關于特殊吊車鋼框架結構設計的探討

江 利

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州貴陽550081)

關于特殊吊車鋼框架結構設計的探討

江 利

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州貴陽550081)

通過特殊吊車荷載的鋼結構廠房設計實例，提出采用橫梁為無限剛度的剛接框架形式的分析研究，為鋼結構程序的開發節省大量的時間。

特殊吊車;鋼框架;結構設計

0 引言

改革開放以來，社會經濟取得了長足的進步和發展，工業廠房的設計逐漸步入了現代化的歷程，已由過去傳統的只注重實用開始向現在的既滿足工藝要求、又注重美觀大方、配置合理的方面發展。鋼結構廠房雖比鋼筋砼廠房投資大，但施工進度快、外形美觀，故得到廣泛應用。在有色行業中，特殊吊車荷載條件下鋼結構廠房的設計是一個比較復雜、特殊的問題，筆者通過理論分析和工程實例，對這一問題進行了深入探討。

1 鋼框架結構設計

鋼結構的單層廠房框架是由柱和屋架(或橫梁)所組成，各個框架之間有屋面板和檁條、托架、屋蓋支撐等縱向構件相互連接在一起，故框架實際上是空間工作的結構。

框架柱的柱腳一般均剛性固定于基礎，按屋架(或橫梁)與柱的連接方式不同，框架可分為鉸接框架和剛接框架兩大類。凡屋架與柱的連接構造不能抵抗彎矩者稱為鉸接框架;能抵抗彎矩者稱為剛接框架。剛接框架根據柱與屋架(或橫梁)的抗彎剛度比值大小不同，可分為橫梁為無限剛度的框架和橫梁為有限剛度的框架兩種?？蚣苤唇Y構形式的不同通常分為等截面柱、階形柱和分離式柱三大類。

等截面柱又分為實腹式和格構式柱兩種。等截面柱構造簡單，只適用于無吊車或吊車起重量Q≤15 t的輕型廠房中。

階形柱也分為實腹式和格構式兩種。階形柱由于吊車梁或吊車桁架支承在柱截面變化的肩梁處，荷截偏心小，構造合理，其用鋼量比等截面柱節省，應用較廣泛。

分離式柱是由支承屋蓋結構的屋蓋肢和支承吊車梁或吊車桁架的吊車肢所組成，兩肢之間以水平板相連接。分離式柱構造簡單，制作和安裝比較方便，但用鋼量比階形柱多，且剛度較差，只宜在下列情況下采用:

(1)吊車軌頂標高較低(軌頂標高≤10 m)，而吊車起重量又較大(Q≥75 t)時。

(2)相鄰兩跨吊車的軌頂標高相差很懸殊，而低跨吊車的起重量Q≥50 t時。

(3)預留有擴建跨時。

2 特殊吊車荷載分析

在有色行業中隨著工業技術的發展，帶動了相應操作設備的升級換代，主要的生產操作由過去單獨分散的地面設備完成轉為由吊車集中完成。如本文工程介紹中陽極焙燒車間中的吊車，它要承擔的生產任務是:用陽極夾具運送陽極塊并裝爐，用填料管向爐坑中加入填料，用吸料管從爐坑中吸出填充料，用陽極夾具出爐陽極塊并運送，用吊鉤吊運焙燒爐的附屬設備及車間的零星物品等。吊車已由過去單一的起重運輸設備成為最主要的生產操作設備，稱為多功能天車。它的附帶設備多、自重大、運行操作復雜，是一種特殊吊車。

在工業廠房的設計中，吊車荷載的取值是設計計算中的一個重要條件，它對結構選型、柱子、吊車梁、基礎的載面尺寸起著直接的、主要的作用。尤其吊車的橫向水平荷載，對柱、吊車梁的強度及變位起著控制作用。對于這一新型吊車的結構設計，卡軌力作為結構設計荷載被首次提出。吊車設計所提的橫向水平力包括卡軌力作為結構設計的水平荷載取值時，柱、基礎的截面尺寸明顯增加，尤其為滿足吊車梁頂面處的柱變位要求，截面較常規設計增加30%?？ㄜ壛?即為水平側向力)產生的原因有很多，如吊車輪的水平偏斜、安裝誤差等等。它是一種瞬時力，隨機作用于兩個不同的方向。卡軌力若與慣性力同時作用，且同為最大時應有:①大車運行。②由于某些原因出現偏斜運行。③偏斜產生的卡軌力作用方向與慣性力一致。由此，通過概率分析說明，慣性力最不利條件出現的概率＜1%，即按目前慣性力其條件保證率超過99%，且不與卡軌力組合。

