浅谈常规岛厂房钢吊车梁设计

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摘要：本文通过某核电厂常规岛厂房钢吊车设计实例，简述了核电厂钢吊车梁的一般设计方法，就影响线在吊车梁设计中的应用进行了探讨，总结了在钢吊车梁设计过程中需要注意的事项及需要采取的措施，可供类似工程设计参考。

关键词：常规岛厂房；钢吊车梁；影响线；设计过程；注意事项

核电厂常规岛厂房由于工艺设备安装的要求，均会有较大吨位的吊车。吊车对厂房设计有着非常大的影响，吊车的安全性在厂房设计中非常重要。吊车梁作为直接承受动力荷载的构件，在设计中因此需要慎之又慎。通过某核电厂常规岛厂房钢吊车梁的设计，对主厂房吊车梁设计中的经验和问题进行了探讨和总结。

1. 工程概况

某核电厂常规岛厂房由于工艺设备布置的需要，主厂房柱间轴距尺寸多且分布不均匀，有边跨12m和11.2m，中跨9m和11.4m。厂房内有两台270/50t轻级桥式吊车，由于柱距的不均匀，吊车梁的最大弯矩点和最大弯矩以及吊车梁的最大剪力确定比较困难。下面就该梁的设计过程说明一下吊车梁的一般设计方法及如何利用影响线快速方便的确定吊车梁最大弯矩和最大剪力的问题。

2. 设计过程

钢吊车梁系统通常由吊车梁、制动结构、辅助桁架及支撑等构架组成。而吊车梁又以焊接工字形吊车梁最为常见，其制作简单，受力性好。因此本工程吊车梁的设计采用该种型式，其强度、稳定性和允许挠度均需满足规范规定的要求。吊车梁截面如图1所示。

2.1.截面特性

2.1.1.吊车梁对X轴的截面特性

A=1149.04cm2（毛截面），y=92.55cm（毛截面），A0=1133.06cm2（净截面），y0=93.83cm（净截面）

毛截面惯性矩：IX=8.944X106cm4 ；毛截面抵抗矩：WX= Ix/y=9.664X104 cm3

净截面惯性矩：IX0=8.814X106cm4；净截面抵抗矩：Wnx上= IX0/y0=9.394X104 cm3

Wnx下= IX0/（h-y0）=6.986X104 cm3

2.1.2. 吊车梁上翼缘对Y轴的截面特性（净截面）

2.2.吊车资料

2.3.吊车荷载计算

2.3.1.吊车竖向荷载

2.4.内力计算

2.4.1.最大弯矩点（c）的确定及最大弯矩计算

计算手册等参考文献均未有8个轮子的最大弯矩点位置图及最大弯矩计算公式，但是了解其计算原理后，可根据影响线比较后列出计算公式轻松求得。

在移动荷载作用下，可以求出简支梁上任一指定截面处的最大弯矩。但在梁的所有各截面最大弯矩中，又有最大的，通常称为简支梁的绝对最大弯矩。要确定绝对最大弯矩，需解决两个问题：a.绝对最大弯矩发生在哪一个截面？b.此截面发生最大弯矩值时的荷载位置。

当梁上作用的都是集中荷载时，弯矩图的顶点总是在集中荷载作用点处，因此绝对最大弯矩必定是在发生在某一集中荷载作用点的截面上。

MK表示PK以左梁上荷载对PK作用点的力矩总和，它是一个与x无关的常数，当MX为极大时，根据极值条件 （L-x-a）=0得x=L/2-a/2。这表明，当PK与合力∑P对称于梁中心点时，PK之下截面的弯矩达到最大值。

利用上述结论，可以求出各个荷载作用点截面的最大弯矩，然后将他们加以比较而得出绝对最大弯矩。因简支梁绝对最大弯矩总是发生在梁的中心附近，故可设想，使梁中心截面参生最大弯矩的临界荷载，也就是发生绝对最大弯矩的临界荷载。因此计算简支梁绝对最大弯矩，可首先确定使梁中心截面发生最大弯矩的临界荷载PK，然后移动荷载组使PK与梁上荷载的合力∑P对称于梁的中心，再计算此时PK作用点截面的弯矩，即得绝对最大弯矩。

