巧用Excel设计及验算轧机牌坊安装用双梁式吊装架

唐洪志

(中国十九冶集团有限公司，四川成都610031)

在现代轧钢车间设计中，车间内一般配置有安装、检修、换辊用的普通桥式起重机，其起重量一般根据安装、检修的最重部件或更换轧辊组合件的重量确定。在实际工程中，建设单位为了节约投资，通常只考虑换辊组合件的检修的最大重量。轧机牌坊一般为板带热轧车间的最重部件，安装后一般不会产生检修问题，而牌坊重量往往大于其它需要经常检修、更换的设备的重量。因此，在板带热轧车间安装工程中，往往遇到轧机牌坊安装时无法直接利用单台桥式起重机直接吊装，并且其牌坊高度可能超过车间地面至桥式起重机的轨面高度。这时，就不能利用简单的双机抬吊方式安装轧机牌坊，而需要利用如图1所示的双梁式吊装架双机抬吊。双梁式吊装架设计时需要确定的参数较多，包括纵梁的截面参数、横梁的截面参数、纵梁与横梁连接螺栓参数、纵梁焊缝参数、横梁焊缝参数，因此计算过程较为繁杂。为达到保证吊装安全、降低安装成本，笔者根据本公司近年来的安装经验，在MS Excel中建立计算模型，能够快速直观的确定上述各项参数，并快速实现优化设计。

图1 双梁式吊装架

1 双梁式吊装架设计验算程序

采用双梁式吊装架时，其主要的已知数据包括:(1)牌坊的重量Qp(t);(2)牌坊的窗口宽度Bp(mm);(3)牌坊的厚度tp(mm);(4)牌坊的柱截面宽度(mm);(5)两台行车的主钩额定起重量QD1、QD2(t);(6)两台行车靠拢时主钩之间的最小水平距离L(mm)。

通过上述参数，并依据经验，可以设计采用双梁式吊装架利用车间内的两台行车双机抬吊安装轧机牌坊。由于手工计算过程相当繁琐，并对吊装架设计进行优化时，手工计算量成倍加大，所以在现场施工时，技术人员常常是先根据经验设定吊装架的结构尺寸进行验算，如果满足要求，就不会对吊装梁进行进一步的优化，造成了一定程度的材料浪费。

本文主要采用Excel建立计算模型，根据假定的吊装架系统设定其各项参数，以验算流程逐步建立计算公式，推导出双梁式吊装架系统各部件的安全系数。然后在Excel中建立带有函数的表格，根据经验在Excel表格中输入各部件的参数，Excel会自动计算出各部件的安全系数，根据验算结果快速调整各部件的参数，从而快速确定经过优化的吊装架系统，达到既保证吊装安全，又节约安装成本的目的。其设计验算流程见图2。

图2 双梁式吊装架设计验算流程

2 验算公式建立过程

2.1 整体结构设定

根据经验，并且为了简化计算，纵梁采用焊接H形钢梁，两根纵梁呈镜面对称。横梁采用焊接箱型梁，纵梁和横梁之间采用高强螺栓连接。当需要吊装的牌坊重量超过单台行车的额定吊装重量，但低于两台行车主钩额定吊装重量之和的1.15倍时，为保证行车的安全，可以将两个行车的主钩的受力分配比例等于其额定吊装重量之比。为便于计算和分析，假定双梁式吊装架系统为一个刚性架，四根横梁的截面相同，从而整个刚性架可以简化为一个扁担梁。

根据图1，作出双梁式吊装架受力简图如图3。

图3 双梁式吊装架计算简图

根据图3，可以建立如下方程式组:

注:式中各种代号表示的意义请参见表1，下同。

根据式(1)可以计算出以下数据:

2.2 横梁受力分析及公式建立

2.2.1 横梁结构特性

横梁结构如图4所示。横梁的截面积:

横梁的重量:

图4 横梁结构图(左)及截面尺寸(右)

横梁的截面抗弯模量:

2.2.2 横梁受力计算

横梁实际上相当于两端刚性固定梁，其受力状况优于两端铰接梁假设，为简化计算采用铰接假设，铰接方式计算的结果如能满足安全系数要求，则实际情况下就更能保证吊装安全。根据上述推理，并假定横梁与纵梁之间为铰接，则各横梁受力情况如下。

(1)横梁1:横梁1的受力情况参见图5。

图5 横梁1受力分析简图

根据图5，横梁1端部受力为:

横梁1中点的弯矩为:

根据式(3)和式(7)横梁1的最大应力为:

(2)横梁2、横梁3:横梁2、横梁3受力情况参见图6。

图6 横梁2、横梁3受力简图

根据图6，横梁2、横梁3端部支反力为:

横梁2、横梁3的最大弯矩为:

根据式(3)和式(10)，横梁2和横梁3的最大应力为:

(3)横梁4:横梁4受力简图参见图7。

图7 横梁4受力分析简图

根据图7，横梁4端部的支反力为:

横梁4中点的弯矩为:

根据式(3)和式(7)横梁4的最大应力为:

2.3 纵梁受力分析及公式建立

2.3.1 纵梁结构特性

纵梁结构及其截面尺寸参见图8，纵梁的截面积为:

图8 总量结构图及截面图

纵梁的重量为:

纵梁的截面抗弯模量为:

2.3.2 纵梁受力计算

假设纵梁为一根两端简支梁，纵梁受力情况参见图9。

根据图9，并考虑牌坊吊装时横梁2和横梁3的结构尺寸，得出下列计算式:

(1)横梁1至横梁2之间的距离:

图9 纵梁受力计算简图

(2)横梁2至横梁3之间的距离:

(3)横梁3至横梁4之间的距离:

(4)横梁2处的纵梁弯矩:

(5)横梁2处的纵梁弯曲应力:

(6)横梁3处的纵梁弯矩:

(7)横梁3处的纵梁应力:

2.4 安全系数验算

对于牌坊吊装时所用的双梁式吊装架，因为属于临时设施，其重复使用的频度较低，基本上一次工程完工后，该吊装架即可报废。同时，因为吊装架所吊装的设备非常重要，牌坊重量非常重，因此在吊装时，必须严格确保吊装过程的安全。根据本公司的经验，吊装架设计、验算时，一般应保证其安全系数在2.5～3.5之间。如果某工程中只有一台轧机(两片牌坊)，安全系数可以取2.5～3.0;如果有多片牌坊，如7机架热连轧机组，安全系数应在3.0～3.5之间。

根据上述，利用上文中式(11)、式(14)、式(16)、式(24)、式(26)分别验算各处的安全系数。安全系数为:

3 建立Excel计算模型

根据上文，建立Excel计算模型(参见表1)。

表1 双梁式吊装架Excel计算模型及优化结果

4 代入数据并优化设计

4.1 代入数据

以我公司承建的某工程为例，该工程共2台轧机，单片牌坊最大重量为145 t，车间内最大的行车主钩额定起重量为100 t，相邻的一台行车主钩额定起重量为50 t，其余数据参见表1。在Excel中建立计算模型后，根据经验并进行调整后的计算结果见表1中的“(D)”列。

4.2 优化设计注意事项

4.2.1 优化设计步骤

(1)确定纵梁截面参数;(2)确定横梁截面参数。

4.2.2 优化设计原则

(1)纵梁优化应以横梁2和横梁3两处的安全系数中较小的一个值的位置为准，其安全系数应介于2.5～3.5之间;

(2)横梁的优化应以4根横梁中安全系数最小的一根横梁为准，其安全系数应介于2.5～3.5之间;

(3)尽量减少吊装架制作材料的规格数量。如:横梁的翼缘板厚度尽量与纵梁的腹板厚度相同;横梁端板的厚度尽量与纵梁的翼缘板厚度相同;4根横梁的截面尽量选用相同参数(也便于现场组装吊装架式不易发生错误)。

(4)建立调整量之间的经验公式，可以更迅速准确的确定吊装架的各项参数。如:纵梁的高宽比、横梁截面的高宽比、纵梁截面与横梁截面的高度比等。

(5)如经过优化调整后的吊装架与牌坊的总重量超出两台行车的起重能力，可以将吊装梁的材质等级提高，如将钢材的材质由Q235修改为Q345或Q390。

5 结束语

我公司在某安装工程中对上述计算模型进行了成功应用，取得了较好的经济效益和安全效益。安装工程现场的工程技术人员经常要遇到类似需要设计验算的情况，如采用专业计算软件，那将导致工程技术人员所需专业软件的种类、数量都急剧上升，购买这些专业软件都将导致企业成本的增加，而Excel作为一种常用的办公软件，已经是工程技术人员必备、常备的办公软件，充分利用Excel软件的强大的计算功能，可以解决很多现场计算问题，因此，在一段时期内，利用Excel建立工程问题的计算模型，都将是解决类似问题的一个良好工具。

［1］《机械工程师手册》第二版编辑委员会.机械工程师手册(第二版)［M］.北京:机械工业出版社，2000

［2］邱鹤年.新编钢结构设计手册［M］.北京:中国电力出版社，2005