綜上所述，特殊吊車荷截取值應遵循的原則是:

(1)根據操作使用情況，計算載荷譜系數，確定吊車工作制。

(2)按《建筑結構荷載規范》方法，計算吊車荷載。

(3)不考慮卡軌力的影響。

(4)其余按現行有關結構設計規范執行。

3 結構方案的確定

一項工程設計，結構方案的確定是十分重要的，合理的方案在技術先進、適宜的前提下，可取得良好的經濟指標。所以，方案確定時，必須注意以下幾個問題:

(1)滿足生產工藝的要求;

(2)滿足結構的要求;

(3)經濟合理，美觀大方。

有特殊吊車鋼結構廠房的結構方案確定為框架結構，這主要由于有特殊吊車，吊車起重量大，屬特重型廠房。為了保證其剛度的要求，應選用橫梁為無限剛度的剛接框架形式。其中由于吊車起重量較大，框架柱選用分離式柱。框架梁在當廠房跨度較小時，選用橫梁比較合適;當跨度較大時(跨度≥30 m)，選用屋架就比較經濟合理。

4 剛接框架計算要點

剛接框架，橫桿為屋架，柱子為分離式柱的計算要點為:

(1)正確進行荷載計算。對于吊車荷載來說，它的水平荷載由屋蓋肢承受，而豎向荷載則傳至吊車肢上。

(2)屋蓋肢的內力計算。隨著科學技術的發展，計算機的應用越來越廣泛，所起的作用也越來越大。如今剛接框架的計算已可由計算機應用PKPM計算軟件程序幫助完成，但計算機只能計算橫桿是橫梁這種情況，屋架設計則不能一次完成。故當屋架與柱剛接時，則需采取以下幾個步驟進行計算。

1)根據構造要求假定桿件的截面尺寸，屋架的幾何尺寸，并計算屋架的折算慣性矩，將屋架換算成橫梁(慣性矩相同)。

2)根據換算橫梁作框架計算簡圖，并應用PKPM程序進行框架計算。

3)屋架按鉸接應用PKPM進行內力計算。

4)將框架計算中柱頂產生的端彎矩和水平力傳至屋架上，端彎矩用一組偶力H=M/h來代替，水平力則認為直接由下弦桿傳遞。

5)將端彎矩和水平力產生的內力與鉸接屋架的內力相組合，即得剛接屋架各桿件的最不利內力(端彎矩和水平力使內力增加，或使桿件由拉桿變為壓桿)。

(3)廠房橫向剛度的計算:為了保證廠房內吊車的正常運行，廠房柱除滿足強度和穩定性的要求外，還應具有足夠的剛度，以避免由于柱的水平位移過大而引起吊車卡軌或因廠房剛度不夠，搖晃過大，影響生產。

計算廠房橫向剛度是按一臺最大吊車橫向水平荷載標準值(不考慮動力系數)作用在跨間兩側吊車梁上翼緣頂面處來確定。

當廠房內設有重級工作制吊車時，其橫向水平容許位移值規定為:

1)按平面結構圖形計算框架:△≤Hc/1 250;

2)按空間結構圖形計算框架:△≤Hc/2 000.

