巧用Excel設計及驗算軋機牌坊安裝用雙梁式吊裝架

唐洪志

(中國十九冶集團有限公司，四川成都610031)

在現代軋鋼車間設計中，車間內一般配置有安裝、檢修、換輥用的普通橋式起重機，其起重量一般根據安裝、檢修的最重部件或更換軋輥組合件的重量確定。在實際工程中，建設單位為了節約投資，通常只考慮換輥組合件的檢修的最大重量。軋機牌坊一般為板帶熱軋車間的最重部件，安裝后一般不會產生檢修問題，而牌坊重量往往大于其它需要經常檢修、更換的設備的重量。因此，在板帶熱軋車間安裝工程中，往往遇到軋機牌坊安裝時無法直接利用單臺橋式起重機直接吊裝，并且其牌坊高度可能超過車間地面至橋式起重機的軌面高度。這時，就不能利用簡單的雙機抬吊方式安裝軋機牌坊，而需要利用如圖1所示的雙梁式吊裝架雙機抬吊。雙梁式吊裝架設計時需要確定的參數較多，包括縱梁的截面參數、橫梁的截面參數、縱梁與橫梁連接螺栓參數、縱梁焊縫參數、橫梁焊縫參數，因此計算過程較為繁雜。為達到保證吊裝安全、降低安裝成本，筆者根據本公司近年來的安裝經驗，在MS Excel中建立計算模型，能夠快速直觀的確定上述各項參數，并快速實現優化設計。

圖1 雙梁式吊裝架

1 雙梁式吊裝架設計驗算程序

采用雙梁式吊裝架時，其主要的已知數據包括:(1)牌坊的重量Qp(t);(2)牌坊的窗口寬度Bp(mm);(3)牌坊的厚度tp(mm);(4)牌坊的柱截面寬度(mm);(5)兩臺行車的主鉤額定起重量QD1、QD2(t);(6)兩臺行車靠攏時主鉤之間的最小水平距離L(mm)。

通過上述參數，并依據經驗，可以設計采用雙梁式吊裝架利用車間內的兩臺行車雙機抬吊安裝軋機牌坊。由于手工計算過程相當繁瑣，并對吊裝架設計進行優化時，手工計算量成倍加大，所以在現場施工時，技術人員常常是先根據經驗設定吊裝架的結構尺寸進行驗算，如果滿足要求，就不會對吊裝梁進行進一步的優化，造成了一定程度的材料浪費。

本文主要采用Excel建立計算模型，根據假定的吊裝架系統設定其各項參數，以驗算流程逐步建立計算公式，推導出雙梁式吊裝架系統各部件的安全系數。然后在Excel中建立帶有函數的表格，根據經驗在Excel表格中輸入各部件的參數，Excel會自動計算出各部件的安全系數，根據驗算結果快速調整各部件的參數，從而快速確定經過優化的吊裝架系統，達到既保證吊裝安全，又節約安裝成本的目的。其設計驗算流程見圖2。

圖2 雙梁式吊裝架設計驗算流程

2 驗算公式建立過程

2.1 整體結構設定

根據經驗，并且為了簡化計算，縱梁采用焊接H形鋼梁，兩根縱梁呈鏡面對稱。橫梁采用焊接箱型梁，縱梁和橫梁之間采用高強螺栓連接。當需要吊裝的牌坊重量超過單臺行車的額定吊裝重量，但低于兩臺行車主鉤額定吊裝重量之和的1.15倍時，為保證行車的安全，可以將兩個行車的主鉤的受力分配比例等于其額定吊裝重量之比。為便于計算和分析，假定雙梁式吊裝架系統為一個剛性架，四根橫梁的截面相同，從而整個剛性架可以簡化為一個扁擔梁。

根據圖1，作出雙梁式吊裝架受力簡圖如圖3。

圖3 雙梁式吊裝架計算簡圖

根據圖3，可以建立如下方程式組:

注:式中各種代號表示的意義請參見表1，下同。

根據式(1)可以計算出以下數據:

2.2 橫梁受力分析及公式建立

2.2.1 橫梁結構特性

橫梁結構如圖4所示。橫梁的截面積:

橫梁的重量:

圖4 橫梁結構圖(左)及截面尺寸(右)

橫梁的截面抗彎模量:

2.2.2 橫梁受力計算

橫梁實際上相當于兩端剛性固定梁，其受力狀況優于兩端鉸接梁假設，為簡化計算采用鉸接假設，鉸接方式計算的結果如能滿足安全系數要求，則實際情況下就更能保證吊裝安全。根據上述推理，并假定橫梁與縱梁之間為鉸接，則各橫梁受力情況如下。

(1)橫梁1:橫梁1的受力情況參見圖5。

圖5 橫梁1受力分析簡圖

根據圖5，橫梁1端部受力為:

橫梁1中點的彎矩為:

根據式(3)和式(7)橫梁1的最大應力為:

