某大型工业厂房重型吊车运行荷载实测研究

某大型工业厂房重型吊车运行荷载实测研究

柏炯

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海200092)

摘要：大型工业厂房的桩基础不仅要承受厂房以及吊车梁等自身的恒荷载，而且同时也要承受吊车装卸运转所带来的循环活荷载。该类荷载的特点之一是每次发生的荷载值占其总荷载比例较高，另一个特点是其循环频率也较高。通过人工记录的方式对上海某造船基地切割和小型部件安装车间的重级工作制吊车运行情况进行了记录，随后进行统计、分析，建立起了适合该类工业厂房或类似工作形态吊车运行规律统计方法，并获得了适用于此类吊车循环荷载的三角波加载波形，并以规范制定的吊车工作制级别为依托建立了吊车运行规律的简化分析方法，验证了该实测统计数据的可靠性。

关键词：吊车；运行规律；循环荷载；加载波形

中图分类号:TU47文献标志码：A

基金项目：国家自然科学基金(51408451);湖北省自然科学

收稿日期：2013-11-08修改稿收到日期：2013-11-28

Sitemeasurementofloadingcharacteristicsofheavycranesinanindustrialplant

BAI Jiong(ShanghaiMunicipalEngineeringDesignInstitute(Group)Co.,Ltd.,Shanghai200092,China)

Abstract:Besides the static loading of the workshop and crane beams, the cyclic loading brought about by the crane operation was applied to the pile foundation of a heavy lifting workshop. The cyclic loading has two characteristics. One is the high proportion of the cyclic loading to the total, and the other is its rather high frequency. In this study, the operation of the crane in a lifting workshop of a shipbuilding base in Shanghai was recorded and analyzed through artificial records. A statistical method suitable for analysing the crane operation rules of the shipbuilding base was established. Besides, the triangular wave was assured to be suitable for fitting the cyclic loading waveform for the crane. Furthermore, a simplified analytical method was established based on the normative crane working system level. The calculation results validate the reliability of the measured data.

Keywords:crane;travellingcharacteristics;cylicloading;loadingwaveform

随着我国造船业的迅猛发展，各大造船基地需要建造越来越多的大型工业厂房来完成日益增长的工作量。目前的造船基地所使用的大型吊车，轻则为数十吨级，重型的则可达数百吨，厂房桩基础不仅承受厂房以及吊车梁的恒荷载，而且同时也要承受吊车装卸、运行所带来的循环荷载。该类荷载的特点之一是每次发生的活荷载与占总荷载比例较高，另一个特点是荷载循环的频率也较高。

其中荷载循环的频率及大小对基础沉降的特性有着重要影响。周建等[1]利用应力控制的循环三轴试验，研究分析了循环荷载作用下杭州市正常固结饱和粘土在等压固结的状态下循环频率对应变的影响。张茹等[2]通过动三轴试验得出，当频率在0.1~4.0Hz的范围内变化时，频率越高，试样循环强度越高，当频率继续升高后，循环强度却有下降趋势。Procter等[3]采用循环三轴试验研究了不同频率循环荷载作用下等压固结重塑饱和粘土的动力特性，其频率变化范围为1/120~1Hz，由循环强度曲线得出对应同一循环破坏次数，随着频率的增大，循环强度增大。

在现行设计手册和规范中[4-5]，并没有专门考虑该类循环荷载对基础沉降影响的相关内容，而且在计算基础沉降时一般也不将吊车等荷载的往复循环运动考虑进去。

为研究吊车循环荷载对基础沉降的影响，需进一步给循环荷载下桩的模型试验提供加载周期、大小等加载特性，即提供适用于吊车循环荷载的波形。常用的循环荷载包括三角形波、矩形波、正弦波等。日本建设省在Ariake粘土上进行了低路堤的交通载荷试验后得到交通荷载的波形接近于三角波[6]，Fujiwara等[7]采用矩形波研究了预压对循环荷载作用下土固结沉降的影响，Matsuda等[8]采用了正弦波进行了循环固结试验，指出土中孔压的分布与传统固结理论并不一致。

