钢结构吊车梁正常使用极限状态分析

李 志 刚

(中冶南方工程技术有限公司，湖北 武汉 430223)



·结构·抗震·

钢结构吊车梁正常使用极限状态分析

李 志 刚

(中冶南方工程技术有限公司，湖北 武汉 430223)

针对钢结构吊车梁的正常使用极限状态，对相关规范的有关条款进行了详细分析，在挠度、安装精度、构造公差、运行公差等概念的基础上，介绍了满载运行公差的概念，提出了用于满载运行公差控制的准则，建议将《起重机 车轮及大车和小车轨道公差 第一部分：总则》应用于吊车梁正常使用极限状态的结构设计。

吊车梁，钢结构，满载运行公差，结构设计

单层工业厂房结构由排架柱子系统、吊车梁系统、屋盖系统、墙架等系统组成,是为完成某项工业生产目标而设计的工厂建筑产品。其中吊车梁系统直接担负厂房的重要设备——起重机，是重要的结构构件。吊车梁的正常使用极限状态，在目前结构设计中，按《钢结构设计规范》控制。详见其附录A.1.1条“受弯构件的允许挠度值”规定：吊车梁竖向挠度，轻级工作制L/800，中级工作制L/1 000，重级工作制L/1 200。随着时代发展，厂房柱网越来越大，吊车起重量越来越大，这个指标作为控制值已经不能完全满足时代发展的要求。某些工程投入使用后，有情况反馈吊车通行时噪声较大、大车轮啃轨、走行不畅。类似现象多出现在厂房抽柱处，在非抽柱处少有发生。

1 问题的提出

某车间厂房局部布置如下：BC跨的跨度24 m；该跨布置两台180/50 t吊车；厂房基本柱距12 m：在B列为…12 m,24 m,12 m…，在C列为…12 m,12 m,12 m,12 m…。

吊车荷载资料按吊车厂家的设备资料：180/50 t吊车，Lk=21 m，起重机总重315 t(其中小车重100 t)，吊车适配轨道QU120。

吊车梁系统采用钢结构；吊车梁为焊接H形；水平制动系统采用制动梁，宽度3 m，兼做走道板(t=8)；板边设置安全防护栏杆，按国标02(03)J401选择JG 2—12；轨道按设备要求为QU120；压轨器按JB/T 10543轨道固定装置选择WJK8。

吊车梁系统永久荷载：走道板自重0.8 kN/m2，栏杆0.15 kN/m，轨道1.18 kN/m，压轨器0.1 kN/m。

吊车梁系统可变荷载：走道板灰荷载0.5 kN/m2，行人荷载2 kN/m2，吊车梁系统吊挂工艺管道管线荷载10 kN/m。

由以上条件计算得：吊车梁均布线荷载(永久荷载)为2.63 kN/m，均布线荷载(可变荷载)为8.75 kN/m。

进而计算得：24 m跨附加弯矩标准组合为819 kN·m，附加弯矩基本组合为1 109 kN·m。

12 m跨附加弯矩标准组合为205 kN·m，附加弯矩基本组合为277 kN·m。

吊车梁自重由程序自动计算。

经软件计算满足现行《钢结构设计规范》承载能力极限状态、正常使用极限状态的设计要求。但现场反馈，该吊车在抽柱处通行时噪声较大、大车轮啃轨、走行不畅。鉴于起重机设备正常，初步判断吊车梁挠度影响了起重机的正常使用。

2 吊车设备决定吊车梁的正常使用极限状态

针对上述问题，笔者思考如下：吊车和汽车相类似，需要在相对平坦的路面运行，路面的平整度会影响其运行。通过查阅相关的起重机设备规范，在GB/T 10183.1—2010起重机 车轮及大车和小车轨道公差 第一部分：总则(以下简称《总则》)找到相关条款：轨道任一点处相应两轨道顶面的高度差(即车轮与轨道接触形成的平面)应在一定公差范围内。

结构设计人员很少接触专业外的其他规范，导致知识的某种缺失。笔者自问：厂房用来干什么，怎样满足使用的要求。这需要学习相关设备规范，了解设备运行条件，从本质上掌握结构的正常使用极限状态。