Hc為基礎頂面至吊車梁或吊車桁架頂面的高度。

鋼結構框架的計算，一般都采用試算法，既先假定屋架和柱各部分截面尺寸及慣性矩，然后根據計算得到的內力來選取截面，如若各部分選取的截面慣性矩比值與假定的慣性矩比值相差30%以上時，則需重新計算，直至結果滿意為止。

對于設有大噸位的中、重級工作制吊車的單、雙跨高大廠房一般應先核算柱的剛度，以免廠房剛度不夠而重算。

5 鋼結構框架的主要設計問題

鋼結構框架的設計中，它的荷載收集、方案確定、內力計算固然很重要。但它的連接節點的構造設計及其連接計算也是鋼結構整個設計工作中的一個重要環節。連接節點的設計是否得當，對保證鋼結構的整體性和可靠度，對制造安裝的質量和進度，對整個建設周期和成本都有著直接的影響。鋼結構廠房的主要節點有兩個:柱腳和柱頂。

(1)柱腳節點作為結構的整體，不僅設計，而且在工廠制作、現場安裝等都必須保證質量，作為鋼結構的柱腳，亦即鋼柱與鋼筋砼基礎的連接節點，設計時必須明確地反映出來，才能使施工者有足夠的認識，以保證施工質量。

柱腳按結構內力分析，可大體分為鉸接柱腳和剛性固定柱腳兩大類。鉸接柱腳僅傳遞垂直力和水平力，剛性固定柱腳除了傳遞垂直力和水平力外，還要傳遞彎矩，剛性廠房的柱腳一般多采用剛性固定柱腳。

剛性固定柱腳按其構造形式又分為外露式柱腳、埋入式柱腳和外包式柱腳。剛性固定外露式柱腳主要由底板、加勁肋、錨栓及錨栓支承托座等組成，各部分的板件都應具有足夠的強度和剛度，而且相互間應有可靠的連接，為滿足柱腳的固定度、提高其承載力和變形能力，柱腳下部(柱腳處)在形成塑性鉸之前，不容許錨栓和底板發生屈曲，也不容許基礎砼被壓壞。

剛性固定埋入式柱腳是直接將鋼柱埋入鋼筋砼基礎中，在埋入式柱腳中，鋼柱的埋入深度是影響柱腳的固定度、承載力和變形能力的重要因素，而且有時對于中柱、邊柱和角柱，其埋入深度也不盡相同，埋入深度Sd一般可在以下范圍內采用:

對大型截面H型鋼柱和箱形截面柱、圓管形截面柱:

式中:hc為鋼柱的截面高度或管徑。

剛性固定外包式柱腳就是按一定的要求將鋼柱腳采用鋼筋砼包起來的柱腳。

設計外包式柱腳的包腳鋼筋砼部分時應注意:

1)彎曲屈服在先，剪切屈服在后，其極限抗彎承載力應高于鋼柱的全塑性彎矩;

2)在基礎未形成塑性鉸時，尚未達到其極限承載力;

3)包腳鋼筋砼部分的垂直縱向主筋，要有足夠的錨固長度，而且在頂部要設彎鉤;

4)包腳高度、截面尺寸和箍筋配置，對柱腳的內力傳遞和恢復力特性起重要作用，設計中應使砼的包腳有足夠高度和足夠的保護層厚度，并要適當配置補強箍筋。包腳高度一般在以下范圍內采用:

對大型截面H型鋼柱和箱形截面柱、圓管形截面柱:

包腳處鋼柱翼緣外側面的鋼筋砼保護層厚度，一般不應＜18 cm，同時還應滿足配筋的構造要求。

(2)柱頂的連接設計。柱頂屋架與柱的連接可采用鉸接或剛接。對單跨廠房，為使房屋有較大的橫向剛度，常采用剛接。

剛接屋架的節點有兩種形式:①采用焊縫連接;②采用螺栓連接。焊縫連接又分為端斜桿為上升式和下降式兩種，它們的連接形式不同，焊縫的計算也各不相同。螺栓連接時，必須進行螺栓拉力的計算，以確定螺栓的大小和個數。

在鋼結構的設計中，柱肩梁的設計與構造也是非常重要的問題。在分離式柱中，柱肩梁不但要保證屋蓋肢和吊車肢連接成剛強的整體，而且還要使吊車的水平荷載傳至屋蓋肢上。

柱肩梁按構造形式可分為單腹板式肩梁和雙腹板式肩梁兩種。肩梁由腹板、上蓋板、下蓋板和墊板所組成，當吊車梁或吊車桁架為平板式支座時則應加設加勁肋。

肩梁腹板與屋蓋肢的連接采用角焊縫焊接，與吊車肢的連接采用插入開槽口的吊車肢腹板中，以角焊縫或開坡口的T形對接焊縫焊接。

肩梁內力可按簡支梁計算。

強度計算:抗彎 M/γxWn≤f;

