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2013/7/11

MD28m－100t龙门吊设计与验算

施工技术

 

备注：作者－林树奎，在《交通工程建设》上已发表。

钱江五桥是杭州市绕城高速公路南段上的一座特大型桥梁，桥梁全宽26m，分成上、下两幅，上部结构为先简支后连续预制T梁结构，其中50mT梁240榀、25mT梁324榀。50mT梁单榀*大重量为165t，25mT梁单榀*大重量为43t，根据施工现场地形及预制场位置情况，需制作净跨度为28m、*大吊重为100t（已包含了龙门吊天车、吊具的重量）的两台龙门吊，来满足钱江五桥T梁预制、安装施工需要。两台MD28-100t龙门吊自2001年9月份投入使用以来，其使用情况一切良好，很好的完成施工中的各项作业。随着现代化都市建设、发展，有大量的公路桥梁在规划、在建设，其跨度大、起吊能力大的龙门吊日益所需，但在施工单位自行设计、验算和制作中有一定的难度，本文就MD28m－100t大型龙门吊的设计、验算和制作谈谈自己的一些体会，供同仁参考。

预制场布置示意图见图（一）：

 

一、设计参数

 

1、总跨度

32m，净跨度28m；

2、*大吊重能力为100t；

3、龙门吊行走速度为10m/min，驱动系统扭矩5t.m；

4、龙门吊天车行走速度为3.6m/min，起升速度为0.9m/min，驱动系统扭矩为2.0t.m；

5、总高度为19m，净空高度为15m；

6、定、动滑轮组由五门滑车组成，理论起重能力为50t/单组。

二、MD28m－100t龙门吊设计方案比选

    一般的装配式龙门吊均采用W能杆件和一般非标准构件拼装而成，为门式刚架钢结构。

1、方案一：采用N型W能杆件组拼，结构形式见图（二）、图（三）。

2、方案二：龙门吊主体结构由立柱及横梁组成，立柱用Φ900、δ＝14mm钢管桩焊接成“A”型组拼而成，横梁为四组合N型W能杆件组拼而成，结构形式见图（四）、图（五）。


 

3、方案比较、拟定

一般的设计与制作均按照常规模式全部采用W能杆件组拼，这种龙门吊需要大量的W能杆件、连接螺栓，杆件不但数量大，而且种类多，大量的W能杆件在大型的工程中占用时间长，租金费用高，增加了施工成本。一般施工单位在施工大型桥梁桩基时有大量的废护筒、钢管桩，如果能利用，将节约大量成本，不但费用低，而且制作时间短，方案二采用钢管桩作为立柱材料只需要焊接，然后与横梁组拼即可。

方  案  比  较

项目

方案一

方案二

工程进度

W能杆件组拼进度较慢

框架结构，加工较快，可节约大量时间

材料准备难易程度

W能杆件紧缺，到浙江一带工地调拨需大量的人力和财力，且不易准备齐全各种杆件。

现场有大量的Ф900钢管桩，而且在本工地已经没有用途了，如果不利用，下一个工地也只能当废品处理。

经济性

比较

W能杆件组拼需大量的连接螺栓，且必须新买，而立柱的120tW能杆件在钱江五桥施工完成后（24个月）租金需要18多万元，连接螺栓新买需10万元左右，人工费、调运费等总需成本费用40万元左右。

整个两台龙门吊如果外加工需要费用4万元左右，如果自行加工需要费用约2万元左右，钢管桩成本3万元左右，相对方案一可以节约成本35万元。

外观形象

外观不美观，结构视觉感到不协调、不安全

外观美观，结构形式新颖，有助树立企业形象。

无论大型、中型还是小型龙门吊，合理的利用现有的材料，在满足结构受力要求和施工需要的前期下，如何设计能使成本降为*低、效益*高是施工企业的难点，通过上述两个方案比较，*后选择方案二。

三、MD28m－100t龙门吊结构受力验算

（一）横梁W能杆件拟订结构组合图：见图（六）。

 

 


 

