煉鋼廠高低軌道連接跨吊車梁在E列單幅加載下的變形和應力分析

英璽蓬， 尹曉春

（南京理工大學理學院，南京 210094）

0 引言

煉鋼廠廠房里最重要的結構構件之一就是吊車梁,工業生產能否正常進行則與吊車梁的安全運行息息相關[1]，而對于一些煉鋼廠房運行重級、特重級工作制吊車梁來說安全問題就更為凸顯[2]。據不安全統計，全國有超過20億平方米建筑面積的工業廠房，其中80%的廠房都裝配有吊車梁，由此可見吊車梁的安全是煉鋼廠廠房能否正常工作的關鍵所在[3-4]。通常吊車噸位大，運行頻繁都會對吊車梁的結構安全帶來不小的挑戰[5]，特別是近年來，隨著煉鋼產業的蓬勃發展以及自動化程度的提高，煉鋼廠不斷增產擴容，煉鋼的周期大大縮短，然而隨之而來的便是吊車運行的頻繁程度逐步提高，進一步加劇了吊車梁的工作負荷，導致了煉鋼廠吊車梁系統鋼結構[6]——吊車梁、制動板、輔助桁架、水平支撐等破損開裂的現象時有發生[7]，存在大量的安全隱患。由于該煉鋼廠主廠房主體結構含有高低跨結構，需要研究該高低跨在雙幅同時加載下結構的安全性和穩定性。目前,相關的研究積累還相對較少。常好誦等[8]主要研究了某一煉鋼廠房的鋼吊車梁疲勞性能測試及其分析，羅大春[9]也研究了某煉鋼廠鋼吊車梁的開裂分析與加固處理，但他們所研究的結構都沒有提及過主廠房是以高低軌道連接跨吊車梁為系統的這種結構。本文就某煉鋼廠高低軌道連接跨吊車梁的主體結構在E列單幅加載時的位移和應力進行了深入的分析與研究，研究結果不僅對主廠房主體結構的位移和變形以及幾處吊車梁開裂處進行了有效的預測，而且對現場施工有很強的實用價值和指導意義。

1 煉鋼廠主廠房主體結構有限元模型建立

1.1 吊車梁系統鋼結構建模

重級鋼結構吊車梁是吊車梁系統的重要形式之一，其運行最為頻繁，超負荷運轉對重級吊車梁的影響尤為嚴重。本次所研究的就是某煉鋼廠廠房中主廠房柱子系統鋼結構（鋼水接受跨和精煉跨）以及吊車梁系統鋼結構（包括吊車梁、制動板、輔助桁架、水平支撐、豎直支撐等）出現的破損開裂的情況。

目前，現場使用發現存在的問題包括：1）行車行動時，各列主梁出現搖晃感、下撓；2）走臺（制動板）聯接部位螺栓松動、拉長，甚至斷裂；3）走臺（制動板）拼接位置、轉角部位開裂 ；4） 制 動桁架（輔助桁架）加強聯接螺栓松脫。

圖2 E列主體結構模型

為了進行結構變形和應力分析，采用三維結構軟件，根據變形和強度特征，建立了煉鋼廠主體廠房的E-F-G列主體結構模型，如圖1所示。圖2為E列主體結構模型圖。

1.2 模型離散及約束添加

圖3為典型的單幅結構三維有限元空間模型[10]。對于僅在EF跨或僅在FG跨單獨行車加載情況，對應的三維有限元模型只要在原始三維有限元模型中去掉無行車跨的行車模型即可。

圖3 E列單幅結構模型

柱底設為固定約束；屋架對結構作用為彈性牽拉約束，采用屋架梁結構進行約束；鄰幅的橫向作用為彈性抵擋約束，采用等效吊車梁結構進行約束；考慮到行車剛度對結構的縱向水平約束作用，將行車進行模型納入總體模型；軌道梁與柱腳接撐板之間設定為接觸約束；行車與軌道間設為鉸接約束[11-12]。

2 E列單幅加載

如圖4、圖5所示，GF跨行車本體重量435.722 t，420 t滿載下可移動重量653.376 t（包括小車、吊具、鋼包和鋼水）。EF跨行車本體重量375.612 t，420 t滿載下可移動重量653.376 t（包括小車、吊具、鋼包和鋼水）。EF跨行車移動到E列極限位置時，E列軌道梁上的豎向載荷為758.476 t。

行車在縱向水平（沿軌道梁）剎車/擺動時，縱向水平力系數取為0.1。根據《鋼結構設計規范》GB50017，應考慮由起重機擺動引起的縱向水平力（此水平力不與荷載規范規定的橫向水平載荷同時考慮），規范規定系數0.1[13]。行車在橫向水平剎車/擺動時，橫向水平力（沿跨向，力方向水平垂直于軌道梁）系數也取為0.1，不考慮沖擊系數[14]。

3 變形計算

3.1 整體變形

圖4 豎向載荷

圖5 E列單幅加載

采用所建立的三維空間有限元計算分析模型，進行整體變形計算。如圖6所示，軌道梁下撓34.40 mm，軌道橫向水平位移21.91 mm，柱頂橫向水平位移19.85 mm，柱間縮進6.51 mm，柱頭下沉11.90 mm。

