甘东华
(宝钢工程技术集团有限公司， 上海 201900)
摘 要：工业厂房结构体系中，吊车梁构件通常按简支梁设计，在支座处可以自由转动。已有研究提供了吊车梁支座加劲板连接螺栓的构造要求及受力计算方法，然而据此设计的若干项目，使用中出现支座加劲板连接螺栓时有断裂掉落的情况。通过推导给出简支梁支座转角及连接螺栓拉伸应变，得出螺栓实际受力远远超出螺栓承载力，实际工程设计中需引起重视。最后提出改进的连接构造及施工要求，以期改善此类连接的受力性能。
关键词：吊车梁； 支座端板； 连接螺栓； 受力分析； 改进措施
在工业厂房结构体系中，吊车梁构件除承担行车轮压引起的竖向荷载及横向作用外，往往兼做厂房纵向抗侧体系构件，传递纵向轴力，为此相邻吊车梁端部之间往往采用构造连接(图1)，以保证传递纵向力的连续性。为减少对梁端转动及变形的约束效应，此连接应设在梁下部0.4h(h为梁端高度)高度范围内，连接一般采用普通螺栓并有防松构造。当吊车起重量较大，梁端高度大于1.5 m时，宜在梁端高的中部增设与柱连接的垂直隔板，此隔板可与上述连接构造结合考虑(图1c)。
参照文献[1]，吊车梁支座端板连接计算时主要考虑吊车纵向水平荷载(大车刹车力)、山墙风荷载及纵向地震作用等，对图1a型连接，螺栓按受剪及承压计算，图1b型连接螺栓按受拉计算。然而，实际项目中按照图1b设计的连接，在行车频繁使用时，普遍存在螺栓破坏、掉落的情形(图2、图3)，
a—连接方式1；b—连接方式2；c—A—A剖面。 1—单侧连接板；2—防松永久螺栓；3—调整填板及垂直隔板。
图1 梁端连接构造
图2 梁端连接破坏
图3 螺栓破坏
根据文献[2]，也有类似破坏发生。文献[1]提出的计算方法，是否存在遗漏和不足，本文从吊车梁的变形分析入手，找出该连接其他受力的工况。
以单跨吊车梁为例，分析简支梁在行车轮压作用下的竖向变形及支座转角，为简化问题，先考虑图4a、图4b这两种简单情形。
图4a模型简支梁挠度方程为[3]：
(1)
跨中最大挠度为：
(2)
支座处转角为:
(3)
a—跨中集中力模型；b—均布荷载受力模型； c—行车轮压分布1；d—行车轮压分布2。
图4 计算简图
当取跨中挠度为fC/l=1/1 200(重级吊车梁跨中挠度限值)时，可以得到：
θA=3fC/l=1/400=0.002 5
图4b模型梁挠度方程为：
(4)
跨中最大挠度为：
(5)
支座处转角为：
(6)
可以得到：
θA=16fC/(5l)=1/375=0.002 7
实际上行车轮压分布如图4c或图4d所示，运用影响线确定轮压最不利布置后，通过类似分析，可以得到梁支座的转角值为1/400～1/300。
已知梁支座转角，可推导连接螺栓的拉伸变形量。假定图1中梁端处满足平截面变形要求，则单侧梁端的转角即等于吊车梁支座处转角(图5)，由此可以计算出连接中心处螺栓拉伸变形为Δ=θAh0，相应螺栓轴向应变为ε=Δ/l0(l0为螺栓螺杆受拉区段长度，约为两侧吊车梁端板及填板，螺栓垫圈厚度之和，以下取100 mm计算)。表1给出不同梁高H及h0时，对应的螺栓拉伸变形及应变值。
图5 梁端支座转角
从表1可以看出，当梁端部高度为1 500 mm，连接中心高度取500 mm时，大致满足文献[1]不超过0.4h的要求，此时连接中的永久螺栓应变已达到1.25%，远远超出了钢材的屈服点应变0.2%，螺栓产生塑性变形。当相邻两跨内同时有行车存在时，由于两跨梁均受弯，支座均产生转角变形，上述螺栓伸长量为相应两跨梁端变形之和。
表1 螺栓拉伸变形及应变
吊车梁端高H/mm连接中心高h0/mmθA螺杆伸长量Δ/mm螺栓应变ε/%10003501/4000.8750.8815005001/4001.251.2520006501/4001.6251.6324008001/40022.00300010001/4002.52.50
以上分析假定支座端板满足平截面假定，即未考虑端板变形，实际上梁端转动时，支座端板由于螺栓作用，会产生板面外的变形，此时支座转角产生的拉伸变形由螺杆及端板共同组成，受力机理类似于串联的弹簧，两者变形之比与刚度比成反比关系。由材料力学可知，螺杆的受拉刚度为k1=EA/l0(A为螺杆截面积，对全丝螺杆可取净截面和毛截面的平均值)。端板的抗弯刚度与边界条件有关，为简化分析，近似按悬臂梁考虑并忽略端板变形后的螺栓“撬力”效应，则端板抗弯刚度为k2=3EI/b3(b为螺栓中心至吊车梁腹板中心的距离，I为单颗螺栓对应的端板区域截面惯性矩)。假定螺栓规格为M20，端板厚度30 mm，b0=75 mm，d0=100 mm，则可计算出k1/k2=1.75，螺杆及端板的变形分别为k2Δ/(k1+k2)≈0.36Δ及k1Δ/(k1+k2)≈0.64Δ，表1数据修正后如表2所示，可以看出考虑端板变形后，螺栓变形及应变均显著减小，但仍然超出0.2%。
表2 螺栓拉伸变形及应变修正值
吊车梁端高H/mm连接中心高h0/mm总变形量Δ/mm螺杆变形量0.36Δ/mm端板变形量0.64Δ/mm螺杆应变ε/%10003500.8750.320.560.3215005001.250.450.800.4520006501.6250.591.040.5924008002.00.721.280.72300010002.50.901.600.90
