工业厂房悬臂吊车结构设计方案

工业厂房悬臂吊车结构设计方案

石朝花

(美联钢结构建筑系统(上海)股份有限公司， 上海　201613)

摘　要：工业厂房中有桥式吊车时，其设计分析及案例在各种手册中已经很多，但对于带悬臂吊车的厂房结构分析及设计在手册中很少提及，因此，当设计此类厂房时，由于没有很清晰的结构概念和力学分析，往往会设计不合理，使得吊车运行受限或直接影响结构安全。从悬臂吊车力学分析入手,对比几种设计方案及经济性，给出了建议设计方案及力学模型。

关键词：悬臂吊车；双力矩； 弯扭屈曲； 支撑

DOI:10.13206/j.gjg201510012

ABSTRACT：There are many examples and design analysis about the industrial plant with bridge crane in manuals，however, the content about structural analysis and design of industrial factory with cantilever crane was relatively limited. As a result，there are some problems that existed in design because of vague structural concepts and mechanical analysis, which may affect the operation of the crane even the safety of structure. In this paper, several design schemes and their economic were compared through the mechanical analysis of cantilever crane, a design scheme and a mechanical model were given.

收稿日期：2015 - 05 - 08

THE DESIGN SCHEME FOR THE STRUCTURE OF INDUSTRIAL PLANT WITH CANTILEVER CRANE

Shi Zhaohua

(USAS Building System(SH) Co.Ltd， Shanghai 201613, China)

KEY WORDS：cantilever crane；bi-moment；flexural-torsional buckling； bracing

作　者: 石朝花,女,1974年出生,工学硕士,高级工程师,国家一级注册结构工程师。

Email: [e-mail]

悬臂吊车作为特殊类型吊车，在工程中时常会出现。而现行手册中对于悬臂吊车厂房的设计提及很少，也少有相关案例。有悬臂吊车厂房受力与常规桥式吊车厂房设计有很大区别，由于力学概念不清及结构设计不合理，从而引起设计事故的发生。本文从悬臂吊车的受力分析入手，介绍了悬臂吊车设计要点及注意事项，并对工程中经常采用的方案进行了分析，给出了可行建议方案。

1　悬臂吊车的类型

悬臂吊车常用一般有3种： 1)固定在地面上的独立柱型式(图1); 2)悬臂梁式吊车(图2); 3)设置斜拉杆的悬臂吊车(图3)。

独立柱形式悬臂吊车荷载完全靠柱自身刚度解决，受力相对简单，是完全独立的结构，对框架没有影响，本文不再详述；图2和图3悬臂吊车受力相同，设计方案也相同，本文重点介绍图2和图3的设计方案。

图1　独立柱悬臂吊车

图2　悬臂梁式悬臂吊车

图3　斜拉杆式悬臂吊车

2　受力分析

悬臂吊车可在180°范围内旋转(图4),当吊车运行到1点时,钢柱平面内受力分析如图5所示,

图4　悬臂吊车运行范围

图5　钢柱平面内受力分析

悬臂吊车传给钢柱形心的弯矩:

(1a)

N=P

(1b)

由于悬臂吊车直接连接在钢柱翼缘上，悬臂吊车传给钢柱的力分为A、B点的力：

HA=HB=PL1/L2

(2a)

VA+VB=P

(2b)

将A、B点力传至钢柱形心:

PL1+Ph/2

(3)

式中：P为悬臂吊车起吊荷载值；HA为钢柱A点产生的水平力；HB为钢柱B点产生的水平力；VA为钢柱A点产生的竖向力；VB为钢柱B点产生的竖向力；L1为悬臂吊车起吊点至钢柱的距离；L2为悬臂吊车在钢柱上连接点的距离；Mx为钢柱平面内的弯矩；h为钢柱截面高度；My为钢柱平面外的弯矩；Mz为钢柱扭矩；N为钢柱轴力。

对于图5所示受力情况，悬臂柱荷载对于框架为平面内荷载，框架计算时，直接在框架柱上施加弯矩和竖向力，框架计算受力满足即可。

当悬臂吊车运行到图4所示的2点和3点时，悬臂吊车传给钢柱的力如图6所示，钢柱受力可以简化为对于A、B点力 HA、HB、VA、VB， 计算式同式(1)，或简化为对于钢柱形心力：

图6　钢柱平面外受力分析

(4a)

(4b)