当前学者在研究循环荷载作用时往往忽略了具体工程中不同循环荷载大小以及频率。蒋军等[9]采用不同加载波形研究了长期循环荷载作用下粘土的一维沉降，发现在土体固结的第四阶段不同波形对土体破坏程度不同。因而确定适用于工程循环荷载的波形对于土体的变形破坏研究至关重要。为此，本文对吊车的运行规律进行系统的实测统计研究，根据实测统计结果得出适合与吊车循环荷载的加载波形，以指导该类循环荷载下模型试验的加载波形。另以规范制定的吊车工作制级别为依托，建立了吊车运行规律的简化分析方法，将实测结果与计算结果相比较，证明了吊车运行规律统计结果是可信的，可用于吊车荷载规律的计算。

1吊车运行规律介绍

吊车的运行规律指的是吊车工作期间，重复将起吊物品从装载区吊装至工作区卸载，并将成品从工作区吊装至成品区的过程。吊车在吊车梁上从一个位置移动到另一个位置，作用在吊车梁上的吊车荷载通过柱的传递作用，将吊车荷载传递到基础上，如图1所示。吊车活动的部分由大车桥架和小车构成，吊车桥架载着小车在整个吊车梁方向上的做纵向平移，小车在吊车桥架的水平方向上做横向平移，如图2所示。

图1　吊车纵向运行示意图 Fig.1 Schematic of the longitudinal crane operation

图2　小车横向运行示意图 Fig.2 Schematic of the lateral dolly operation

2实测数据统计

影响吊车对基础承载特性的因素主要有吊车的工作频率以及起吊的载荷大小。为了能够说明典型的吊车行驶规律，本次调查对上海某造船基地内的两辆A6(20t×34.5m)工作制的电磁吊车进行了为期两天的调查工作。所调查的该类吊车和厂房在造船基地是较为典型的，使用频率较高，能够较好的反应吊车工作运行规律。由于本单位尚无能够可直接应用的设备对吊车运行规律进行记录统计，本次研究采用的是手工记录的方式。本次调查从早晨8：00持续至下午17：00，中午12：00至13：00为职工午休的时间，吊车停靠在指定的位置。通过手工记录的方式记录数据，主要记录的参数有工作荷载(kN)、启动时间(s)、行驶时间(s)、行驶范围(m)以及停留时间(s)等，记录总共持续2天。

2.1运行周期统计

根据吊车的运行状态，将其运行时间划分为两类，即工作时间与非工作时间。工作时间是指吊车正常运行时间，非工作时间指午间休息时间以及驾驶员因故离开的时间。我们仅考虑工作时间的运行周期以及间歇时间，不考虑非工作时间。吊车对一个柱开始产生作用到该柱的受力重新变为零的这个过程，我们称之为一次循环，循环由开始到结束的时间段称为一个运行周期。吊车运行的周期是杂乱无章的，通过统计得到的最大周期、最小周期和平均周期来表征周期特征。

间歇时间是各柱的每个受力周期结束到下个受力周期开始前的一段时间，在这段时间内柱身不受吊车荷载的影响，仅存在厂房结构本身的恒载。对于各柱，通过统计其最大间歇时间、最小间歇时间和平均间歇时间来反映其时间特性。间歇时间越长，柱受吊车循环荷载作用影响的程度就越小。

基于吊车实地工作强度的调查数据，经过整理得到表1~4。

此次调查的车间是切割车间，吊车A的3、4号柱是钢板装卸货位置，吊车B的1、2号柱是钢板装卸货位置，吊车在此处起吊钢板至其他位置，操作频率最高。其余位置为等离子切割机位置，在切割任务开始前与结束后进行钢板的吊装。根据上述统计数据，得到吊车A的2、3、4、5号柱与吊车B的1、2、3号柱所承受的循环荷载最大、频率最高，且总的受荷时间最长。

由上述分析，可以看出吊车运行时对各柱产生的载荷，无论是频率、大小，都是相当高的，我们选取受吊车荷载影响程度最高的几个柱作为主要研究对象来进行分析，平均加载周期的范围为134.8~219.0s，整个工作日的周期数量在33~64次，平均间歇时间的范围为81.6~247.7s，如表5所示。