从上述分析得知，仅承担跨内行车最大轮压作用下，螺栓已经发生较大变形并进入屈服阶段，降低了螺栓的后续承载能力及连接的安全性，为此需改进连接构造，改善螺栓的受力。
螺栓在弹性阶段受力变形关系满足P=k1Δ(对应图6中曲线1)，受力超过承载力P0(对应拉伸变形Δ0)后即进入弹塑性阶段，提高连接螺栓的强度等级可以提高P0，但是Δ0变化不大，因而不能解决上述问题。本文提出两阶段变刚度连接构造，即增加弹簧垫圈并预留出间隙Δ1。第1阶段随着P/Δ增大，弹簧垫圈被压缩直至完全压平，受力变形关系为
图6 连接螺栓受力-变形关系
为实现上述设计目的，施工时具体步骤如下：
1)将连接螺栓全部预紧，紧固力矩可参照文献[4]表9.4.9执行。由于螺栓紧固依次完成，建议开始阶段紧固力矩略小于表2中数值，待全部螺栓就位后复拧一遍。
2)根据计算出的变形量Δ，进行反拧放松，即在之前基础上反拧一定角度(螺栓的螺距见表3)，此时将止退螺母拧上防松。
表3 不同规格螺栓的螺距 mm
M16M20M2422.53
1)针对吊车梁受弯引起梁端转动，通过简化力学分析计算出梁端转角值，进一步导出螺栓的受拉变形及应变。由此可以看出在此情形下提高螺栓等级并不能提高连接的安全度，此工况在设计工作中应充分重视。同时本文推导的转角数值也可用于吊车梁上翼缘与柱连接“铰板”的校核。
2)端板的变形能减小螺栓的受力，从这方面考虑端板抗弯刚度宜小。但另一方面端板变形后会形成“撬杠”效应，从而增加螺栓的受力。准确确定端板刚度有一定难度，通过增加弹簧垫圈吸收变形，则能较好解决这一问题。
3)分析时仅考虑梁竖向平面内变形及转动，实际上吊车梁还存在横向变形及翘曲变形等，这些变形对连接存在影响。
4)未考虑疲劳及应力集中，在重级及特重级工
作制行车作用下，螺栓连接还存在疲劳破坏问题；螺杆截面不均匀，在最小截面处容易产生应力集中，因此需要进一步分析。
5)提出的变刚度构造，垫圈需承受反复压缩，是否存在疲劳破坏问题需进一步研究。
参考文献：
[1] 赵熙元.建筑钢结构设计手册[M].北京：冶金工业出版社，1995.
[2] 于晓光.吊车梁螺栓断裂故障分析[J].冶金设备， 2001，126(2): 39-41.
[3] 国振喜，张数义.实用建筑结构静力计算手册[M].北京：机械工业出版社，2009.
[4] CECS 80∶2006 塔桅钢结构工程施工质量验收规范 [S].
[5] GB 50017—2003 钢结构设计规范[S].
[6] 陈绍蕃.钢结构设计原理[M].3版.北京：科学出版社，2002.
[7] GB/T 93—1987 标准型弹簧垫圈[S].
[8] GB/T 94.1—2008 弹性垫圈技术条件 弹簧垫圈[S].
Gan Donghua
(Baosteel Engineering & Technology Group Co.Ltd， Shanghai 201900， China)
ABSTRACT：Based on the design of simply supported beam, the crane runway girder has been generally supposed to rotate at the supports freely in regard to industrial plant system. Recent research provided the detailing requirements and force calculation about crane runway girder supports end-plate connecting bolts. However, a number of projects designed accordingly occurred the bolts fracture failure between the supports and stiffener plate. By deducing, the rotation angle of simply supported beam supports and the tensile strain of bolts were given, which came far beyond the bearing capacity of bolts, and more attention should be paid to similar cases. Finally, this paper proposed an improved connection and construction requirements, so as to improve the mechanical properties of the connection.
KEY WORDS：crane runway girder; bearing stiffeners; connecting bolts; mechanical analysis; improvement measures
收稿日期：2016-05-30
DOI：10.13206/j.gjg201610015
作 者：甘东华，男，1981年出生，工程师。
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