(2)橫梁2、橫梁3:橫梁2、橫梁3受力情況參見圖6。

圖6 橫梁2、橫梁3受力簡圖

根據圖6，橫梁2、橫梁3端部支反力為:

橫梁2、橫梁3的最大彎矩為:

根據式(3)和式(10)，橫梁2和橫梁3的最大應力為:

(3)橫梁4:橫梁4受力簡圖參見圖7。

圖7 橫梁4受力分析簡圖

根據圖7，橫梁4端部的支反力為:

橫梁4中點的彎矩為:

根據式(3)和式(7)橫梁4的最大應力為:

2.3 縱梁受力分析及公式建立

2.3.1 縱梁結構特性

縱梁結構及其截面尺寸參見圖8，縱梁的截面積為:

圖8 總量結構圖及截面圖

縱梁的重量為:

縱梁的截面抗彎模量為:

2.3.2 縱梁受力計算

假設縱梁為一根兩端簡支梁，縱梁受力情況參見圖9。

根據圖9，并考慮牌坊吊裝時橫梁2和橫梁3的結構尺寸，得出下列計算式:

(1)橫梁1至橫梁2之間的距離:

圖9 縱梁受力計算簡圖

(2)橫梁2至橫梁3之間的距離:

(3)橫梁3至橫梁4之間的距離:

(4)橫梁2處的縱梁彎矩:

(5)橫梁2處的縱梁彎曲應力:

(6)橫梁3處的縱梁彎矩:

(7)橫梁3處的縱梁應力:

2.4 安全系數驗算

對于牌坊吊裝時所用的雙梁式吊裝架，因為屬于臨時設施，其重復使用的頻度較低，基本上一次工程完工后，該吊裝架即可報廢。同時，因為吊裝架所吊裝的設備非常重要，牌坊重量非常重，因此在吊裝時，必須嚴格確保吊裝過程的安全。根據本公司的經驗，吊裝架設計、驗算時，一般應保證其安全系數在2.5～3.5之間。如果某工程中只有一臺軋機(兩片牌坊)，安全系數可以取2.5～3.0;如果有多片牌坊，如7機架熱連軋機組，安全系數應在3.0～3.5之間。

根據上述，利用上文中式(11)、式(14)、式(16)、式(24)、式(26)分別驗算各處的安全系數。安全系數為:

3 建立Excel計算模型

根據上文，建立Excel計算模型(參見表1)。

表1 雙梁式吊裝架Excel計算模型及優化結果

4 代入數據并優化設計

4.1 代入數據

以我公司承建的某工程為例，該工程共2臺軋機，單片牌坊最大重量為145 t，車間內最大的行車主鉤額定起重量為100 t，相鄰的一臺行車主鉤額定起重量為50 t，其余數據參見表1。在Excel中建立計算模型后，根據經驗并進行調整后的計算結果見表1中的“(D)”列。

4.2 優化設計注意事項

4.2.1 優化設計步驟

(1)確定縱梁截面參數;(2)確定橫梁截面參數。

4.2.2 優化設計原則

(1)縱梁優化應以橫梁2和橫梁3兩處的安全系數中較小的一個值的位置為準，其安全系數應介于2.5～3.5之間;

(2)橫梁的優化應以4根橫梁中安全系數最小的一根橫梁為準，其安全系數應介于2.5～3.5之間;

(3)盡量減少吊裝架制作材料的規格數量。如:橫梁的翼緣板厚度盡量與縱梁的腹板厚度相同;橫梁端板的厚度盡量與縱梁的翼緣板厚度相同;4根橫梁的截面盡量選用相同參數(也便于現場組裝吊裝架式不易發生錯誤)。

(4)建立調整量之間的經驗公式，可以更迅速準確的確定吊裝架的各項參數。如:縱梁的高寬比、橫梁截面的高寬比、縱梁截面與橫梁截面的高度比等。

(5)如經過優化調整后的吊裝架與牌坊的總重量超出兩臺行車的起重能力，可以將吊裝梁的材質等級提高，如將鋼材的材質由Q235修改為Q345或Q390。

5 結束語

我公司在某安裝工程中對上述計算模型進行了成功應用，取得了較好的經濟效益和安全效益。安裝工程現場的工程技術人員經常要遇到類似需要設計驗算的情況，如采用專業計算軟件，那將導致工程技術人員所需專業軟件的種類、數量都急劇上升，購買這些專業軟件都將導致企業成本的增加，而Excel作為一種常用的辦公軟件，已經是工程技術人員必備、常備的辦公軟件，充分利用Excel軟件的強大的計算功能，可以解決很多現場計算問題，因此，在一段時期內，利用Excel建立工程問題的計算模型，都將是解決類似問題的一個良好工具。

［1］《機械工程師手冊》第二版編輯委員會.機械工程師手冊(第二版)［M］.北京:機械工業出版社，2000

［2］邱鶴年.新編鋼結構設計手冊［M］.北京:中國電力出版社，2005