表1　吊车 A实地调查中各柱加载时间特性统计表(9月28日)

表2　吊车 B实地调查中各柱加载时间特性统计表(9月28日)

表3　吊车 A实地调查中各柱加载时间特性统计表(9月29日)

表4　吊车 B实地调查中各柱加载时间特性统计表(9月29日)

表5　吊车实地调查中加载最频繁柱的时间特性统计表

2.2荷载统计

为研究吊车运行对基础的影响，我们统计得到吊车运行荷载的一般规律。在计算过程中忽略吊车的起步加速度以及小车在轨道梁间不同位置对两柱受力的影响，简化为按照最不利情况，即始终计算大车最大轮压Pmax对各柱受力的影响，其中大车最大轮压Pmax可根据图2中小车横向运行示意图按式(1)求得。

(1)

式中：P0为吊车总重(包括小车和电磁吊装置)；P1为小车重量；P2为电磁吊重量；n为大车车轮总数；P为起重量；L为吊车跨度，即轨距(参见图2)；L1为电磁吊(或小车)中线至吊车梁中线最小距离，即小车和吊梁装置移动的极限位置(参见图2)。

参数取值如表6所示。

此次调查的电磁吊大车在每侧有4个车轮，当小车位于L1位置时，四个车轮的荷载均为Pmax。对于各柱(柱距12m)而言，大车行进时，柱所承担的荷载因4个车轮位于不同位置而变化，如图3所示。根据影响线计算，当2号或3号车轮位于柱位置时，此时该柱承担的吊车荷载最大。

本文选取了9月29日吊车B在130~136分钟期间，2号柱的受力过程，如图4所示。可以看出，当2号车轮或3号车轮恰好作用在柱上时，该柱受力达到峰值。该柱29日所承受吊车作用的全过程统计图如图5所示。

图3　各柱受力计算示意图 Fig.3 Schematic of the force calculation of the column

P/kNL/mn/个P0/kNP1/kNP2/kNL1/m-34.5810501601401.5

图4　各轮对2号柱的综合影响 Fig.4 Combined effects of each wheel on the 2 nd column

图5　2号柱的加载时程曲线 Fig. 5 Time-history curve of the loading of the 2 nd column

2.3吊车循环荷载波形

为研究吊车循环荷载对基础沉降的影响，需进一步给循环荷载下桩的模型试验提供加载周期、大小等加载特性，即提供适用于吊车循环荷载的波形。根据上述运行周期和荷载统计发现，吊车循环荷载的加载波形可简化为三角波，如图6所示。其中Qc为实测工作荷载大小，可根据具体工程选取相应的数值。

图6　吊车循环荷载加载波形 Fig.6 Cyclic loading waveform for cranes

3实测统计结果验证

从统计结果可以看到，现实中的吊车运行状况，吊车对支撑结构的实际载荷作用十分复杂，不是简单的二维载荷作用，而是一种无规律的三维载荷作用。这些近似于无规律的载荷作用包括上一节所提到的各种载荷，同时也和许多人为因素有关，比如当前的生产计划任务、需要频繁吊装到特定位置等。因此，本文对吊车运行数据进行统计分析，并进行了部分简化处理，忽略了小车垂直于大车移动位置的移动，吊车梁的两边均按照最不利情况，即小车走至距离吊车梁最近位置来进行计算，忽略了冲击载荷以及水平载荷等因素的影响，即仅考虑自重载荷以及起吊载荷。并基于《起重机设计规范GB/T3811-2008》[10]建立了运行周期及荷载简化计算方法，并将计算结果与实测数据对比，以验证本次实测数据的可信性。

3.1运行周期简化计算

根据吊车利用等级，可以确定出吊车的平均循环运行周期，在该循环周期假设下，可以简单估算出桩的循环承载性状。假设吊车是在梁上均匀行驶，则根据吊车的工作制确定的以上参数，能够得到吊车作用的循环承载性状即运行周期如下。

(2)