圖6 整體變形

3.2 吊車梁變形

吊車梁下沉34.40 mm，相對撓度26.19 mm，制動桁架上弦梁相對撓度0.52 mm，吊車梁截面傾斜0.14°，如圖7所示。

3.3 應力計算與分析

采用三維有限元計算分析模型，進行應力計算（軌道梁聯合作用豎向載荷和橫向水平載荷的情況）。通過仿真計算，我們可以看到，立柱最大應力為154 MPa，基礎應力水平為70 MPa；制動板角點應力達到150 MPa以上；吊車梁最大應力為110 MPa，應力水平為70 MPa，如如8，如9所示。

3.4 計算結果

1）E列單幅滿載的跨度L為18 m，吊車梁豎向撓度(作用豎向載荷和橫向水平載荷，按空間結構圖形計算)f為34.4 mm，撓跨比f/L為1/523。吊車梁豎向相對撓度 (作用豎向和橫向水平載荷，按空間結構圖形計算)Δf為26.19 mm，相對撓跨比Δf/L為1/687。

圖7 吊車梁變形

圖8 立柱應力

圖9 吊車梁應力

2）E列單幅滿載的柱高為30m，柱頂橫向水平撓度(單獨橫向水平載荷，按空間結構圖形計算)為16.83 mm，撓高比為1/1783。

3）E列單幅滿載的柱高為30 m，柱頂縱向水平撓度(縱向水平載荷，按平面結構圖形計算)為1.71 mm，撓高比為1/17544。

4）根據《鋼結構設計規范》GB50017要求[15]，重級及特重級吊車梁本體（按自重和起重量最大的一臺吊車計算撓度）容許撓度為1/1200。計算結果表明吊車梁撓度超標，實際上，即使不考慮柱系下沉引起的吊車梁的下撓，僅考慮吊車梁的豎向相對撓度，相對撓跨比仍然超過1/1200。豎向相對撓度可由吊車梁相對于地面柱基礎的撓度減去梁端的下沉得到。吊車梁的豎向相對撓度只屬于構件相對變形計算，不作為規范中的允許變形計算用。柱頂橫向水平撓度均超標，柱頂縱向水平撓度合格。

5）制動板角點應力較高。由于實際結構采用直角，角點處的局部應力集中會導致實際應力大大高于計算值，很容易開裂。

6）如圖10所示，制動框架發生局部應力集中，局部應力水平高，尤其是F列上吊車梁的制動桁架上弦梁，在兩架行車滿載錯車時應力可達到600 MPa，將會造成上弦梁在應力集中處直接扳斷，存在相當大的安全隱患。

圖10 計算制動桁架上弦桿局部高應力集中位置與實際斷面位置對比

7）計算中采用了空間結構圖形和平面結構圖形兩種算法：空間結構圖形計算模型按照圖3的模型，并且保留鄰幅支撐約束，可認為是空間結構圖形計算方法；平面結構圖形計算模型按照圖3的模型，僅保留E列，G列和F列其中的一列模型，但保留空間屋架支撐、鄰幅支撐等約束作用，可認為是平面結構圖形計算方法。

4 結 論

E-F-G列鋼水接受跨和精煉跨（出鋼側）屬于重載高跨連片鋼結構廠房，不同于“高跨孤立（或半孤立）”鋼結構廠房，其承載情況下，橫向、縱向的形變可相互傳遞與支撐。本次建模計算結果充分揭示出廠房結構存在以下使用過程中承載的不安全狀態：1）制動板及聯結螺栓。E、F、G列制動板較薄，并與立柱聯接方式形成直角點，角點應力一般都可達到160 MPa以上。由于制動板角點的直角結構，長期使用易產生角點開裂。2）制動板聯結螺栓。E、F、G列制動板與軌道梁采用聯排螺栓聯結方式。由于軌道梁和制動板都比較薄弱易變形，加上在承載狀態下存在較大的下沉、較大的橫向水平變形，行車行進過程中造成的下撓起伏、旁彎晃動，將使螺栓晃松、拉長，甚至破壞。3）吊車梁制動桁架。由于柱系變形較大、制動板較薄，吊車梁制動桁架承受了過大的本該由柱系承受的制動載荷。加上制動桁架與立柱的聯結薄弱，導致制動桁架上弦梁與立柱聯結的區域應力過高。一般工作狀態下，應力就達到150～250 MPa。在危險工況下，甚至達到材料破壞極限應力之上。在出現少量幾次危險工況后，可造成制動桁架上弦梁直接被扳斷。4）立柱系統。雖然E、F、G列立柱承受的應力沒有達到屈服應力點，但立柱系統普遍存在彎曲剛度不足的現象，造成吊車梁嚴重的下撓和柱頂的橫向水平位移，柱頂橫向水平位移超標，立柱系統彎曲剛度不足成為吊車梁不安全的根源之一。5）吊車梁。E、F、G列吊車梁本體單薄，雖然強度滿足要求，但其相對下撓量達到20 mm以上，扭曲和瓢曲并存。加上柱系變形和支撐吊車梁的柱板單薄，造成吊車梁下撓指標超標，并連帶引起制動板角裂和制動桁架上弦梁開裂。

圖11 E列大梁縱向撓度曲線

圖12 E列大梁橫向撓度曲線

[參 考 文 獻]

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