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厂房吊车梁改造验算及加固处理-----周俊寅
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 【摘要】: 针对钢结构厂房中的使用吊车使用调整情况,通过设计实例,系统的论述钢吊车梁的复核验算方法,以及相应的加固处理措施。

【关键词】:钢吊车梁 内力计算 结构强度 稳定性 挠度

1. 项目工程概况
南京江洋改扩建项目,1号仓库为钢结构的仓储物流中心,厂房跨度31.5米,柱距9.0米,厂房内设两台Q=20/5t的中级工作制的桥式吊车。横行小车重74kN,吊车技术参数如图1,最大轮压标准值为Fkmax=247kN,横向水平力标准值为Tk=0.05*1*274/4=3.4 kN,吊车的额定起重量为200 kN。现根据生产要求,对使用吊重进行调整,调换新吊车2台,吊重增大到320 kN,新吊车Q=32/8t的横行小车重120kN,吊车技术参数如图1,最大轮压标准值为Fkmax=320kN,横向水平力标准值为Tk=0.05*1*440/4=5.5 kN,吊车的额定起重量为320kN 。



钢吊车梁从结构型式上又可以分为撑杆式、桁架式、实腹式等,综合来看,撑杆式、桁架式虽钢材用量省,但是加工制造复杂,在动力反复荷载的作用下可靠性较差,现已使用较少,目前以实腹式吊车梁为设计、加工制作、使用的主流形式。
本项目中原设计吊车梁系统采用单跨实腹式工型截面钢吊车梁,钢材等级为Q345B,截面示意图如图2。该吊车梁设制动梁结构,结合工艺需要利用了6厚花纹钢走道板作为制动体系。

2.钢吊车梁调整处理思路
新调换的吊车因起重量增大导致对原结构的作用力均有所增大,影响到了原厂房的钢架、基础及吊车梁系统的承载能力,承载力均有可能不够,在此本文中仅针对吊车梁系统进行复核验算,并作出相应的处理。
因原设计中吊车梁承载力可能尚有少部分设计余量存在,因此我们的处理原则为首先通过计算来判断承载力是否满足要求,若不满足规范要求,可结合具体计算情况对钢吊车梁截面进行加固处理。
加固处理思路主要为两方面的途径,第一种,减小吊车梁上的荷载:因吊车使用标准型号,但可以通过增大吊车与吊车之间的使用间距,从而降低吊车对吊车梁的组合作用荷载,有效的降低吊车梁中的内力,使之满足原有吊车梁的承受能力;第二种,加大吊车梁的承受荷载能力:可以通过加大吊车梁的截面,增加有效刚度来降低吊车梁的内力,以及抵抗变形的能力。
因本项目中业主方不确定吊车今后的具体使用间距的工艺要求,加固方案排除第一种加固方法的采用,确定为第二种加固思路,增大吊车梁的截面。
3.内力计算及截面验算
3.1 内力计算
吊车梁为简支梁受力模型,任何一个截面在吊车移动荷载的作用下,内力都会发生变动,都会达到一个峰值,它利用影响线的方法求得。各个截面的最大内力峰值连起来组成内力包络图,弯矩包络图,剪力包络图。它是我们这次设计复核内力的主要依据。
按结构力学,最大剪力的轮位如简图3。



支座处的最大剪力标准值Vkmax= RA=320*(2.4+4+9)/9=547kN
支座处的最大剪力设计值Vdmax= 1.05*1.4* Vkmax =1.05*1.4*547=804 kN
绝对最大弯矩:竖向轮压产生的最大弯矩,有两种可能,轮位分别如图4-1,2。

Mkx1= RA *4.1=292*4.1=1195 kN•m
Mkx2= 960*5.062/9-320x5=1131 kN•m
综合二者取大值,绝对最大弯矩的标准值为Mkxmax=1195 kN•m
绝对最大弯矩的设计值为Mdxmax=1.05*1.4* Mkxmax =1.05*1.4*1195=1757 kN•m

3.2 截面验算
3.2.1钢吊车梁截面几何特性计算
吊车梁的截面惯距 IX=1.4*863/12+2*40*442+2*24*442=3.0x105cm4
W X=IX/y1=3.0x105/45=6666 cm3
Iy=2*403/12+2*243/12+86*1.43/12=12990cm4
Wy=Iy/x1=12990/20=650 cm3
3.2.1强度验算:根据钢结构设计规范GB50017-2011
a.当制动结构为制动梁时,上翼缘的正应力为
σmax = Mdxmax/Wnx1+ Mdymax/Wny1=1845*106/6666000+32*106/650000=276+49=325N/mm2
因吊车梁材料强度等级为Q345B,f=300 N/mm2,σmax>f 吊车梁强度不满足要求
b. 支座处的剪应力
∵ Sx=40*2*44+43*1.4*43/2=4734cm3
τ=VxSx/Ixtw=844x103x4734x103/3x109x14=95.3N/mm2 ∴剪应力满足规范的使用要求。
腹板的局部压应力验算(吊车轨高150mm)
σc=ΨF/twlz=1.35*1.05*1.4*320x103/14*[50+2*(150+20)]=116N/mm2
σc 3.2.2刚度验算:
吊车梁的竖向相对挠度计算:
v/l=MxL/10EIx=1255x106x9000/10x206x103x3.0x109=1/547 >[v/l]=1/600
3.2.3整体稳定性验算:吊车梁系统除了承受竖向吊车轮压荷载外,其上翼缘尚要承担吊车横向水平制动力作用。因原结构中有着制动梁结构,梁的侧向稳定有可靠保证,可以承担吊车横向水平制动力作用,故本项目中不需再进行验算吊车梁的整体稳定性。
根据以上计算可以得出结论:原吊车梁在抗弯强度及挠度变形方面均不满足规范使用要求,需要进行加固处理。
4.加固处理
在钢吊车梁上翼缘板下增设Q345B材质的2L140X90X10,利用高强螺栓将角钢与上翼缘钢板连接,截面如图5所示。

因剪切应力、腹板局部抗压、整体稳定性已满足要求,故在此仅针对加固处理后的吊车梁新截面上翼缘的正应力及吊车梁的挠度进行复核计算即可。
IX=1.4*863/12+2*40*442+2*24*442 +2*22*412 =3.74x105cm4
W X=IX/y1=3.74x105/45=8311 cm3
σmax = Mdxmax/Wnx1+ Mdymax/Wny1=1845*106/8311000+32*106/650000=221+49=270N/mm2
σmax v/l=MxL/10EIx=1255x106x9000/10x206x103x3.74x109=1/681
v/l <[v/l]=1/600 ,挠度满足规范要求。
加固后的钢吊车梁满足设计规范要求。

5.结束语
本文针对吊车梁的复核验算及加固处理,提供了实例计算复核的过程,对于解决目前工程设计人员缺乏对吊车梁的系统了解,仅知套用标准的国标图集,一旦遇到非标吊车及吊车调换使用的情况,就会束手无策的问题,具有重要的工程实践意义。必须深入详细了解吊车荷载及吊车梁的受力原理及具体设计运用过程,在保证安全性的前提下进行并优化吊车梁设计,使其更具有经济性,才是我们设计人员应该追求的目标。


参考文献
[1]《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)
[2]《建筑钢结构设计规范》 (GB50017-2003)
[3] 邱鹤年《钢结构设计禁忌及实例》中国建筑工业出版社 2009
[4] 汪一骏《钢结构设计手册》第三版 中国建筑工业出版社 2004

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