根据图1，假设吊车在吊车梁上始终按照从0-10往复行驶，每循环运行一次，对于1-9号柱均有2次循环加卸载，加载周期为T/10，每个柱每两个间歇周期之和为4T/5；0、10号柱均有一次循环加卸载，加载周期为T/10，加载间歇时间为9T/10。

3.2荷载简化计算

计算吊车对柱作用的最大荷载时，同对吊车梁作用的最大荷载类似，故可采取吊车轮压标准值(由影响线确定处于对计算点最不利的位置)、吊车轨道及其连接件和吊车梁自重标准值共同作用下计算点处的应力值。吊车的起吊载荷连同自重载荷对承载结构的作用随时间以及起升位置改变而改变，通过叠加吊车各轮对吊车梁的作用，将吊车对吊车梁作用换算成对各柱的载荷，进而得到了柱的承载时间规律。

在吊车循环荷载的简化计算中，我们假设各设计指标的计算点位置，荷载等效位置为吊车重心处，即取吊车轮中心位置，根据吊车的工作制级别，通过下式来进行计算，得到不同工作制下的吊车平均起升载荷Pav。

Pav=KpP

(3)

式中:Kp为名义荷重谱系数，可根据起重机的荷重状态由表7确定，P为最大起吊载荷，可由起重机参数确定。

表7　起重机的荷重状态及荷重谱系数 [10]

3.3统计结果验证

对于提出的运行周期简化计算方法，以实地调查的A6吊车为例，假设每年吊车工作300个工作日，每个工作日运行8小时，那么根据式(2)有：

对于0-10号柱，每个循环加载时间为T/10=21.6s，对于0、10号柱每循环间歇时间为9T/10=194.4s，对于1-9号柱，每两个间歇周期之和为4T/5=172.8s。与表5中实测结果相比，计算得到的每循环加载时间与统计得到的每循环最小周期接近，计算得到的间歇时间与统计得到的间歇时间相比较稍小。

对于提出的荷载简化计算方法，以实地调查的A6吊车为例，吊车起升荷载均在3t左右，最高不超过5t。与吊车及其电磁吊自重105t相较要小许多，故吊车荷载为108t。实地调查吊车的最大起升荷载P为20t，由吊车荷重状态为Q1可确定名义荷重谱系数Kp为0.125。根据荷重谱系数方法，式(3)计算得到起升荷载为2.5t，故吊车荷载为107.5t。与实测结果得到的108t基本一致。

由上述分析可得，实测统计数据得到的吊车运行规律与基于规范的简化计算结果相近。验证了本次实测统计数据的可信性，同时为上述模型试验中吊车循环荷载波形的选取提供了依据。

4结论

通过人工记录的方式对船厂的吊车运行情况进行了记录，并通过对采集数据进行处理，建立起了适合造船基地的吊车循环荷载的加载波形，并以规范制定的吊车工作制级别为依托，建立了吊车运行规律的简化分析方法，得到如下结论：

(1)对吊车厂房吊车运行规律的实测统计，得到了大量吊车运行荷载及运行周期的实测数据，为进一步循环荷载下桩的模型试验提供了吊车循环荷载的加载波形，即三角波。

(2)基于规范制定的吊车工作制级别建立了吊车运行规律的简化分析方法，其计算结果与实测结果相近，验证了本次实测统计数据的可信性，同时为上述模型试验中吊车循环荷载波形的选取提供了依据。

(3)本文获得的吊车循环荷载三角波波形为类似吊车循环荷载下的模型试验提供了波形。针对目前造船基地等需要建设此类重、大、高、深基础的实际工程，有着降低建造成本，保证工程安全的重大意义。

(4)本文所调查的该类吊车和厂房在造船基地是较为典型的，使用频率较高，仅进行两天的现场实测统计，能够较好的反应吊车短期工作运行规律，不能反应吊车长期运行规律，为更准确获取现场加载时程曲线，需进一步对现场进行长期监测。

参考文献

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[10]中华人民共和国行业标准, 《起重机设计规范》(GB/T3811-2008), 2008.

第一作者孔凡男，博士，讲师，1984年1月生

通信作者李书进男，教授，博士生导师，1967年7月生