水電站廠房200T吊車梁設(shè)計要點(diǎn)探討

郭露瑤

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，湖北 武漢 430064）

0 引言

水電站廠房中，吊車主要用于吊裝發(fā)電機(jī)與水輪機(jī)。吊車梁是直接承受吊車荷載的重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在使用上兼具行業(yè)特點(diǎn)，設(shè)計時對相關(guān)細(xì)節(jié)應(yīng)予以充分重視。本文結(jié)合工程實例，對水電站廠房中200噸位吊車梁的計算方法和設(shè)計要點(diǎn)展開探討，為同類工程設(shè)計提供參考。

1 水電站廠房吊車梁設(shè)計特點(diǎn)

1.1 吊車梁的荷載特點(diǎn)

水電站廠房多采用預(yù)制或現(xiàn)澆鋼筋混凝土吊車梁，其支承方式多為兩端鉸支，也可采用多跨連續(xù)梁[1]。與普通梁相比，吊車有如下特點(diǎn)：

（1）吊車荷載具有往復(fù)性、動力性、復(fù)雜性；（2）吊車荷載引起的梁截面內(nèi)力需通過影響線研究；（3）吊車梁處于加載—卸載循環(huán)狀態(tài)，設(shè)計通常需考慮其疲勞驗算；（4）因存在荷載偏心和軌道安裝偏差，設(shè)計時需考慮吊車梁抗扭問題。

1.2 吊車梁的使用特點(diǎn)[2]

（1）吊車的起吊容量大；（2）工作間歇大，利用率較低；（3）操作速度緩慢；（4）吊車除在機(jī)組安裝及檢修時滿載外，很少在最大荷載下工作。

基于上述原因，水電站廠房吊車屬于輕級工作制，吊車梁可不進(jìn)行疲勞強(qiáng)度驗算。

2 吊車梁計算方法及工程實例

2.1 計算方法概述

2.1.1 手算方法

連續(xù)吊車梁手算內(nèi)力繁瑣，可通過查內(nèi)力計算表實現(xiàn)[3]，但該方法對吊車輪跨比和連續(xù)梁跨度分布均有限制，不能很好適用于水電站廠房柱距分布不均的情況。筆者推薦借助SAP2000等結(jié)構(gòu)分析軟件計算連續(xù)吊車梁的內(nèi)力，此處僅介紹簡支吊車梁的手算方法。

（1）絕對最大彎矩Mmax的計算。若簡支梁上作用一組移動的集中荷載P1、P2、……、Pn，對任一荷載Pi，設(shè)Pi距支座的距離為x，作用在梁上所有移動荷載的合力為R，R與Pi的距離為a，則當(dāng)x=(l-a)/2時，Pi作用點(diǎn)的彎矩達(dá)到最大值，即：

式中：Mi——為Pi左側(cè)所有荷載對Pi作用點(diǎn)的力矩之和。如果合力R在所選Pi的左側(cè)，則x=(l+a)/2。

（2）斜截面最大剪力Qmax及扭矩Tmax的計算。吊車梁斜截面承載力需考慮剪扭共同作用。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，令吊車第一輪位于距支座h0或l0/6（取小值）處，剪力即為Qmax。豎向輪壓P相對吊車梁中心偏心為e1，橫向水平荷載T相對吊車梁彎曲中心偏心為e2，每輪產(chǎn)生的扭矩荷載為[3]：

吊車梁最大扭矩發(fā)生位置影響線與支座最大剪力一致。進(jìn)行抗扭強(qiáng)度計算時，扭矩按塑性抗扭抵抗矩分配給翼緣和腹板。剪扭共同作用的承載力計算見文獻(xiàn)[4]。

（3）最大支座反力Rmax的計算。最大支座反力Rmax為將梁上荷載P乘以相應(yīng)影響線上荷載作用處的豎向數(shù)值（yi）之和，產(chǎn)生Rmax時，一定有一個吊車輪位于支座上。

（4）內(nèi)力組合。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，基本組合時，永久作用分項系數(shù)取1.3，吊車作用分項系數(shù)取1.5，考慮動力系數(shù)μ。普通混凝土梁，最大撓度和最大裂縫寬度按荷載的準(zhǔn)永久組合并考慮長期作用影響。預(yù)應(yīng)力混凝土梁，裂縫和撓度驗算均采用荷載標(biāo)準(zhǔn)組合，并考慮長期作用影響。

