPa增加至9.856MPa，增加了26.9%；承軌梁拉應(yīng)力由0.642MPa增加至0.693MPa，增加了7.9%；當(dāng)鐵墊板厚度由20mm增加至30mm時，鐵墊板應(yīng)力由7.767MPa增加至9.212MPa，增加約18.6%；承軌梁拉應(yīng)力由0.642MPa增加至0.684MPa，增加約6.5%。由此可知，鐵墊板變薄或變厚均會一定程度惡化鐵墊板和承軌梁的受力，變薄相對更為不利，但整體而言，影響程度有限。

圖5 走行軌結(jié)構(gòu)受力變形曲線

4.3 鐵墊板脫空影響

現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，部分鐵墊板泡水銹蝕，鐵墊板與承軌梁之間存在不同程度的脫空情況。本節(jié)研究鐵墊板不同脫空范圍和脫空型式對結(jié)構(gòu)受力性能的影響。脫空分為沿走行軌方向的縱向和線路橫向兩種脫空型式，脫空區(qū)域通過節(jié)點偏移實現(xiàn)，縱、橫向脫空示意如圖6所示。

圖6 鐵墊板脫空型式示意

為方便計算，根據(jù)網(wǎng)格劃分確定不同的計算工況，分別為沿走行軌方向縱向和線路橫向脫空0%（不脫空）、14.67%、29.33%、44.0%、62.67%、81.33%， 其 中 0%為標準工況。計算不同工況時，軌道結(jié)構(gòu)其他尺寸、材料參數(shù)保持不變，橡膠墊板彈性模量取標準工況的50.5MPa、鐵墊板厚度取20mm。

在相同輪壓垂向荷載作用下，鐵墊板縱向脫空81.33%，走行軌部分結(jié)構(gòu)受力變形典型指標云圖如圖7所示。

圖7 走行軌部分結(jié)構(gòu)受力云圖

由圖7可知，鐵墊板縱向脫空，在輪壓垂向荷載作用下，鐵墊板整體呈橫向兩端翹曲的U型變形，鐵墊板端和板中最大相差2.146mm。承軌梁在脫空區(qū)域的邊緣支撐位置會出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大達3.812MPa，超過C30混凝土極限抗拉強度。相較正常不脫空情況，當(dāng)縱向脫空范圍達到81.33%時，鐵墊板和承軌梁的拉應(yīng)力分別增大約3.17倍和4.94倍；鐵墊板垂向位移變化最為明顯，由0.0355mm增加至1.754mm。

由圖8可知，隨著脫空范圍的增加，鐵墊板受力變形整體呈非線性增加，當(dāng)脫空范圍超過29.3%時，增加速度迅速增加?？v向脫空情況下的受力變形整體大于橫向脫空。對于橫向脫空情況，當(dāng)脫空范圍超過29.3%時，承軌梁拉應(yīng)力迅速增加，當(dāng)橫向脫空超過50%時，承軌梁混凝土拉應(yīng)力將達到C30混凝土極限抗拉強度。對于縱向脫空情況，當(dāng)縱向脫空超過26%時，承軌梁混凝土拉應(yīng)力將達到C30混凝土極限抗拉強度。相同脫空百分比情況下，縱向脫空對承軌梁的受力更為不利；隨著脫空百分比的增加，兩種脫空情況下的承軌梁拉應(yīng)力相差越來越來小，并逐漸趨于相同。

圖8 走行軌結(jié)構(gòu)受力變形曲線

綜上可知，鐵墊板脫空會急劇惡化走行軌結(jié)構(gòu)受力變形，且縱向脫空對承軌梁的受力更為不利。建議現(xiàn)場養(yǎng)護維修時，重點檢查鐵墊板與承軌梁接觸面混凝土是否存在離縫脫空或泛漿冒泥病害，加強走行軌排水設(shè)計，防止鐵墊板銹蝕脫空。

5 結(jié)語

（1）在門式起重機垂向荷載作用下的正常走行軌結(jié)構(gòu)，各部件受力變形較小，滿足設(shè)計要求。（2）橡膠墊板彈性模量由50.5MPa增加至505MPa，鐵墊板和承軌梁最大拉應(yīng)力增加68.7%和68.4%，橡膠墊板老化會一定程度惡化走行軌結(jié)構(gòu)受力，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)橡膠墊板老化失效應(yīng)進行及時更換處理。（3）鐵墊板厚度由20mm減小至10mm時，鐵墊板和承軌梁最大拉應(yīng)力分別增加26.9%和7.9%，鐵墊板厚度增加至30mm時，鐵墊板和承軌梁最大拉應(yīng)力分別增加18.6%和6.5%，鐵墊板變薄或變厚均會一定程度惡化結(jié)構(gòu)受力，變薄相對更為不利。（4）鐵墊板脫空會急劇惡化走行軌結(jié)構(gòu)受力變形，且縱向脫空對承軌梁的受力更為不利。當(dāng)橫向脫空范圍超過29.3%時，承軌梁拉應(yīng)力迅速增加，當(dāng)橫向脫空超過50%或縱向脫空超過26%時，承軌梁混凝土拉應(yīng)力將達到混凝土極限抗拉強度。（5）建議現(xiàn)場養(yǎng)護維修時重點檢查鐵墊板與承軌梁接觸面混凝土是否存在離縫脫空或泛漿冒泥現(xiàn)象，加強排水設(shè)計，防止鐵墊板銹蝕脫空。