直角突变支座的变截面钢吊车梁设计及有限元分析

敖士楷

1.技术特点

钢吊车梁支座处变截面可分为三类：直角突变型截面、圆弧过渡型截面和梯形过渡型截面，如图1 所示。其中，梯形过渡型钢吊车梁由于截面变化较平缓，实际使用较少。

图1 钢吊车梁支座处变截面示意图

由于疲劳问题的复杂性，重级、特重级工作制起重机的变截面吊车梁在变截面附近会产生疲劳裂缝。已有研究和实践表明，圆弧过渡型变截面吊车梁支座处呈现双向主拉应力，容易在翼缘和腹板的连接焊缝处产生圆弧切向裂缝、在腹板区域产生圆弧径向裂缝；而直角突变型支座处的应力集中比圆弧过渡型小很多，抗疲劳性能更好。

2.结构设计

某试验器厂房2 轴～7 轴三跨的柱距分别为7m、6m、7m，柱上布置有一台起重量为10t 的桥式偏轨起重机，跨度为10.0m，如图2 所示。原设计中考虑到施工和安装方便，钢吊车梁选用了《钢吊车梁》（08SG520-3）中GDL7.5-4（H600mm×350mm×250mm×6mm×16mm），通过修改构件长度满足不等跨柱距的要求。实际施工过程中，由于起重机起吊高度的调整，已施工的牛腿高度满足不了起重机运行时上部的安全距离要求，因此对钢吊车梁进行优化设计，在吊车梁端头支座处采用变截面设计，降低牛腿处的截面高度。

图2 钢吊车梁平面布置图

根据厂家提供的吊车资料，起重机10t、跨度10.0m 的A5 级桥式偏轨起重机，主要参数为：起重机单侧轮数为2 只，轮距2.0m，最大轮压71.0kN，最小轮压4.9kN，轨道型号为43kg/m。采用PKPM 二维设计模块中的工字型吊车梁模块进行变截面吊车梁的结构设计，在钢结构加工时，6m 跨吊车梁可以根据7m 跨吊车梁截面减少1m 进行生产，所以仅对7m跨吊车梁进行结构设计及分析[1]。

图3 钢吊车梁截面示意图

钢吊车梁截面在H600mm×350mm×250mm×6mm×16mm的基础上进行优化设计，最终的设计截面为：跨中H600mm×320mm×220mm×6mm×16mm，支座处H250mm×320mm×220mm×12mm×16mm，每间隔1m 设置一道横向加劲肋，钢材型号采用Q235B，如图4 所示。

图4 GDL7.0 钢吊车梁结构图

计算结果中，吊车梁跨度与竖向挠度之比L/F=1103.960，由此可得，吊车梁最大挠度为6.34mm。

3.有限元计算分析

图5 钢吊车梁整体模型图

为了更直观地反映直角突变支座的变截面钢吊车梁受力特性，运用ABAQUS 有限元分析软件对设计的7.0m 跨变截面吊车梁进行应力分析。模型单元采用shell 壳单元，钢材型号为Q235B，弹性模量为2.06e11Pa，屈服强度235e8Pa，泊松比取0.3[2]。

根据力学分析，起重机小车运行到如图6 所示位置处，吊车梁跨中弯矩最大。

图6 模型简图

图7 荷载及支座布置图

图8 计算网格划分图

由图9 中应力图可知，直角突变支座的变截面钢吊车梁在跨中及支座变截面处的应力较大，最大值为69.2MPa。在支座截面突变的端板与插入板的连接焊缝位置处，应力集中比较严重，是出现疲劳裂缝的潜在位置。由图10 可知，直角突变支座的变截面钢吊车梁的最大挠度为5.89mm，与PKPM的设计结果十分接近，同时与普通吊车梁的受力变形也基本一致[3]。

图9 应力云图（单位MPa）

图10 变形云图（单位mm）

4.构造措施

钢构件的疲劳性能与其节点的构造措施密切相关。合理的变截面吊车梁支座节点构造，可以有效避免或降低腹板的双向受拉状态。根据文献表明，对于直角突变支座变截面吊车梁，直角突变点转角处由焊接产生的应力，可以通过加焊角钢解决，可增大插入板与端封板处的刚度，使应力集中得到有效改善。梁端部下翼缘开槽插入腹板后焊接，下翼缘插入端点通过开止裂孔（孔壁需打磨光滑）也有效缓解了此端点的应力集中。通过有效的构造措施，能使直角突变支座变截面吊车梁受力合理，应力变化平缓，无明显的应力集中区域[4～6]。

图11 吊车梁现场安装图

5.结语

吊车梁作为工业厂房中重要的受力构件，采用变截面吊车梁不仅能满足柱距不等跨的工艺条件，还能节省建造的经济成本[7]。本文分别通过PKPM 结构设计软件和ABAQUS 有限元分析软件，对直角突变支座的变截面钢吊车梁进行了整体设计和有限元分析，直角突变支座的变截面钢吊车梁不仅制作简单，并且在截面变化处应力变化较平缓，通过节点构造措施能有效降低吊车梁变截面处因疲劳而产生的开裂现象。