超大吨位超长吊车梁设计处理技术
韩冬1 张旭彤2 熊新宇2
（机械工业第六设计研究院有限公司 河南省 郑州市 450007）
1 引言
随着国家加工制造业的不断发展, 重型及超重型设备需求的逐年增加, 与之相应的超大设备加工机械也应运而生，促使厂房朝着大跨度、大柱距、大吨位吊车的方向发展。然而国内对重型厂房中大吨位大跨度的吊车梁体系开展的研究较少，同时国内尚无一本专用的规范做为结构设计依据。
2 工程概况
某项目联合厂房所生产的构件运输形式有两种，一种通过厂房内900吨吊车运输行驶出厂房，驶进海港中，由轮船进行运输；一种通过拖车装载驶入露天作业及产品发运场地。因此为了满足拖车行驶的转弯半径，临近海港陆地上有一段柱距需要30米的净空，因此该柱距于岸上部分采用18+33米。厂房外出海港部分33米超长吊车梁采用箱型吊车梁。本文对这种超长吊车梁截面的选取和计算、构件稳定性、节点部分细部计算以及有限元数值仿真进行了详细研究。
3 超大跨度箱型吊车梁设计 3.1 截面选型
大跨度吊车梁结构形式主要有三种，即桁架式吊车梁、实腹式焊接工字型吊车梁和箱型吊车梁。在课题研究的过程中对这三种形式进行了比较。
桁架式吊车梁在荷载和跨度都比较大时，桁架能充分利用材料达到经济效果，但杆件类型太多，施工质量难以保证，又因该吊车梁在海边，增大了防腐处理的难度。同时，在受力上桁架式吊车梁的水平刚度和竖向刚度较差。
如采用工字型截面吊车梁并设置辅助桁架、水平支撑、垂直支撑组成抗扭的空间系统，存在吊车梁高度太大、抗扭能力差等问题。
综合考虑后，吊车梁的截面形式采用箱型截面。箱型吊车梁具有较强的竖向刚度及抗扭刚度，在同样荷载工况下所需梁高小于工字型等其他截面的吊车梁，能够较好的依靠自身的刚度抵抗由横向刹车力、轨道偏心及风荷载所造成的扭矩，相比其他截面更为安全可靠。与此同时箱内封闭，空气不流通，不宜腐蚀，外形简单，方便防腐维修。箱型吊车梁的缺点是用钢量较大，加工及安装难度较大，焊接工作量非常大，焊接的残余变形也很大，一旦变形量过大，在现场安装时很可能无法安装到位，而很大的自身刚度导致变形矫正非常困难。因此要求加工单位具有相应的施工经验并事先制定一套完整的加工、运输及安装方案。本项目的箱型吊车梁总重将达200t 左右，
长度为32.65m，这种等级的吊车梁一般无法一次运输安装，应在工厂分段制作运输。由于吊车梁位于海面上，安装所需浮吊或者履带吊的总起重量一般需要达到吊车梁的自重的2倍。
3.2 荷载与作用
作用在吊车梁上的荷载相对比较简单，主要荷载有吊车梁自重、吊车荷载和风荷载。吊车梁自重一般的计算程序都会自动考虑，露天跨的吊车共2台，均为为900t，吊车工作等级均为A5。基本风压0.65kN/m2，吊车梁轨顶标高28m，风压高度系数取1.8。计算时考虑吊车竖向荷载和横向刹车荷载，吊车荷载和风荷载体型系数见图1、图2。
图1 400t+400t吊车轮压布置图（ P=935kN）
图2 风荷载体型系数
3.3 箱型吊车梁计算
箱型吊车梁基本截面由上下翼缘和两片腹板组成，再根据需要和构造加上各种构件，比如将吊车梁剪力传递给钢柱的端板，保证腹板稳定的横向、纵向和短加劲肋，增强截面抗扭能力的刚性横隔，以及将吊车梁轮压可靠传递给钢梁的传力构件。其中尤其重要的是传力构件的设置，原则是传力直接可靠，强度及刚度满足要求，且尽量少的产生应力集中现象。吊车梁钢材全部采用Q345C，其中厚度超过40mm以上的板件采用Q345C(Z15)。采用手算确定截面、加劲肋、刚性横隔及端板的尺寸和板厚，同时验算强度、变形及稳定性。再利用某大型有限元软件复核其强度、变形和稳定。根据荷载和跨度情况，经过初步计算确定吊车梁高为4000m，吊车梁两腹板间距为2600mm，上下翼缘均为80mm 厚，腹板为40mm 厚。
根据影响线法计算出箱型吊车的内力见表一。
表一 箱型吊车梁内力组合值
