某重级工作制吊车梁设计与计算【摘要】本文通过某重级工作制硬钩吊车吊车梁设计实例，介绍钢吊车梁设计与计算的一般方法和内容，就如何通过影响线确定吊车梁最大弯矩进行了探讨和分析，并总结了重级工作制吊车梁设计的注意事项。
【关键词】重级工作制；吊车梁；硬钩；强度；疲劳一、概况某钢铁冶金厂房为多跨单层排架结构，柱距24m，由于工艺需要布置多台大吨位重级工作制硬钩桥式吊车。
下面就以其中一跨为例，介绍该跨吊车梁的一般设计方法，吊车资料如下表：二、吊车梁形式钢结构吊车梁系统通常由吊车（支承）梁、制动结构、辅助桁架以及支撑等构件组成。
吊车（支承）梁一般以吊车桁架、焊接工字型吊车梁或箱型吊车梁形式为多见，又以焊接工字型吊车梁最为常见。
由于其制作简单，结构受力性好，因此本工程采用焊接工字型吊车梁形式。
三、吊车梁设计与计算1、吊车荷载计算吊车竖向荷载: Pk=480kN; P=μrQPk=1.1*1.4*480=739.2kN吊车横向水平荷载:按荷载规范计算荷载：Hk=(94+120)*9.85*0.2/12=35.1kN; H=rQHk=1.4*35.1=49.2kN按卡轨力计算荷载：Hk=αPk=0.2*480=96kN; H=rQHk=1.4*96=134.4kN其中μ为动力系数；rQ 为荷载分项系数；α为卡轨力系数。
2、跨中最大竖向弯矩点的确定和最大竖向弯矩计算根据经验知道，简支型吊车梁在吊车轮压作用下，跨中最大弯矩位置（C点）位于吊车车轮荷载作用点，同时该位置左右侧剪力变号。
如下图所示，RA=∑P(L-X-a)/L, 跨中最大弯矩位置Mc= RAX-Mkc=∑P(L-X-a)X/L- Mkc；Mkc 为C点左侧梁上荷载P相对与C点的力矩和，为一与X无关常数。
当Mc为极大值时，根据极值条件=∑P(L-X-a)/L=0,解得X= (L-a)/2。
这表明，跨中最大弯矩位置C点与合力∑P对称于梁中心线。
根据以上结论，可以按以下方式找到一组集中荷载作用下的跨中最大弯矩C点位置:先求得该组集中荷载合力点位置，并将合力点和其紧邻的集中荷载对称布置在梁中心线两侧（如图1.1），求出支座反力；复核紧邻的集中荷载位置左右侧剪力是否变号，若变号，即可确认该集中荷载位置为跨中最大弯矩C点位置；否则需要将合力中心和下一个邻近的集中荷载对称布置在梁中心线两侧（如图1.2），继续复核直至找到最终找出符合条件的集中荷载位置，最后根据弯矩影响线求出最大弯矩。
该方式计算时要保证该组集中荷载在找出的跨中最大弯矩C点对应的荷载布置全部在梁跨范围内。
一台吊车竖向荷载作用下最大弯矩C点、影响线、最大弯矩求解如图2.1，梁竖向最大弯矩标准值Mck=12780.1kN.m。
当计算吊车梁及其连接承载力时，一般只考虑不多于两台吊车共同作用。
由于两台吊车左右紧邻布置时，车轮数量多，起重机宽度大，按上述方法该找出的跨中最大弯矩对应的车轮布置荷载未全部在梁跨范围内时。
移动吊车，使最外侧车轮位于梁跨支座B位置，此时合力中心与假定的合力中心距离最近，该荷载布置求出的最大弯矩为该荷载组合最大弯矩。
同时需要计算在减少最右侧一个集中荷载的情况下按前面的方法继续复核，直到满足。
最后比较每一组不同集中荷载组合对应的最大弯矩，找出其中的最大弯矩值即为梁跨中最大弯矩，梁跨中最大弯矩对应位置即为最大弯矩弯矩C点。
两台吊车竖向荷载作用下不同轮数对应的最大弯矩C点、影响线、最大弯矩求解如下图（图3.1-3.4），吊车梁竖向最大弯矩Mc=23270.3kN.m(见图3.4)。
考虑吊车梁自重、轨道、制动系统、吊挂荷载等影响，弯矩乘以系数β=1.09。
最终吊车梁竖向最大弯矩设计值：Mmax=βMc=1.09*23270.3=25364.6kN.m3、跨中最大水平弯矩点的确定和最大水平弯矩计算吊车梁跨中最大水平弯矩点的确定和最大水平弯矩计算原则和方法同跨中最大竖向弯矩点的确定和最大竖向弯矩计算。
一台吊车水平荷载(按荷载规范计算荷载)作用下最大弯矩弯矩标准值MHk=4.484*13.225*10.775*35.1/24=934.5kN.m。
两台吊车水平荷载(按卡轨力计算荷载)作用下最大弯矩弯矩设计值MH=5.249*11.75*12.25*134.4/24=4230.9kN.m4、最大剪力计算吊车梁剪力在梁支座位置，由于两台吊车车轮之间最小距离大于吊车左右侧车轮最小距离（即6400mm>4900mm），吊车最大剪力为吊车车轮紧靠支座位置的布置形式。
两台吊车车轮布置见图3.1，考虑吊车梁等自重影响下支座最大剪力：V=6.35βP=6.35*739.2*1.09=5116.3kN。
一台吊车支座最大剪力标准值：Vk=4.9875P=4.9875*480=2394kN。
5、强度计算根据估算，吊车梁和辅助桁架截面见图4.1，截面参数如表1。