2.1.2 基于SAP2000的電算方法

SAP2000是一款通用結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計軟件，應(yīng)用廣泛。用SAP2000計算吊車梁的步驟如下：建立梁模型，釋放端支座彎矩—定義材料并指定梁截面—定義移動荷載（軌道，車輛荷載）[6]—定義荷載模式—定義荷載工況—定義荷載組合—指定軌道和墊層附加的自重線荷載—運(yùn)行分析，求得內(nèi)力和變形。

吊車移動荷載通過定義“車輛荷載”方式實現(xiàn)，實現(xiàn)流程如下：定義車道（模擬吊車軌道）—定義車輛（吊車輪壓）—定義吊車荷載工況（選擇“Moving Load”）。

定義軌道時的“離散化”參數(shù)，表示計算過程的精細(xì)化程度，取值越小，計算結(jié)果越精確，相應(yīng)計算時間越長。

2.2 工程實例分析

2.2.1 吊車資料及吊車梁選型

某水電廠房起重機(jī)數(shù)據(jù)：吊車臺數(shù)1臺，型號QD200/75/10T，工作級別為A3級，小車重63.2t，吊車總重120t，大車軌距Lk=20.5m。大車輪數(shù)8，輪距如圖1所示，最大輪壓Pmax,k=335kN，軌道自重119kg/m，軌道高度170mm，墊層厚度100mm。吊車梁計算跨度為11.6m，初選T形截面，截面尺寸為500mm×2000mm×950mm×200mm。

圖1 吊車輪距及輪壓分布

2.2.2 手算結(jié)果

（1）最大彎矩。為簡化計算，P均取335kN。吊車荷載作用下的最大彎矩：

軌道、墊層和吊車梁自重總和為30.82kN·m。

考慮動力系數(shù)1.05，吊車梁最大彎矩設(shè)計值Mmax：

準(zhǔn)永久組合彎矩M準(zhǔn)：

考慮動力系數(shù)1.05，吊車梁最大剪力設(shè)計值：

（3）控制截面扭矩。吊車每輪產(chǎn)生的橫向剎車力：

令e1=20mm，吊車橫向水平力作用在軌頂，吊車梁水平形心軸距離上翼緣926mm，e2=170+100+926=1196mm。每個吊車輪產(chǎn)生的扭矩為：

吊車產(chǎn)生的最大扭矩設(shè)計值：

分配最大扭矩到翼緣和腹板，根據(jù)文獻(xiàn)[1]和[4]，T形截面塑性抗扭抵抗矩：

上翼緣分配的抵抗矩：

腹板分配的抵抗矩：

3.3 復(fù)方聚乙二醇電解質(zhì)散是新一代的口服全腸道清腸液，它具有非滲性，非吸收性，非分泌性和非爆炸性特點(diǎn)［8］。其作用機(jī)制是聚乙二醇有很多-OH基，它可與周圍水分子形成締合分子，增加腸道內(nèi)液體的保有量，刺激小腸蠕動，增加糞便體積而軟能保持腸腔內(nèi)糞水呈近似等滲液，短時間不被腸黏膜吸收，故腸道準(zhǔn)備時體內(nèi)水鈉潴留較少，從而避免了水、電解質(zhì)過多丟失［9］，同時又不產(chǎn)生可爆炸氣體，不影響電凝、電切除手術(shù)［10］。因此，復(fù)方聚乙二醇電解質(zhì)散口服法已成為目前臨床上常用的結(jié)腸鏡檢查前的腸道準(zhǔn)備方法。

上翼緣分配的扭矩為8.2kN·m，腹板分配的扭矩為102kN·m。由此可知，吊車梁腹板承受絕大部分的扭矩，對于等截面T形厚腹吊車梁，為簡化計算，可略去翼緣挑出部分的抗扭作用，僅由腹板承擔(dān)扭矩。