1)各专业的规范从各自不同角度诠释吊车梁的正常使用极限状态。引述如下：

a.《总则》规定了吊车设备正常安装及运行的轨道顶面标高要求。定义“在起重机投入运行之前，在新装、改装、重装或维修组装起重机期间，由起重机整机及其轨道的装配产生的偏离规定尺寸的允许量值”为构造公差，按其表2，规定轨道顶面构造公差E(轨道任一点处相应两轨道顶面的高度差)为0.5S/1 000，极限值±5 mm。定义“由于起重机的使用，致使起重机和轨道产生的偏离规定尺寸的允许量值”为运行公差，按其表7，规定轨道顶面运行公差Ew1(轨道任一点处相应两轨道顶面的高度差)为±10 mm。

b.《钢结构设计规范》的附录A.1.1条“受弯构件的允许挠度值”。规定单个吊车梁竖向挠度，轻级工作制L/800，中级工作制L/1 000，重级工作制L/1 200。

c.《钢结构工程施工质量验收规范》(以下简称《验收规范》)的附录E.0.2条“钢吊车梁安装的允许偏差”。规定结构安装时同跨间内同一横截面吊车梁顶面标高差Δ，在支座处10 mm，其他处15 mm。

2)以上条款叙述的对象各不同，但又具有相关性、相似性，《总则》系设备规范，其关注点为轨道顶面标高的公差。《钢结构设计规范》其关注点为吊车梁，从单个吊车梁挠度来考虑的。《验收规范》聚焦在施工安装阶段，其关注点为吊车梁安装标高差。解读时应注意其区别与联系。

a.轨道顶面标高与吊车梁顶面标高的关系。

起重机设备运行在以两条轨道为基础的一个水平面上，以双边轨道顶面标高差(即吊车梁顶面标高差)作为吊车正常安装、运行的控制参数。轨道顶面标高公差与起重机设备安装和运行直接关联，它是正常使用极限状态的直接要求。

吊车梁顶面标高是结构设计与施工的控制点。因为轨道自身刚度不大，其顶面标高由吊车梁决定，结构设计以吊车梁顶面标高为控制目标是可行的。

b.双边轨道顶面标高的“构造公差”。

轨道顶面形成吊车设备组装的安装工作台，《总则》构造公差就是对这个工作台的精度要求。 “标高差”是安装公差与挠度变形的总和，其要求该公差在吊车空载时检测确定。这表明：必须考虑吊车梁系统自重的挠度效应，在吊车设备开始组装到完成组装的整个过程中，考虑设备重量的挠度效应，以及吊车梁安装公差。如果支座处存在安装公差，则设计挠度限值可能还需要减小，换句话说，由于挠度的存在，必须严控支座处的安装公差，最终要以构造公差限值作为评判标准。

《验收规范》要求双边“吊车梁顶面”标高差的精度。属性为安装公差，它是吊车梁的安装精度而不是轨道的安装精度。本条款不要求考虑吊车荷载的作用，但同时内含一个条件：两边吊车梁在吊车梁系统自重作用时，其最大挠度差不得超过15 mm。

《总则》的“构造公差”与《验收规范》吊车梁安装精度的意义相辅相成又有所不同。都是对双边“吊车梁顶面”标高公差的要求，但《验收规范》的要求低于《总则》，如仅满足《验收规范》要求的下限，在安装轨道时则可能需要相应调整才能满足《总则》要求。在结构设计说明中，宜指出轨道安装应按《总则》执行。对于有经验的营造商，在吊车梁安装时按《总则》要求对吊车梁顶面标高作出控制，以避免在安装轨道时的二次调整。

c.双边轨道顶面标高的“运行公差”。

起重机设备在轨道顶面的平面运行，《总则》运行公差就是对这个运行平台的精度要求。同样，“标高差”是安装公差与挠度变形的总和，其要求该公差在吊车空载时检测确定。设计时的思考方法参照本文2.2.2。

《钢结构设计规范》要求在吊车满载时最不利工况下的单边吊车梁挠度。该条款从单边吊车梁挠度来考虑，却没有将双边吊车梁允许变形共同考虑。

《总则》“运行公差”与《钢结构设计规范》吊车梁挠度的意义有所不同但又有所关联。“运行公差”是双边轨道顶面标高公差，通过计算双边吊车梁分别在吊车空载最大、最小轮压下的挠度，得到双边轨道顶面标高公差。《钢结构设计规范》吊车梁挠度是单边吊车梁挠度，计算一侧吊车梁在吊车满载的最大轮压下的挠度。

d.“构造公差”与“运行公差”。

“构造公差”较严格，虽然条款没有说明其适用区域，但从其定义来看，它是为组装起重机设备而定义的，笔者认为仅适用于组装区域，不宜用于整个厂房。

“运行公差”相对宽泛，整个厂房的吊车梁轨道标高差均要满足其要求。

e.以上条款从结构、设备等不同层面提出了明确的控制指标，对指导设计有着重要意义。遗憾的是在“运行公差”中，只对吊车空载提出运行公差要求，没有对吊车满载提出运行公差的要求，致使在设计工作即将收官的最后阶段缺乏明确的设计控制要求。