表1Inx（m4）Wnx上（m3）Wnx下（m3）Iny（m4）Wny左（m3）Wny右（m3）S翼缘边（m3）0.2357 0.1535 0.1336 0.0706 0.0661 0.0348 0.0431Ix（m4）Wx上（m3）Wx下（m3）Iy（m4）Wy左（m3）Wy右（m3）Smax（m3）0.2376 0.1556 0.1340 0.0706 0.0661 0.0348 0.0855上翼缘最大应力：б上=Mmax/ Wnx上+MH/ Wny左= (25364.6/0.1535+ 4230.9/0.0661) *10-3 =229.2.0MPa≤265MPa;下翼缘最大应力б下=Mmax/ Wnx下= (25364.6/0.1336) *10-3 =189.9MPa≤265MPa。
由于吊车梁上翼缘有制动板，因此不需要计算吊车梁的稳定性。
6、剪应力计算该吊车梁采用平板支座，腹板最大剪应力为：τ= VmaxS/Ixtw= 5116.3*0.0855/0.2376/28 =65.7 MPa≤170MPa；7、腹板局部压应力集中荷载在腹板计算高度上边缘的假定分布宽度lZ=a+5hy+2hr=50+5*38+2*170=580mm；腹板局部压应力бC= P/tw/lZ= 1.35*739.2*103/28/580=61.45 MPa≤265MPa。
为集中力增大系数；hy为腹板高度；hr为轨道高度。
8、腹板局部稳定性计算腹板高厚比：h0/tw=(3300-38*2)/28=115.4<170 =140.3，吊车梁需要配置横向加劲肋。
加劲肋间距3000mm，加劲板板厚10mm，外伸宽度150mm，按钢结构规范公式（ 4.3.3-1）验算：(б/бcr)2+(τ/τcr)2+(бc/бc,cr) 2=(223.1/265)2+(28.3/105.3)2+(48.9/223.9) 2 = 0.91<1满足，详细计算略。
9、支座加劲及其稳定性计算支座加劲肋计算简图见图4.2，其中：Ace=162.5 cm2;A=280.1cm2,iZ=14.3 cm;λz=h0/iZ= 322.4/14.3 =22.55,查表=0.945支座加劲端板承压应力：бce=R/ Ace=5116.3/162.5*10= 314.8MPa≤400MPa支座加劲肋稳定应力：б= R/ A=5116.3/280.1/0.945=193.3 MPa≤265MPa10、挠度计算考虑吊车梁等自重影响，一台吊车产生的竖向弯矩标准值：Mk=βMck=1.09*12780.1 = 13930kN.m，竖向挠度：ν=Mckl2/10EIx=13930*242/10/206000/0.2376=16.4mm, ν/l= 16.4/24000=1/1464<1/1200一台吊车水平荷载(按荷载规范计算)作用下制动结构水平挠度：ν=MHkl2/10EIy=934.5*242/10/206000/0.0706=3.69mm,ν/l=3.69/24000=1/6520<1/2200。
11、疲劳验算( 按一台吊车荷载标准值计算)重级工作制硬钩吊车，欠固结系数αf=1; 疲劳验算如下：a、上翼缘与腹板连接处主体金属属2类，αf△б=Mck/Wxn上= 12780.1*10-3/0.1535 =83.3 MPa<144 MPa;b、下翼缘与腹板连接处主体金属属3类，αf△б=Mck/Wxn下= 12780.1*10-3/0. 1336 =95.6 MPa<118 MPa;c、横向加劲肋端板附近(下翼缘往上50mm)主体金属属4类，αf△б=Mcky/Inx = 12780.1*10-3*1.677/0.2357=90.9MPa<103 MPa;d、下翼缘与腹板连接处角焊缝（hf=10mm），属8类αf△б=VmaxS翼缘边/Ixtw= 2394*0.0431/0.2376/(0.7*20)=31.0 MPa≤59MPa；12、其它计算吊车梁其它部分计算（如上翼缘外伸宽度与厚度比、吊车梁纵向连接、与柱连接、车挡、辅助桁架等）计算略。
通过以上设计与计算，吊车梁各项要求满足规范要求。
四、结语支承夹钳或刚性料耙等硬钩吊车不宜采用吊车桁架。
桁架节点由于有焊接应力、次应力等形成复杂的应力场和应力集中，疲劳强度低，在动力荷载作用下易导致节点过早破坏。
当计算出的吊车梁的截面比较高时，由于吊车梁跨中竖向变形会在支座对应上翼缘位置产生较大的水平变形，建议在尺寸许可的情况下吊车梁上翼缘和柱之间采用销钉连接，最大限度减少这种变形对吊车梁上翼缘与柱之间的连接板、连接螺栓的影响。
当求两台吊车竖向荷载（或水平荷载）作用下跨中弯矩时，要复核假定最不利位置位于吊车梁跨中（不含支座）车轮数量是否与假定一致，若车轮数量与假定不一致，需要进一步复核逐一减少吊车轮数量时的情况，直至满足。
然后找出不同（数量吊车轮）情况下对应的弯矩最大值，最后比较确定梁最大计算弯矩。
对于两台吊车车轮之间最小距离小于吊车左右侧车轮最小距离的吊车布置,吊车梁最大剪力计算时需要将不同车轮移至支座位置，求出不同情况下的支座反力，其中最大的一个支座反力即为梁最大剪力。
对于重级工作制硬钩吊车吊车梁，下翼缘与腹板连接一般采用焊透的T形对接与角接组合焊缝。
也可采用中间角焊缝，两端焊透的T形对接与角接组合焊缝形式。
参考文献：[1] 《钢结构设计手册(第三版)》中国建筑工业出版社出版.[2] 《实用钢结构设计与计算》中国铁路出版社出版.。