（二）、龙门吊在*大荷载情况下受力简图：见图（七）。


（三）、龙门吊验算参数：

1、计算荷载

龙门吊*大吊重为100t

龙门吊自重（W能杆件部分）约80t

天车及吊具重量约12t，天车轨道梁及钢轨重量约8t,立柱总重约40t

（1）集中荷载

    吊重100t，根据“公路桥梁施工手册”规定，当吊重大于15t时，动荷载系数取1.5，W＝1.5×100t＝150t

    因门架上方天车轨道的刚度相对桁架的刚度要小得多，吊重仅分配在上弦5个节点上，则吊重通过轨道梁传给桁架的5个节点，在集中荷载作用下，按四跨连续梁计算其5个节点的受力，求得：

*边上P1＝2.63t，其次P2＝12.94t,中间P3＝56.25t（单片桁架）。

（2）自重

顶部轨道梁及轨道重约8t，平均分配在横梁上部的33个节点上，即：

P梁=8/33=0.24t（横梁上弦每个节点）

W能杆件自重共80t（经验值2.5t/m），平均分配给280个节点上，即：

P自=80/280=0.286t/每个节点

（3）横向风荷载

根据公路规范，取杭州地区的基本风压值W0=600N/m2,构件单位面积风压：

W风=K1K2K3K4W0=1×1.3×1×1×0.6=0.78KN/m2=0.078t/m2

桁架的总风压：W1=0.5×34×4×0.078=5.3t

立柱的总风压：W2=0.8×13×0.9×0.078×2=1.46t

2、计算工况

（1）工况一：在*大荷载作用下天车居中。

（2）工况二：在*大荷载作用下天车靠边。

（3）工况三：自重＋风载

3、龙门吊各杆件结构特征

上、下弦杆：m1-4N1     4∠100×100×12    A1=77.28cm2

中弦杆：    m2-2N1     2∠100×100×12    A2=38.64cm2

竖杆：      m3-4N4     4∠75×75×8       A3=38.6cm2

斜杆：      m4-4N3     4∠100×75×10     A4=52.88cm2

斜撑：      m5-4N125    4∠125×125×12    A5=92.5cm2

立柱边斜杆：m6-2N125    4∠125×125×10    A6=42cm2

立柱三角桁架横杆、斜撑：m7-2I10    A7=28.66cm2

立柱钢管桩：m8-Φ900、δ=14mm钢管桩    A8=389.7cm2

4、龙门吊计算简图与构件标号见图（七）。

（四）龙门吊结构受力验算

龙门吊结构受力验算采用了两种计算方法，一种是简化计算，去掉横梁的零杆，用节点法手工计算，求出各个编号杆件内力；另一种是运用计算机计算程序计算即电算，将各个结构特征参数输入求得。主要以电算为准，利用节点法简化计算来校核，两种计算方法计算出的结果相差很小，说明验算结果正确可行，节点法计算过程在这里不过多阐述，现将计算结果列表如下。

1、工况一：天车居中吊重，横梁的变位及杆件内力

（1）横梁变位：

单位：cm

Zmax

Ymax

Xmax

-1.67

0.739

0.00

允许挠度［Z］＝2.67cm

 

 

 

 

（2）杆件内力：

弦杆                           单位：t

 

上弦

下弦

备注

计算轴力

-68.8

82.175

 

允许轴力

－154.6

154.6

上下弦杆原拟定4N1

 

斜杆                           单位：t

 

Zy平面内

Zx平面内

计算轴力

43.00

-42.26

1.14

-1.14

允许轴力

4N3 105.8 连接82.4

2N5 38.6 连接8.8

-13.6

 

竖杆与横撑                     单位：t

 

Zy平面内

Zx平面内

计算轴力

-24.39

0.98

-0.98

允许轴力

4N4 -77.2 连接35.2

2N4 38.6 连接17.6

 

 


2、工况二：天车靠近立柱，立柱的变位与杆件内力

（1）立柱变位：

单位：cm

Zmax

Ymax

Xmax

0.61

0.318

0.051

（2）立柱杆件内力：

单位：t

 

竖杆

斜杆

计算轴力

-43.48

-19.44

允许轴力

4N1 -154.6 连接68.7

2N3 52.9 连接41.2

3、工况三：空载时候在风荷载的作用下稳定性验算

MG=140×4.5=630t·m

M1=5.3×16=84.8t·m

M2=1.46×7.5=10.95t·m

M风=M1+M2=84.8+10.95=95.75t·m

MG=630t·m>M风=95.75t·m   结构稳定

4、龙门吊结构构件重新选择

根据计算结果分析，龙门吊结构有足够的刚度与强度，都满足使用，而且强度较为富余，从杆件内力计算结果看，不论是横梁的弦杆、斜杆和立柱的竖杆强度均有富余，因此根据计算结果合理选取结构组合：