3)核查案例的计算，发现当吊车运行至抽柱附近时，B列线吊车梁挠度约20 mm，带动轨道下沉；而C列线是吊车梁支座，挠度为0，轨道没有下沉。B，C列轨道面标高差为20 mm。导致同一吊车跨在跨中处两条轨道变位不一致，当其差值较大时，影响吊车的正常运行。

3 吊车梁正常使用极限状态的设计及施工

吊车梁关系到起重机正常运行，设计时应进行正常使用极限状态控制，施工时应执行安装精度控制，以保证最终符合《总则》的公差要求。1)设计按《钢结构设计规范》的吊车梁挠度要求，控制一侧吊车梁在吊车满载的最大轮压下的挠度。2)设计按《总则》的构造公差要求，通过计算双边吊车梁分别在吊车空载的最大、最小轮压下的挠度，校核构造公差。设计应与施工沟通，确定起重机设备组装位置，并对该范围的吊车梁执行构造公差控制。从受力—位移原理，吊车设备组装时宜选择左右两边吊车梁刚度对称位置进行设备组装，一般可以满足构造公差要求。如果因工艺布置或施工现场空间原因吊车设备组装必须在抽柱位进行时，在设计时应做好构造公差控制预案：一种方法是通过计算轨道顶面高差控制吊车梁截面，满足0.5S/1 000或极限值±5 mm的要求。另一种方法是在安装轨道时调整轨道顶面标高。3)设计按《总则》的运行公差要求，通过计算双边吊车梁分别在吊车空载的最大、最小轮压下的挠度，校核运行公差。4)设计提出施工安装相关要求，在结构设计中说明吊车梁、轨道安装应按《总则》执行。5)针对现行规范没有规定吊车满载运行时双边吊车梁轨道顶面标高公差的情况，笔者提出建立“满载运行公差”的概念，从有利于设备使用的角度出发更好地满足吊车的正常使用。a.对于抽柱排架的吊车梁，鉴于非抽柱排架少有出现因高低差造成运行困难，以此为实践经验结合相关规范的条款，笔者建议：假设两侧均为大跨度的吊车梁，考虑吊车满载时的最大轮压、最小轮压分别作用在两边吊车梁，计算两边吊车梁挠度差作为控制标准，在规范没有明确条款的情况下暂时作为设计控制方法。b.对于非抽柱排架的吊车梁，由于少有吊车运行困难现象，是否空载运行公差可以满足满载运行尚无结论，对其满载运行公差，笔者建议：比较满载最大轮压与空载最大轮压，满载最小轮压与空载最小轮压，取其较小比值乘以空载运行公差极限10 mm，作为“满载运行公差”进行设计控制。6)对案例重新设计分析，采用3.5.1的控制方法，严格控制满载运行公差，对比吊车梁材料重量比原设计增大12%～15%。

[1] GB/T 10183.1—2010，起重机 车轮及大车和小车轨道公差 第一部分：总则[S].

[2] GB 50017—2003，钢结构设计规范[S].

[3] GB 50205—2001，钢结构工程施工质量验收规范[S].

Analyse of the crane girder in steel structure design

Li Zhigang

(WISDRIEngineering&ResearchIncorporationLimited,Wuhan430223,China)

A focusing study of serviceability limits states of crane beam is made by the author. Based on the detailed analysis of the items of deflection, installation tolerances, construction tolerances, operational tolerances from the governing codes, the concept and criteria of operational tolerances under capacity load are introduced.Crane-TolerancesforWheelsandTravelandTraversingTracks-Part1,Generalshould be applied to normal design procedure.

crane girder， steel structure， operational tolerance under capacity load, structure design

1009-6825(2016)18-0034-02

2016-04-19

李志刚(1965- )，男，高级工程师

TU391

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