N=P

(4c)

综上,可以看出,悬臂吊车对于刚架的力有弱轴弯矩和扭矩(偏心的横向荷载引起)。对于开口的薄壁构件，因为横向荷载(A、B点的水平力HA、HB)并未通过钢柱截面的剪切中心，因此横向荷载使得钢柱既产生弯曲，又产生扭转。由于钢柱柱脚刚接在基础上，上端又连接于屋面支撑体系，钢柱将产生约束扭转。约束扭转时，扭转角不再是纵向坐标z的一次函数，不同截面的翘曲也不再相同，而且中面上产生了自由扭转所没有的约束扭转正应力和剪应力。薄壳理论计算中引入了弯扭双力矩来计算约束扭转的正应力，构件的正应力为弯曲正应力和弯扭双力矩产生的正应力之和。可见，忽略弯扭双力矩将影响结构的安全。

弯扭双力矩的计算可以参见《建筑结构静力计算手册》，GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》也给出了双力矩的计算公式。从公式看，计算比较繁复。

当构件的受压翼缘有可靠支撑，阻止受压翼缘侧向变位和扭转时弯扭双力矩为0，此时，按压弯构件验算钢柱即可。因此设计时应充分考虑荷载情况，采取可靠的构造措施。

3　力学模型与设计案例比较

案例:某厂房跨度21 m, 设置2 t悬臂吊车,悬臂长6 m,吊车在180°范围内旋转。

3.1　设计方案1

在钢柱上附加槽钢用以抵抗悬臂吊车产生弱轴弯矩,如图7 所示。实际悬臂吊车运行时，当悬臂吊车在刚架平面内，刚架受力及侧移等满足吊车运行要求，但当悬臂吊车运行在平面外时，钢柱发生了侧扭，悬臂吊车端部挠度过大，无法满足安全运行的需求，而且钢柱变形过大，有安全隐患。

1—设置有悬臂吊车的柱子。
图7　钢柱附加槽钢

3.2　设计方案1分析

3.2.1　刚架平面内验算

当吊车运行在框架平面内时, 悬臂吊车荷载由刚架承担,力学分析同3.1节，经过计算,吊车荷载作用下刚架侧移为1/1 677,刚架各杆件应力满足要求。

3.2.2　刚架平面外验算

当吊车运行到框架平面外时, 本案例采用通过翼缘设置的槽钢抵抗悬臂吊车平面外弯矩。但是由于悬臂吊车荷载直接作用在钢柱翼缘上, 将钢柱结构模型简化为上翼缘板、下翼缘板、腹板3个构件。上下翼缘板之间通过腹板连接,腹板简化为连接翼缘板的桁架，其平面内刚度很大、平面外刚度很小。

平面外钢柱柱脚为铰接,钢柱上端也为铰接，上方设置刚性系杆,支撑到屋面支撑体系。因此，钢柱的计算模型如图8所示。

图8　刚柱平面外计算模型

从上述分析可知,当吊车运行到钢柱平面外时,传给钢柱的力：对于钢柱翼缘，弱轴弯矩My=PL1，轴力N=P；对于钢柱形心，弱轴弯矩My=PL1；扭矩Mz=PL1/L2·(h/2) ，轴力N=P。

对于钢柱翼缘，由于屋面系杆并未直接连接在钢柱翼缘上，故钢柱翼缘需要通过钢柱腹板将荷载传至屋面支撑体系。钢柱腹板平面外刚度很小，腹板在平面外水平力作用下会发生很大变形，直接导致钢柱的弯扭变形，因此腹板对上翼缘支座不能作为刚性支座。

因此，钢柱翼缘的水平力引起腹板的变形，假定腹板作为翼缘的弹性支座，悬臂吊车运行到钢柱弱向时，在吊车荷载作用下，经过模拟计算，当腹板弱向发生位移时，悬臂梁梁端位移见表1。

表1　腹板及悬臂梁端位移　mm

腹板弱向位移悬臂梁端位移腹板弱向位移悬臂梁端位移21545379.516.5564524.523

从表1可看出，随着柱顶处腹板位移的增加，悬臂梁端位移也迅速增加。柱顶处腹板变形由3部分组成：1)屋面支撑体系的变形；2)腹板由于受到平面外悬臂吊车传来的水平力产生的变形；3)钢柱翼缘本身在My作用下产生的变形。这3部分变形尤其以第3部分对腹板变形影响最大。