2.2.3 基于SAP2000的電算計算結(jié)果

吊車荷載定義如圖2所示。吊車荷載模式“CRANE”為活荷載，自重乘數(shù)為0。吊車工況“CRANE”，工況類型為“Moving Load”，考慮到荷載基本組合和準(zhǔn)永久組合并不都計入吊車動力系數(shù)，故工況定義“比例系數(shù)”取1，在基本組合中考慮動力系數(shù)1.05。定義荷載基本組合COM1，準(zhǔn)永久組合COM2，如圖3所示。通過兩種組合的運(yùn)行分析，獲得吊車梁各工況的內(nèi)力計算結(jié)果。

圖2 SAP2000吊車荷載定義

圖3 荷載基本組合COM1和準(zhǔn)永久組合COM2

2.2.4 手算和電算結(jié)果對比分析

吊車梁手算和SAP2000電算內(nèi)力計算結(jié)果對比見表1。由表1可知，兩種計算方法Mmax最大偏差為0.24%，基本一致；Qmax最大偏差為7.5%，SAP2000較手算結(jié)果大，主要原因：手算選取距支座0.5m截面，而SAP2000選取距支座0m截面。距支座0.5m截面處，SAP2000基本組合下最大剪力為2643kN，與手算結(jié)果基本一致。

表1 手算和電算吊車梁內(nèi)力計算結(jié)果對比

2.2.5 吊車梁配筋、撓度及裂縫寬度計算

吊車梁混凝土強(qiáng)度等級C50，鋼筋強(qiáng)度等級為HRB400級，縱向受力鋼筋放置3層，有效計算高度取h0=2000-114=1886mm。不同計算項目的控制內(nèi)力見表2。

表2 吊車梁各計算項目的控制內(nèi)力

使用PKPM工具箱進(jìn)行吊車梁配筋、撓度及裂縫寬度計算。其中，最大撓度為11.74mm，l0/f=988.16>600，滿足規(guī)范要求；而SAP2000計算最大撓度僅為2.38mm，這是因為PKPM撓度計算考慮荷載長期作用影響，對梁的短期剛度進(jìn)行折減，而SAP2000未考慮這一折減。

3 吊車梁設(shè)計要點(diǎn)

3.1 構(gòu)造要點(diǎn)

（1）吊車梁底部縱筋應(yīng)通長，不得有接頭。除端部錨固允許施焊外，主筋其他部位不許施焊，嚴(yán)禁在鋼筋上焊接附件。梁頂上層縱筋和梁底下層縱筋，在梁端部應(yīng)與角鋼或鋼板焊牢，以滿足錨固要求。

（2）沿梁腹板兩側(cè)需配置縱向腰筋，可兼抗扭，并按下密上疏方式布置。當(dāng)梁中有多排受力縱筋，配置范圍不超過1/3梁高，且使梁有效高度不小于0.85h[3]。

3.2 設(shè)計注意事項

（1）施工時需結(jié)合水機(jī)專業(yè)圖紙預(yù)留軌道孔和車擋埋件,梁腹板預(yù)留滑觸線安裝孔。

（2）吊車梁和柱的連接必須保證能有效傳遞吊車豎向和水平荷載。

（3）重視吊車運(yùn)行卡軌問題，設(shè)計可從兩方面予以避免：一是在廠房整體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，控制軌頂高程柱的橫向和縱向最大位移；二是吊車梁與軌道連接，應(yīng)保證軌道在水平方向不發(fā)生側(cè)移，確保軌下墊層強(qiáng)度和軌道螺栓的抗剪強(qiáng)度，防止墊層被壓碎或螺栓剪斷。

（4）吊車梁縱筋面積較大時，按照文獻(xiàn)[7]控制縱筋凈距，以免混凝土難以振搗密實。

4 結(jié)束語

（1）吊車梁結(jié)構(gòu)計算關(guān)鍵在于計算吊車荷載產(chǎn)生的內(nèi)力。通過實例分析，簡支吊車梁手算和SAP2000內(nèi)力計算結(jié)果基本吻合；對連續(xù)吊車梁，手算可操作性低，應(yīng)用SAP2000能較好地模擬移動荷載，并快速算出梁內(nèi)力和變形，為設(shè)計帶來便利。

（2）需重視吊車梁的構(gòu)造細(xì)節(jié)，使實際模型與計算假定相符。

（3）本文實例中的200噸位吊車梁，在水電站廠房中屬于吊車噸位和計算跨度均較大的案例，具有代表性。