抗剪 τ=VS/I tw≤fv。

6 工程實例

某廠陽極焙燒車間剛接框架設計實例。廠房長度192 m，柱距6 m，廠房跨度36 m，見圖1。

圖1 剖面圖Fig.1 Sectional drawing

6.1 原始資料

吊車形式:重級工作制多功能天車一臺。

抗震設計烈度:7度;

基本風壓:0.35 kN/m2。

6.2 結構方案確定

(1)根據廠房要求，結構形式采用鋼結構廠房，屋面及圍護結構采用彩色鋁板瓦(見表1、表2)。

表1 主要技術性能Tab.1 Main Technical Performance

表2 輪壓表Tab.2 Wheel－pressure List

(2)由于吊車荷載大，且為特重級工作制吊車，故決定采用剛接框架形式，柱子采用分離式柱，橫桿采用剛接梯形鋼屋架。

6.3 吊車荷載計算

吸料小車滿載荷重:Q+g=1 064 kN

夾具小車滿載荷重:Q+g=130 kN

因為吸料小車和夾具車不可能同時工作，且吸料小車荷重比夾具車大，故計算時按吸料小車滿載時考慮，根據輪壓圖進行計算。

吊車垂直荷載標準值:Dmax=805 kN

Dmin=321 kN

每個輪子產生的橫向水平制動力標準值:

則吊車水平荷載標準值:H'max=49 kN;總 Hmax=2×49=98 kN。

6.4 內力計算

(1)屋蓋肢框架

1)通過構造要求假定桿件截面:

鋼柱400 mm×900 mm×16 mm×20 mm，

屋架桿件截面假定為:

屋架端部高h1=L/16=36 000/16=2 250 mm，取 hl=2 500 mm

跨中高h2=4 235 m，上、下弦選用 2L 200 mm×125 mm×10 mm折算慣性矩 IO=()k=0.032 m4。

代換橫梁為組合工字鋼 I 400 mm×1 800

計算簡圖見圖2。

圖2 框架計算簡圖Fig.2 Frame calculation diagram

圖3 屋架計算簡圖Fig.3 Roof truss calculation diagram

2)通過PKPM程序進行計算，桿件截面滿足要求，其中柱頂處

柱頂彎矩 M=1 018 kN·m

水平力 H'=83.5 kN

將M折算成一對力偶 H″=M/h1=1 018/2.5=407 kN

故傳至屋架上部的水平力為 H1=407 kN傳至屋架下弦水平力 H2=407+83.5=490.5 kN

計算簡圖見圖3。

應用PKPM進行計算，桿件截面均滿足要求。

3)吊車肢按軸心受壓柱計算。

6.5 節點設計

剛接柱腳設計為露出式，應用PKPM進行節點計算，柱頂剛接節點采用安裝螺栓連接，螺栓數量、大小由計算確定。

7 結語

通過理論分析和工程實例，初步了解了特殊吊車條件下鋼結構廠房的計算方法和設計要點，鋼結構程序的開發雖節省了大量的計算時間，但它的程序內容并不完善(如剛接屋架的計算等)，有許多的計算需作進一步的開發。隨著科學技術的發展、計算機的普及應用，相信這些問題都能得到圓滿解決。

[1]中華人民共和國建設部.GB50017－2003鋼結構設計規范[S].北京:中國計劃出版社，2003.

[2]鋼結構設計手冊編輯委員會.鋼結構設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社，2004.

[3]李星榮，魏才昂，丁峙崐，李和華.鋼結構連接節點設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社，2005.

Probe into Steel Frame Structure Design for Special Crane

JIANG Li
(Guiyang Aluminum－Magnesium Design＆ Research Institute Co.Ltd.，Guiyang 550081，China)

By means of steel structure building design for special crane load，analytical investigation to beam being adopted as rigid connection frame of infinite stiffness was carried out so as to save the time for steel structure program development.

special crane;steel frame;structure design

TF391

A

1004－2660(2012)02－0022－06

2012－04－18.

江利(1966－)，女，貴陽人，工程師.主要研究方向:工程結構設計.