从上述分析可以看出，设计时并未采取有效的措施保证钢柱不发生扭转，且由于开口截面抗扭能力很差，虽然钢柱翼缘上补强设置了槽钢，但仍然无法满足约束扭转的需要。因此，钢柱变形很大，无法满足受力需要。

3.3　设计方案2

在钢柱翼缘上对应悬臂吊位置设置垂直支撑，将两翼缘支撑通过水平桁架连接，形成横向水平支撑，并与柱间支撑形成整体。

3.3.1　刚架平面内验算

同设计方案1，平面内悬臂吊车荷载通过刚架平面内强度验算，计算结果满足要求。

3.3.2　刚架平面外验算

在连接悬臂吊车的上下端之间设置垂直支撑(图9a)，使得翼缘之间形成横向水平支撑(图9b)，并与厂房柱间支撑联成整体或设置独立的柱间支撑，见图9。

a—垂直支撑；b—水平支撑(1-1剖面)。
图9　钢柱垂直支撑

力学分析同3.2.2节，在水平力作用下，水平力通过垂直支撑和横向水平支撑传到厂房的柱间支撑体系，直接通过柱间支撑传至基础，两翼缘之间桁架水平支撑，避免了钢柱受扭。此时钢柱不再承担弱轴弯矩和扭矩，可以不必另外加强，在水平力作用下，支撑的刚度决定了在吊车荷载作用下的挠度。由于十字交叉柱间支撑刚度很大，在悬臂吊车荷载作用下，几乎未发生水平位移，经计算，在悬臂吊车荷载作用下，受力和挠度满足要求，具体见表2。

表2　悬臂梁端位移

悬臂梁跨度/mm悬臂梁端变形/mm挠跨比600051/1200

4　方案分析比较

设计方案1：由于没有足够的支撑，钢柱在吊车荷载作用下发生约束扭转，结构不安全。如果单独靠钢柱抵抗吊车荷载产生的扭转，需要将钢柱设计成封闭型截面，以抵抗扭矩，钢柱需要全长加固，柱脚需要设计成刚接，用钢量很大。

设计方案2：在钢柱设置垂直支撑，并与框架支撑体系形成整体，吊车水平荷载完全由支撑体系承担，理论上钢柱翼缘不需另外补强。对钢柱翼缘设置槽钢加强做为补充安全措施，且槽钢仅加强至柱间支撑处即可。该方案用钢量小、刚度好。

5　结束语

当横向荷载为通过截面的剪切中心时，钢柱将发生约束扭转。扭矩对于工字形截面有不利影响，当扭矩和弯矩同时存在并且弯矩比较大时，两者还有相关作用。这时不能把弯曲正应力和扭转正应力简单叠加，而应考虑弯曲正应力对扭转正应力的放大作用。而且轴力N和柱的侧向弯曲挠度δ组成附加弯矩Nδ，当弯矩接近工字形截面弯扭屈曲的临界弯矩时，即使扭矩不大，扭角也会很大。

基于以上原因，应在设计中尽量避免工字形截面受扭。避免工字形截面受扭的措施之一是设置构件抵抗扭矩，但需要设置成闭口截面，截面需要很大，材料用量很多；另一个更有效的措施之一是设置适当的支撑构件，避免钢柱产生扭矩。凡是能有效地防止工字形截面整体失稳的支撑都能起到阻止工字形截面扭转的作用，且最好能形成闭合的支撑体系。第2种措施由于用量经济，在工程中普遍应用。

经过以上分析可知，带悬臂吊车的厂房设计时，设计时应避免钢柱受扭，通过设置足够的柱间支撑形成整体，由支撑体系承担扭矩，扭矩会转化成支撑体系的轴力，从而避免构件受扭。

参考文献

[1]　陈绍蕃.钢结构稳定设计指南[M].北京：中国建筑工业出版社,2004.

[2]　陈绍蕃.钢结构设计原理[M].北京：科学出版社，2005.

[3]　GB 50017—2003　钢结构设计规范[S].

[4]　包头钢铁设计研究院，中国钢结构协会房屋建筑钢结构协会.钢结构设计与计算[M].北京：机械工业出版社，2000.

[5]　包世华,周坚.薄壁杆件结构力学[M].北京：中国建筑工业出版社,2005.

[6]　建筑结构静力计算手册[M].北京：中国建筑工业出版社,1998.