关于特殊吊车钢框架结构设计的探讨

江 利

(贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵州贵阳550081)

关于特殊吊车钢框架结构设计的探讨

江 利

(贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵州贵阳550081)

通过特殊吊车荷载的钢结构厂房设计实例，提出采用横梁为无限刚度的刚接框架形式的分析研究，为钢结构程序的开发节省大量的时间。

特殊吊车;钢框架;结构设计

0 引言

改革开放以来，社会经济取得了长足的进步和发展，工业厂房的设计逐渐步入了现代化的历程，已由过去传统的只注重实用开始向现在的既满足工艺要求、又注重美观大方、配置合理的方面发展。钢结构厂房虽比钢筋砼厂房投资大，但施工进度快、外形美观，故得到广泛应用。在有色行业中，特殊吊车荷载条件下钢结构厂房的设计是一个比较复杂、特殊的问题，笔者通过理论分析和工程实例，对这一问题进行了深入探讨。

1 钢框架结构设计

钢结构的单层厂房框架是由柱和屋架(或横梁)所组成，各个框架之间有屋面板和檩条、托架、屋盖支撑等纵向构件相互连接在一起，故框架实际上是空间工作的结构。

框架柱的柱脚一般均刚性固定于基础，按屋架(或横梁)与柱的连接方式不同，框架可分为铰接框架和刚接框架两大类。凡屋架与柱的连接构造不能抵抗弯矩者称为铰接框架;能抵抗弯矩者称为刚接框架。刚接框架根据柱与屋架(或横梁)的抗弯刚度比值大小不同，可分为横梁为无限刚度的框架和横梁为有限刚度的框架两种。框架柱按结构形式的不同通常分为等截面柱、阶形柱和分离式柱三大类。

等截面柱又分为实腹式和格构式柱两种。等截面柱构造简单，只适用于无吊车或吊车起重量Q≤15 t的轻型厂房中。

阶形柱也分为实腹式和格构式两种。阶形柱由于吊车梁或吊车桁架支承在柱截面变化的肩梁处，荷截偏心小，构造合理，其用钢量比等截面柱节省，应用较广泛。

分离式柱是由支承屋盖结构的屋盖肢和支承吊车梁或吊车桁架的吊车肢所组成，两肢之间以水平板相连接。分离式柱构造简单，制作和安装比较方便，但用钢量比阶形柱多，且刚度较差，只宜在下列情况下采用:

(1)吊车轨顶标高较低(轨顶标高≤10 m)，而吊车起重量又较大(Q≥75 t)时。

(2)相邻两跨吊车的轨顶标高相差很悬殊，而低跨吊车的起重量Q≥50 t时。

(3)预留有扩建跨时。

2 特殊吊车荷载分析

在有色行业中随着工业技术的发展，带动了相应操作设备的升级换代，主要的生产操作由过去单独分散的地面设备完成转为由吊车集中完成。如本文工程介绍中阳极焙烧车间中的吊车，它要承担的生产任务是:用阳极夹具运送阳极块并装炉，用填料管向炉坑中加入填料，用吸料管从炉坑中吸出填充料，用阳极夹具出炉阳极块并运送，用吊钩吊运焙烧炉的附属设备及车间的零星物品等。吊车已由过去单一的起重运输设备成为最主要的生产操作设备，称为多功能天车。它的附带设备多、自重大、运行操作复杂，是一种特殊吊车。

