轻型钢结构吊车梁优化设计

　　现代钢结构轻型钢结构吊车梁优化设计石永久（清华大学土木工程系北京100084）和节点连接构造，对合理设计吊车梁，降低用钢量提出了设计建议。

　　目前，轻型钢结构工业厂房主要是采用门式刚架为主承重结构、冷弯薄壁型钢和压型钢板为围护结构。通过采用合理的结构形式和连接方法，根据~50kg/m2范围内。对于有吊车的工业厂房，吊车梁结构是非常重要的结构构件，其用钢量可达15kg/m2以上（取决于吊车起重量的大小和台数）。因此，吊车梁的设计不仅直接影响整体结构的安全性和可靠性，对控制轻钢结构的用钢量也有很大的影响，吊车梁结构的用钢量可占全部钢结构工程量的1/4~ 1/3，合理优化设计吊车梁结构对降低总钢材用量是非常有效的。“规程”对如何设计轻型钢吊车梁并没做出明确规定，实际工程中基本采用钢结构设计规范（GB1788）的方法进行弹性设计。但由于轻型厂房中的吊车吨位都比较小，可以按轻型吊车梁设计，本文根据多年来设计轻型钢吊车梁结构的经验，总结了吊车梁结构的优化设计方法，并开发了轻型钢结构吊车梁优化设计软件，对合理设计轻型钢吊车梁及其节点连接提出了建议。

　　1设计要求轻型钢结构厂房中采用的吊车一般起重量都在20t以下，中级或轻级工作制，以单梁桥式吊车和电动葫芦为主。吊车梁均采用焊接工形截面简支梁，钢材为Q235或Q345，跨度在6m到9m之间。考虑到轻型钢结构厂房中吊车产生的横向荷载都比较小，一般采用加强受压翼缘的方式提高吊车梁的整体稳定性，不再单独设置制动结构。吊车梁的上翼缘与腹板间应采用熔透对接焊缝连接，下翼缘与腹板间可采用角焊缝连接。吊车梁设计应按下列几方面计算：正截面抗弯强度应验算*大弯矩截面处上下翼缘的正应力：下翼缘。

　　上翼缘对y轴的净截面抵抗矩；Mx，My为竖向荷载和横向水平荷载产生的*大弯矩。

　　（2）梁端抗剪强度可按式（2）近似计算：梁端*大剪力：（3）整体稳定性Mx面抵抗矩；9b梁的整体稳定系数，按“规范”

　　如果吊车梁上翼缘宽度bi满足L/bi〈车梁的上翼缘宽度bi都不会超过450mm，一般要进行稳定验算。

　　吊车梁的竖向挠度可按下列公式近似计算：梁端*大剪力截面弯矩；-吊车梁跨度：“规范”（GB17）规定的挠度限值，对于轻钢吊车梁可取考虑到轻钢厂房中吊车起重量小，工作制低，一般无需验算吊车梁的疲劳强度。腹板横向加劲肋可按构造要求布置，间距a=（12）h.加劲肋的宽度可取7090mm，厚度为6mm.影响吊车梁设计的主要吊车参数包括起重量（Q），*大轮压（P），轮距（K），车宽（B）和小车重（g）。计算吊车垂直和横向荷载时应考虑动力放大系数1.05荷载分项系数取1. 4，另外，在计算垂直荷载时一般可乘以增大系数1. 03，考虑吊车梁和轨道自重的影响。每个车轮传给吊车梁的横向水平荷载可取Tk=0.当单台吊车作用时（a），截面上*大弯矩可按下式计算：2截面选择根据吊车梁与刚架柱的连接构造要求和固定吊车轨道的需要，吊车梁上翼缘的*小宽度应取b1>240mm，下翼缘*小宽度应取b2>200mm，为了便于加工，减小焊接变形，翼缘厚度应tf>8mm，腹板厚度应tw6腹板的经济高度h0可根据*大弯矩Mx确定，即腹板的经济厚度tw取tw/3.上翼缘尺寸应根据局部稳定性要求确定，即本文结合各种有吊车轻钢厂房的设计，对常用吊车梁的设计结果进行了优化分析，厂房跨度在18 24m之间，柱距68m，吊车起重量在220t范围内，其截面经济尺寸如表1所示。本文的分析结果可作为其它吊车梁的初选截面。

　　吊车起重量/th根据前述优化设计方法，本文利用面向对象技术和VCH~~+开发了基于Windows环境的轻型钢结构吊车梁的设计软件（CGCAD），该系统主要由信息输入、设计和验算、生成计算书三部分组成，程序框图如所示。软件的主要功能说明如下：信息输入输入吊车梁和吊车的主要结构参数，每个吊车梁上可考虑2台吊车作用，程序将根据输入的参数自动选择截面尺寸，用户可进行相应的修改。

　　设计和验算用户可指定吊车梁的计算内容，包括强度、挠度、整体稳定和局部稳定计算，也可对用户输入的截面尺寸进行优化设计。

　　计算结果既可以给出简要设计结果，也可以给出详细的计算书，包括输入参数、中间计算过程和*终计算结果，供用户查询和存档。

　　内力计算类（CGirderForce）、构件设计类（CGird-erDesign）和结果输出类（CDesignSheet）。本文建立的类库不仅可直接用于设计轻钢吊车梁，也可以直接与现有钢结构设计软件集成，成为钢结构计算机辅助设计系统的一个重要模块。

　　输入吊车梁结构参数优化选择截面尺寸>结构计算>结果输出输入吊车参数一！

　　程序框节点构造吊车梁与支承框架结构的连接主要有吊车梁上下翼缘和腹板连接节点。对于简支吊车梁，下翼缘与牛腿连接主要有两种形式：突缘支座和垫板支座，中间部位的吊车梁主要采用突缘支承在刚架柱的牛腿上（a）并用C级M20螺栓固定，突缘支座加劲肋的下端应刨平。对于端部吊车梁考虑到安装车档和可能外伸的实际情况，一般采用垫板支座，支座加劲肋的厚度用与突缘加劲肋相同，下端应刨平顶紧（b）在设有下段柱间支撑处，吊车梁端部应安装弹簧板，把纵向荷载有效地传到支撑上（c）吊车梁上翼缘和腹板与框架柱的连接也是采用C级M20螺栓固定。典型节点构造形式如所示，连接螺栓和焊缝应根据吊车的纵向和横向荷载大小计算。

　　5结语本文在完成了多个轻钢吊车梁的分析和设计工作的基础上，总结了吊车梁的优化设计方法和节点连接形式，并开发了相应的设计软件，工程实践表明，采用本文方法设计的吊车梁，具有工作性能可靠、用钢量低、制作和安装方便的优势，非常适合于设计中小型轻钢厂房中的吊车梁。