内力 最大竖向弯矩设计值 最大水平弯矩设计值 最大竖向弯矩设计值增大 最大水平弯矩设计值增大 最大剪力标准值 最大剪力设计值 最大剪力设计值增大 单位 kN*m kN*m kN*m kN*m kN kN kN 数值 177176.922 14406.980 1765.000 295.000 12745.118 22524.055 345.000 3.3.1 箱型吊车梁手算
由于目前没有适合箱型梁的弯扭理论且便于手工计算的设计计算公式, 所以箱型吊车梁的计算, 基本上沿用按工字型简支梁受弯的计算公式乘以一定的弯扭系数的方法。经手算计算出箱型吊车梁的强度、变形及稳定，详见表二。
表二 箱型吊车梁内力组合值
项目 截面最大正应力 截面最大剪应力 局部压应力 最大挠度 单位 N/mm N/mm N/mm mm 222数值 212.19 84.56 31.875 19.75（L/1670） 限值 250 140 250 33.00（L/1000） 由于h/b=4000/2600=1.54<6，
且l/b=33000/2600=12.69<95(235/fy)=64.7 故箱型截面简支吊车梁可不计算整体稳定。
腹板的局部稳定按照两侧为焊接工字型吊车梁进行计算，纵横加劲肋所要求的惯性矩按单侧加劲肋计算，加劲肋按照构造布置时与箱内刚性抗扭横隔相适应，与此同时也设置了向外单侧短的横向加劲肋。
在《钢结构设计规范》（GB50017-2003）中没有明确规定箱型截面加劲肋的计算和构造，《钢结构设计手册》中建议箱型截面梁所有加劲肋的布置、截面尺寸、刚度要求和构造等参照《钢结构设计规范》中焊接工字梁一节中的有关要求确定。
3.3.2 箱型吊车梁有限元数值分析
吊车梁的变形属于弹性变形，应用有限元软件可以求出受荷后的应力及变形，本项目采用某有限元软件中的壳单元对吊车梁的各板件进行模拟建立三维的有限元模型进行数值模拟。
图3 吊车梁模型 图4 应力云图
图5 竖向位移云图
从图4可以看到，吊车梁的最大应力位置在吊车梁的中部，最大应力值为217N/mm2，小于钢材抗弯强度设计值250MPa。
从图5可以看到，吊车梁的最大竖向位移发生在吊车梁的中部，最大竖向位移值为35mm，超出了L/1000=33mm，但基本满足规范的变形要求。
3.3.3 手算与有限元模拟数值比较
经过手算及有限元数值模拟，结果对比见表三：
表三 手算与有限元数值模拟结果对比
应力 竖向挠度 手算 212.19 19.75 有限元 217.01 35.10 差值百分比 2.29% 77.7% 规范要求 250 33.00 经表三对比可以发现，应力分析上有限元模拟结果与手算结果相近，挠度值相差比较悬殊，但基本满足规范要求，有限元计算挠度较大原因主要是由于支座的模拟与实际情况不完全相同，
且吊车梁中部和吊车梁上翼缘未按实际情况进行模拟施加约束造成挠度大于手算结果约百分之七十。
综上所述，通过手算及有限元分析充分验证了本课题所设计的33米箱型吊车梁截面的合理性及安全性，为今后的大跨度吊车梁的设计提供了更加有利的理论及数值依据，间接创造了较大的经济效益。
4 结论
通过对箱型吊车梁的理论及数值分析，可以得出大跨度箱型吊车梁的计算理论,即按工字型简支梁受弯的计算公式乘以一定的弯扭系数的方法是可行的。同时纵横加劲肋、箱内刚性抗扭横隔、外部单侧短加劲肋等一系列的构造措施，经分析对构件的整体稳定、截面抗扭起到了很好的效果。
参考文献
[1] GB50017-2003《钢结构设计规范》[S].北京：中国建筑工业出版社
[2]毕岩波.30米跨50吨箱型吊车梁的设计[A].第七届全国现代结构工程学术研讨会[C].2007. 作者简介：韩冬（1984-），男，硕士研究生，中级工程师，现从事结构设计工作。 张旭彤（1988-），男，本科，助理工程师，现从事结构设计工作。 熊新宇（1989-），男，本科，助理工程师，现从事结构设计工作。