在工业厂房的设计中，吊车荷载的取值是设计计算中的一个重要条件，它对结构选型、柱子、吊车梁、基础的载面尺寸起着直接的、主要的作用。尤其吊车的横向水平荷载，对柱、吊车梁的强度及变位起着控制作用。对于这一新型吊车的结构设计，卡轨力作为结构设计荷载被首次提出。吊车设计所提的横向水平力包括卡轨力作为结构设计的水平荷载取值时，柱、基础的截面尺寸明显增加，尤其为满足吊车梁顶面处的柱变位要求，截面较常规设计增加30%。卡轨力(即为水平侧向力)产生的原因有很多，如吊车轮的水平偏斜、安装误差等等。它是一种瞬时力，随机作用于两个不同的方向。卡轨力若与惯性力同时作用，且同为最大时应有:①大车运行。②由于某些原因出现偏斜运行。③偏斜产生的卡轨力作用方向与惯性力一致。由此，通过概率分析说明，惯性力最不利条件出现的概率＜1%，即按目前惯性力其条件保证率超过99%，且不与卡轨力组合。

综上所述，特殊吊车荷截取值应遵循的原则是:

(1)根据操作使用情况，计算载荷谱系数，确定吊车工作制。

(2)按《建筑结构荷载规范》方法，计算吊车荷载。

(3)不考虑卡轨力的影响。

(4)其余按现行有关结构设计规范执行。

3 结构方案的确定

一项工程设计，结构方案的确定是十分重要的，合理的方案在技术先进、适宜的前提下，可取得良好的经济指标。所以，方案确定时，必须注意以下几个问题:

(1)满足生产工艺的要求;

(2)满足结构的要求;

(3)经济合理，美观大方。

有特殊吊车钢结构厂房的结构方案确定为框架结构，这主要由于有特殊吊车，吊车起重量大，属特重型厂房。为了保证其刚度的要求，应选用横梁为无限刚度的刚接框架形式。其中由于吊车起重量较大，框架柱选用分离式柱。框架梁在当厂房跨度较小时，选用横梁比较合适;当跨度较大时(跨度≥30 m)，选用屋架就比较经济合理。

4 刚接框架计算要点

刚接框架，横杆为屋架，柱子为分离式柱的计算要点为:

(1)正确进行荷载计算。对于吊车荷载来说，它的水平荷载由屋盖肢承受，而竖向荷载则传至吊车肢上。

(2)屋盖肢的内力计算。随着科学技术的发展，计算机的应用越来越广泛，所起的作用也越来越大。如今刚接框架的计算已可由计算机应用PKPM计算软件程序帮助完成，但计算机只能计算横杆是横梁这种情况，屋架设计则不能一次完成。故当屋架与柱刚接时，则需采取以下几个步骤进行计算。

1)根据构造要求假定杆件的截面尺寸，屋架的几何尺寸，并计算屋架的折算惯性矩，将屋架换算成横梁(惯性矩相同)。

2)根据换算横梁作框架计算简图，并应用PKPM程序进行框架计算。

3)屋架按铰接应用PKPM进行内力计算。

4)将框架计算中柱顶产生的端弯矩和水平力传至屋架上，端弯矩用一组偶力H=M/h来代替，水平力则认为直接由下弦杆传递。

5)将端弯矩和水平力产生的内力与铰接屋架的内力相组合，即得刚接屋架各杆件的最不利内力(端弯矩和水平力使内力增加，或使杆件由拉杆变为压杆)。

(3)厂房横向刚度的计算:为了保证厂房内吊车的正常运行，厂房柱除满足强度和稳定性的要求外，还应具有足够的刚度，以避免由于柱的水平位移过大而引起吊车卡轨或因厂房刚度不够，摇晃过大，影响生产。

计算厂房横向刚度是按一台最大吊车横向水平荷载标准值(不考虑动力系数)作用在跨间两侧吊车梁上翼缘顶面处来确定。

当厂房内设有重级工作制吊车时，其横向水平容许位移值规定为:

1)按平面结构图形计算框架:△≤Hc/1 250;

2)按空间结构图形计算框架:△≤Hc/2 000.