根据上述方法计算（以中跨11.4m为例），2台吊车如图4（a）所示摆放时（计算过程略），临界荷载PK为前吊车最后一个轮子轮压，此时梁中心截面弯矩最大，移动荷载组使PK与梁上荷载的合力∑P对称于梁的中心，计算梁绝对最大弯矩得：

如图3（b）所示，经验证，根据影响线计算所得结果与以C点为中心取矩算得的MC结果一样，无误差（验证计算过程略）。

2.4.2. 最大剪力计算

当P作用在C点时，VC的影响线没有意义。因此，绝对最大弯矩处的相应剪力不应用剪力影响线求得，应以取矩方法求得：

吊车梁最大剪力（支座处）VR根据支座处反力影响线（见图4）求得：

2.4.3.水平向最大弯矩计算

吊车梁横向水平荷载作用下在水平方向产生的最大弯矩：

2.5.强度计算

2.5.1.正应力

2.5.2.剪应力

2.5.3.腹板局部压应力：

2.5.4. 腹板计算高度边缘处的折算应力，按钢结构设计规范公式4.1.4-1计算能满足，过程略。

2.6.稳定性计算

由于吊车梁没有设置制动结构体系，故需计算梁的整体稳定性

2.6.1. 整体稳定性系数（按钢结构设计规范附录B.1公式计算）

2.6.2. 整体稳定性计算

2.6.3. 腹板局部稳定性计算

=97>66，应配置横向加劲肋，并验算腹板稳定性，加劲肋间距a=150cm，宽度bs=20cm。

按钢结构设计规范公式（4.3.3-1）验算能满足，过程略。

2.6.4.支座加劲肋计算及加劲肋稳定验算

按《钢结构设计手册》（第三版）公式3-26a，3-27a进行强度计算，按公式8-34进行稳定性验算，满足要求，过程略。

2.7.挠度计算

2.8.疲劳度验算

本厂房吊车为轻级工作制，根据钢结构规范条文说明6.2节说明，轻级工作制吊车梁可不做疲劳验算。

经过反复试算比较，中跨11.4m吊车梁为本次设计控制跨度，各项计算满足规范要求。认定该梁的断面型式比较合理，施工、安装方便，满足工艺要求；经济性合理，且有一定的安全裕度，符合核电“安全第一”的企业文化要求。

3.设计注意事项及措施

通过本次设计及研究发现，在钢吊车梁设计过程需注意以下几个方面：

3.1.荷载计算需准确。竖向荷载、横向水平荷载需乘以动力系数及分项系数。

3.2. 内力计算需准确。绝对最大弯矩及最大剪力的确定应依靠影响线确定，且影响线直观方便，减少计算工作量，不易出错。通常认为的在吊车梁上轮子越多，梁绝对最大弯矩越大是不正确的，需特别注意，因此绝对最大弯矩一定要以影响线确定。通过影响线对边跨12m比较计算，发现5个轮子在吊车梁上时绝对最大弯矩比6个轮子在吊车梁上时大。

3.3. 支座加劲肋需进行压力计算和稳定性验算且留有一定裕度。国内外一些试验表明，焊接工字型梁破损部位多在端加劲肋或横向加劲肋与上翼缘的焊接区产生局部纵向裂缝，因此设计支座加劲肋需留有一定裕度。

3.4. 合理的构造设计。支座处横向加劲肋应在腹板梁侧成对布置，并与梁上下翼缘刨平顶紧。中间横向加劲肋上端应与梁上翼缘刨平顶紧，且下端宜在距受拉翼缘50～100mm处断开。为防止横向水平力引起的钢梁受扭（钢结构受扭性能差），在吊车梁上翼缘宜每隔1500mm左右（横向加劲肋间距）设置钢板与常规岛厂房框架梁连接，抵抗扭矩增强整体稳定性。

4.小结与探讨

通过此次设计，对钢吊车梁的设计过程有了一个总体认识，吊车梁的设计就总体而言，除应满足规范规定的强度、稳定、挠度要求外，还应满足一定的构造要求。而对重级工作制及使用频繁而满负荷率低的一些中级工作制吊车梁，特别是吊车桁架需进行疲劳验算。对钢吊车梁可能由附加荷载及轨道偏心引起的扭矩，除在截面型式和构造上进行处理外，计算方法还有待于我们进一步探讨。