 

上弦杆

下弦杆

斜杆

竖杆

横撑

斜撑

立柱

*大轴力（t）

-68.8

82.175

43.00

-42.26

-24.39

1.14

-1.14

 

 

原选型号

4N1

4N1

4N3

4N4

2N5

4∠125

Φ900

允许轴力（t）

－155.5

155.5

105.8

-77.2

38.6

 

 

现选型号

2N1

4N1

2N3

2N4

2N5

4∠125

Φ900

允许轴力（t）

-77.8

155.5

52.9

-38.6

38.6

 

 

5、龙门吊机沿轨道行车的稳定性计算

大跑车行走速度V=10.0m/min，减速时间3.2s，碰撞0.5s，*大减速度a=0.4m/s2，间距B=9.0m。

（1）主机空载行走时稳定性：

碰撞力F=G0×a=140t×0.4m/s2=56.0t

倾覆力矩MK=h0×F    h0=1m   

MK=1m×56.0t=56.0t·m

稳定力矩MW=G0×B/2  G0=140t  B/2=4.5m 

MW=140t×4.5m=630.0t·m

稳定系数η0=MW/MK=11.25>2.5   满足起重机规范《GB3811－83》要求。

（2）满载运行时的稳定性：

碰撞力F'= G0'×a=240t×0.4m/s2=96.0t

倾覆力矩MK'=H0×F'    H0=1m   

MK'=1m×96t=96.0t·m

稳定力矩MW'=G0'×B/2    G0'=240t    B/2=4.5m 

MW'=240t×4.5m=1080.0t·m

稳定系数η0'=MW'/MK'=11.25>2.5   满足起重机规范《GB3811－83》要求。

6、龙门吊机主梁的刚度计算

（1）因螺栓与螺栓之间的安装间隙而产生的挠度f1

建立公式    (4000-f1) 2+(1/2L0) 2=40002     1/2L0=14.0m

 

 

则  f1＝

3cm

 

 

（2）因主梁自重的影响而产生的挠度f2

 

f2=5qL04/384EI    I=

3258694cm4

f2=2.82cm

 

 

（3）因起重负荷的影响而产生的挠度f3

 

f3=PL02/24EI(3

-4a2/L0)

f3=2.28cm

 

 

（4）龙门吊机工作时主梁的*大挠度∑f

 

∑f= f2+f3=

5.1cm

 

 

现场施工观测到的实际∑f挠度为

4.9cm，与设计相符。

刚度（挠跨比）N=5.1cm/3300cm=1/647＜1/400，满足要求

四、结束语

1、挠度值偏差，实际观测挠度值较设计容许挠度值小的多，一方面说明龙门吊W能杆件横梁有足够的刚度，另一方面是横梁在吊装过程中已经将因螺栓连接而产生的间隙消除掉；

2、空车在风荷载作用下经计算不会产生倾覆，但可以产生滑动，龙门吊机本身没有刹车系统，主要是靠自重（或加荷载）的作用下使其火车轮与轨道产生摩阻力来完成由运动到静止，空车情况下摩阻力只有1.4t，横向风荷载为6.76t，所以在没有使用时要注意，做好防护措施，避免事故发生；

3、在*大荷载作用下，尽量避免在跨中起吊、运行等连贯操作，应在行走大车不动时起吊，而后横移到一侧，再运行大车，喂梁到位，主要是减小冲击荷载。虽然在使用过程中没有出现危险情况，但此种操作增加了其安全性；

4、在荷载作用下，立柱与轨道接触部分产生了很大的水平力，这就要求轨道基础要牢固、轨道要顺直，使用过程中要不断调整，以免由于基础的不均匀沉降使龙门吊机在运行过程中出现脱轨现象。

5、无论在风荷载以及外力作用下其稳定系数都远远偏大，造成设计富余，可以适当的减小行走系统底盘结构尺寸，节约材料、降低成本。

 

 

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