Hc为基础顶面至吊车梁或吊车桁架顶面的高度。

钢结构框架的计算，一般都采用试算法，既先假定屋架和柱各部分截面尺寸及惯性矩，然后根据计算得到的内力来选取截面，如若各部分选取的截面惯性矩比值与假定的惯性矩比值相差30%以上时，则需重新计算，直至结果满意为止。

对于设有大吨位的中、重级工作制吊车的单、双跨高大厂房一般应先核算柱的刚度，以免厂房刚度不够而重算。

5 钢结构框架的主要设计问题

钢结构框架的设计中，它的荷载收集、方案确定、内力计算固然很重要。但它的连接节点的构造设计及其连接计算也是钢结构整个设计工作中的一个重要环节。连接节点的设计是否得当，对保证钢结构的整体性和可靠度，对制造安装的质量和进度，对整个建设周期和成本都有着直接的影响。钢结构厂房的主要节点有两个:柱脚和柱顶。

(1)柱脚节点作为结构的整体，不仅设计，而且在工厂制作、现场安装等都必须保证质量，作为钢结构的柱脚，亦即钢柱与钢筋砼基础的连接节点，设计时必须明确地反映出来，才能使施工者有足够的认识，以保证施工质量。

柱脚按结构内力分析，可大体分为铰接柱脚和刚性固定柱脚两大类。铰接柱脚仅传递垂直力和水平力，刚性固定柱脚除了传递垂直力和水平力外，还要传递弯矩，刚性厂房的柱脚一般多采用刚性固定柱脚。

刚性固定柱脚按其构造形式又分为外露式柱脚、埋入式柱脚和外包式柱脚。刚性固定外露式柱脚主要由底板、加劲肋、锚栓及锚栓支承托座等组成，各部分的板件都应具有足够的强度和刚度，而且相互间应有可靠的连接，为满足柱脚的固定度、提高其承载力和变形能力，柱脚下部(柱脚处)在形成塑性铰之前，不容许锚栓和底板发生屈曲，也不容许基础砼被压坏。

刚性固定埋入式柱脚是直接将钢柱埋入钢筋砼基础中，在埋入式柱脚中，钢柱的埋入深度是影响柱脚的固定度、承载力和变形能力的重要因素，而且有时对于中柱、边柱和角柱，其埋入深度也不尽相同，埋入深度Sd一般可在以下范围内采用:

对大型截面H型钢柱和箱形截面柱、圆管形截面柱:

式中:hc为钢柱的截面高度或管径。

刚性固定外包式柱脚就是按一定的要求将钢柱脚采用钢筋砼包起来的柱脚。

设计外包式柱脚的包脚钢筋砼部分时应注意:

1)弯曲屈服在先，剪切屈服在后，其极限抗弯承载力应高于钢柱的全塑性弯矩;

2)在基础未形成塑性铰时，尚未达到其极限承载力;

3)包脚钢筋砼部分的垂直纵向主筋，要有足够的锚固长度，而且在顶部要设弯钩;

4)包脚高度、截面尺寸和箍筋配置，对柱脚的内力传递和恢复力特性起重要作用，设计中应使砼的包脚有足够高度和足够的保护层厚度，并要适当配置补强箍筋。包脚高度一般在以下范围内采用:

对大型截面H型钢柱和箱形截面柱、圆管形截面柱:

包脚处钢柱翼缘外侧面的钢筋砼保护层厚度，一般不应＜18 cm，同时还应满足配筋的构造要求。

(2)柱顶的连接设计。柱顶屋架与柱的连接可采用铰接或刚接。对单跨厂房，为使房屋有较大的横向刚度，常采用刚接。

刚接屋架的节点有两种形式:①采用焊缝连接;②采用螺栓连接。焊缝连接又分为端斜杆为上升式和下降式两种，它们的连接形式不同，焊缝的计算也各不相同。螺栓连接时，必须进行螺栓拉力的计算，以确定螺栓的大小和个数。

