宣伟慧

摘要 某万吨水压机车间需新增600吨吊车，文中先对原320吨铆接式吊车梁进行有限元分析，找出薄弱环节，制定加固方案。再对加固后吊车梁进行静力、特征值屈曲、弹塑性推覆分析，结果显示，加固后吊车梁能满足新增吊车的使用要求。同时对铆接式吊车梁加固的焊接工艺提出了详细要求。

关键词 铆接式吊车梁；加固；特征值屈曲；推覆分析

1 引言

某万吨水压机车间，原有吊车为320吨锻造吊，采用铆接式钢吊车梁，吊车轨高20m。因锻压最大450吨工件的生产需求，拟在主跨20m轨高再新增一台起吊重量达600吨，集锻造与运输于一体的三梁双小车电动桥式吊车，吊车吨位在原吊车基础上近乎翻倍。因此需对原有的铆接式吊车梁进行加固改造。

原有吊车梁跨度12m，钢吊车梁的上、下翼缘及腹板均由钢板、角钢等通过铆钉拼接而成，吊车梁系统由全铆接钢吊车梁、制动桁架、辅助桁架和下翼缘水平支撑组成。经全面检测表明，钢吊车梁所有铆钉连接牢固，未发现缺失、松动情况；吊车梁本体及辅助桁架无明显变形，整个吊车梁系统状态良好，存在进一步加固的可能。

新增600吨吊车为三梁双小车电动桥式吊车，吊车自重达720吨，A6重级工作制，吊车每侧车轮达20个，总宽22.8m，属于国内较罕见的吊车类型，具体吊车参数如图1所示：

图1 600吨吊车轮压及轮距参数图

2 原吊车梁计算分析及加固方案

2.1 计算模型

分析时，对吊车梁所有的钢板采用Shell143单元，对吊车梁的制动系统采用Beam188单元[1]。吊车梁有限元模型见图2。分析时，荷载组合考虑如下：

a. 吊车荷载的动力系数取1.05，恒载分项系数取1.2，吊车荷载分项系数取1.4；

b. 考虑吊车梁自重、摩电架、轨道、制动结构和支撑自重等；

c. 偏安全地考虑了吊车竖向偏心作用，分别为：安装偏心：15 mm；作用力偏心：5mm；原始弯曲：4 mm；卡轨力折算偏心：21mm；

d. 根据《建筑结构荷载规范》[2] 5.1.2条考虑了吊车的水平荷载作用。

图2 原吊车梁结构有限元模型

2.2 静力计算结果

根据《钢结构设计手册》对原有吊车梁按照新增吊车荷载的最大弯矩最不利位置和支座剪力最不利位置进行计算分析，分析结果见图3～6。吊车梁最大挠度为7.4mm（1/1622），吊车梁上翼缘最大综合应力216MPa，下翼缘最大综合应力168MPa，腹板最大综合应力268MPa。该吊车梁上翼缘强度不满足受力要求，支座附近全截面抗剪强度不满足受力要求。

图3 原吊车梁整体变形图

图4 原吊车梁上翼缘应力云图

图5 原吊车梁下翼缘应力云图

图6 原吊车梁腹板应力云图

2.3 加固方案确定

根据计算结果及铆接式吊车梁的特征，综合焊接协会专家意见，设计决定局部加宽吊车梁上下翼缘，在跨中必要区域腹板两侧增设纵向加劲肋，在两端支座腹板单侧加焊钢板以增厚腹板补强。具体详见图7。

图7 铆接式吊车梁加固图

3 加固后吊车梁分析

3.1 计算模型

根据加固方案，局部加宽吊车梁上下翼缘，在跨中必要区域腹板两侧增设纵向加劲肋，在两端支座腹板单侧加焊钢板以增厚腹板补强。加固后计算模型采用的单元类型及材料属性等均同加固前一致，具体见图8。

图8 原吊车梁结构有限元模型

3.2 静力计算结果

对加固后吊车梁按照最大弯矩最不利位置和支座剪力最不利位置进行计算分析，分析结果见图9～12。吊车梁最大挠度为5.48mm（1/2190），吊车梁上翼缘最大综合应力192MPa，下翼缘最大综合应力96MPa，腹板最大综合应力168MPa。均满足规范要求。

图9 加固后吊车梁整体变形图

图10 加固后吊车梁上翼缘应力云图

图11 加固后吊车梁下翼缘应力云图

图12 加固后吊车梁腹板应力云图

3.3 特征值屈曲分析[3，4]

应用Block Lanczos方法对该加固后的吊车梁结构进行特征值屈曲分析，分析结果见图13，结果显示：结构的临界屈曲因子为4.5，即在约4.5倍的荷载下吊车梁腹板发生屈曲破坏。

图13 屈曲因子

3.4 弹塑性推覆分析[5，6]

对加固后的吊车梁进行弹塑性推覆分析，钢材的单轴应力—应变关系采用理想弹塑性模型，初始弹性模量、屈服强度均按规范取值，屈服后的弹性模量取0。对加固后吊车梁按照最大弯矩最不利位置和支座剪力最不利位置进行竖向推覆分析，荷载—最大竖向位移曲线见图14，可见在1.2倍轮压以下，吊车梁基本处于弹性状态，1.2～1.4倍轮压时吊车梁进入弹塑性状态，超过1.4倍轮压吊车梁破坏。

图14荷载—位移曲线

3.5 加固施工要求

由于上、下翼缘板是由两块钢板铆接而成，对此种铆接吊车梁进行焊接加固时，焊接产生的热量和变形极易使原铆钉松动失效，进而削弱原吊车梁的强度，引起吊车梁破坏，因此必须高度重视阻断焊接热量的传导路径，减少单位时间内焊接产生的总热量。针对于此，采取以下多种措施進行保证：（1）加强板焊接采用双面K形坡口焊方案，避免了焊接工作量较大的单面坡口，有利于减小变形；（2）由于上、下翼板是由两块钢板铆接而成，二块板之间存在缝隙，焊接时容易在缝隙处产生夹渣、裂纹气孔等缺陷，因此拟在缝隙处先磨出一小槽，再用焊缝补掉；（3）在靠近焊缝的铆接区适当用水冷却，尽量避免铆接区受热；（4）在施焊次序、焊接规范，焊后捶击等方面加强控制，同时在焊接的过程中对变形进行实时监测，根据监测结果及时动态调整焊接工艺，焊后再对焊缝进行目视和超声波检查。

4 结论

通过对原320吨铆接式吊车梁进行有限元分析，找出薄弱环节，制定加固方案。再对加固后吊车梁进行静力、特征值屈曲、弹塑性推覆分析，结果显示，加固后吊车梁能满足新增吊车的使用要求并具备一定安全储备。同时对铆接式吊车梁加固的焊接工艺提出了详细要求。目前加固后吊车梁已投入使用，本文的加固方法经济有效的满足新增600吨吊车的使用要求，且实际效果良好。

参考文献

[1] 尚晓江，邱峰，赵海峰，李文颖. ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M]. 北京：中国水利水电出版社，2006。

[2] 中华人民共和国建设部. GB 50009-2012 建筑结构荷载规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012.

[3] 江晓峰.有限单元法之梁柱单元的屈曲分析精度[J].结构工程师，2010，26（05）：20-25

[4] 聂义田，李亚敏，王丽.单层球面网壳结构稳定性的双重非线性分析 [J].结构工程师，2013，29（04）：57-62

[5] 杨志勇，何若全.高层钢结构弹塑性抗震分析静动力综合法 [J].建筑结构学报，2003，24（03）：25-