在钢结构的设计中，柱肩梁的设计与构造也是非常重要的问题。在分离式柱中，柱肩梁不但要保证屋盖肢和吊车肢连接成刚强的整体，而且还要使吊车的水平荷载传至屋盖肢上。

柱肩梁按构造形式可分为单腹板式肩梁和双腹板式肩梁两种。肩梁由腹板、上盖板、下盖板和垫板所组成，当吊车梁或吊车桁架为平板式支座时则应加设加劲肋。

肩梁腹板与屋盖肢的连接采用角焊缝焊接，与吊车肢的连接采用插入开槽口的吊车肢腹板中，以角焊缝或开坡口的T形对接焊缝焊接。

肩梁内力可按简支梁计算。

强度计算:抗弯 M/γxWn≤f;

抗剪 τ=VS/I tw≤fv。

6 工程实例

某厂阳极焙烧车间刚接框架设计实例。厂房长度192 m，柱距6 m，厂房跨度36 m，见图1。

图1 剖面图Fig.1 Sectional drawing

6.1 原始资料

吊车形式:重级工作制多功能天车一台。

抗震设计烈度:7度;

基本风压:0.35 kN/m2。

6.2 结构方案确定

(1)根据厂房要求，结构形式采用钢结构厂房，屋面及围护结构采用彩色铝板瓦(见表1、表2)。

表1 主要技术性能Tab.1 Main Technical Performance

表2 轮压表Tab.2 Wheel－pressure List

(2)由于吊车荷载大，且为特重级工作制吊车，故决定采用刚接框架形式，柱子采用分离式柱，横杆采用刚接梯形钢屋架。

6.3 吊车荷载计算

吸料小车满载荷重:Q+g=1 064 kN

夹具小车满载荷重:Q+g=130 kN

因为吸料小车和夹具车不可能同时工作，且吸料小车荷重比夹具车大，故计算时按吸料小车满载时考虑，根据轮压图进行计算。

吊车垂直荷载标准值:Dmax=805 kN

Dmin=321 kN

每个轮子产生的横向水平制动力标准值:

则吊车水平荷载标准值:H'max=49 kN;总 Hmax=2×49=98 kN。

6.4 内力计算

(1)屋盖肢框架

1)通过构造要求假定杆件截面:

钢柱400 mm×900 mm×16 mm×20 mm，

屋架杆件截面假定为:

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、下弦选用 2L 200 mm×125 mm×10 mm折算惯性矩 IO=()k=0.032 m4。

代换横梁为组合工字钢 I 400 mm×1 800

计算简图见图2。

图2 框架计算简图Fig.2 Frame calculation diagram

图3 屋架计算简图Fig.3 Roof truss calculation diagram

2)通过PKPM程序进行计算，杆件截面满足要求，其中柱顶处

柱顶弯矩 M=1 018 kN·m

水平力 H'=83.5 kN

将M折算成一对力偶 H″=M/h1=1 018/2.5=407 kN

故传至屋架上部的水平力为 H1=407 kN传至屋架下弦水平力 H2=407+83.5=490.5 kN

计算简图见图3。

应用PKPM进行计算，杆件截面均满足要求。

3)吊车肢按轴心受压柱计算。

6.5 节点设计

刚接柱脚设计为露出式，应用PKPM进行节点计算，柱顶刚接节点采用安装螺栓连接，螺栓数量、大小由计算确定。

7 结语

通过理论分析和工程实例，初步了解了特殊吊车条件下钢结构厂房的计算方法和设计要点，钢结构程序的开发虽节省了大量的计算时间，但它的程序内容并不完善(如刚接屋架的计算等)，有许多的计算需作进一步的开发。随着科学技术的发展、计算机的普及应用，相信这些问题都能得到圆满解决。

[1]中华人民共和国建设部.GB50017－2003钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社，2003.

[2]钢结构设计手册编辑委员会.钢结构设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社，2004.

[3]李星荣，魏才昂，丁峙崐，李和华.钢结构连接节点设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社，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，贵阳人，工程师.主要研究方向:工程结构设计.