桁架式门吊结构设计及分析.pdf

书书书桁架式门吊结构设计及分析周校光（ 中铁隧道集团有限公司　　河南洛阳　４ ７ １ ０ ０ ９ ）摘　要　以采用万能杆件桁架式龙门吊机架设某桥 Ｌ＝ ３ １．７ ｍ铁路预应力钢筋混凝土梁的结构设计为例， 从设计选型、 结构分析、 稳定计算等方面进行了详细完整的介绍关键词　龙门吊　结构　设计分析１ 　概述钢结构施工工艺设计在工程建设中经常遇到笔者曾参加了衡广复线白面石武水河大桥悬臂灌注法施工挂篮及模板施工工艺设计， 之后又曾单独设计过采用万能杆件、 公路贝雷梁和铁路军便梁进行拼装的多种结构形式的桥梁架设用龙门吊龙门吊等结构设计， 可以综合反映施工工艺设计的水平和能力， 也是理论应用于实践的具体技术工作这里推介绍一个完整的算例， 希望对涉及此类技术工作的工程技术人员能有较好的参考价值某铁路桥梁架设 Ｌ＝ ３ １．７ ｍ预应力钢筋混凝土梁， 采用万能杆件的桁架式龙门吊机， 龙门吊机起吊每片梁重为 １ ３ ０ ０ ｋ Ｎ 一般说来龙门吊结构部分设计计算可以分为以下九个步骤进行：①收集有关资料；②初步拟定净空尺寸及结构形式；③最大轮压计算；④纵向稳定检算；⑤各杆件的内力计算及截面选择；⑥横梁挠度检算；⑦走行结构计算；⑧实际总重量与原拟定的恒载重量进行比较（ 若相差超出 ５ ％， 应重新计算出杆件内力） ；⑨绘制施工设计图纸（ 包括总图和各杆件加工详图） 。

以下主要对前四步做一完整介绍， 后五步予以简单说明２ 　结构设计与分析２ ． １ 　资料收集对最大起吊重量、 跨度、 高度、 吊点位置进行调查和核对， 对地形、 地貌进行实地察看， 看是否适合龙门吊轨道铺设和龙门吊运行， 通过设计规范［ ２ ］再查出风力大小２ ． ２ 　龙门吊机净空尺寸的拟定查设计图得最高墩资料： 基础宽度 Ｂ＝ １ ２．２ ｍ ，桥墩高度 Ｈ＝ ２ １．３ ６ ｍ 另外由预应力梁宽 １．９ ４ ｍ并考虑安全因素， 取运梁线路宽为 ４ ｍ ， 然后拟定龙门吊净空尺寸如下：ＢＪ＝ 基础宽度 Ｂ＋ 运梁线路宽 ＋ ３ ａ　 ＝ １ ２．２＋ ４＋ ３× ０．５＝ １ ７．７ ｍ为了计算和施工方便， 实际取龙门架净宽为１ ８ ｍ （ ２× ９ ｍ ） ＨＪ＝ ｂ１＋ ｂ２＋ ｂ３＋ ｂ４＋ ａ　 ＝ ２．７ ５＋ ０．５＋ ２．４ ５＋ ２ ０．９＋ ０．５＝ ２ ７．１ ｍ其中 ＢＪ为净宽； ＨＪ为净高； ｂ１为梁高 ２．７ ５ ｍ ； ｂ２为梁支座高 ０．５ ｍ ； ｂ３为吊梁扁担底至龙门架下弦底的距离为 ２．４ ５ ｍ ； ｂ４为桥墩顶至龙门吊机轨顶高 ２ ０．９ ｍ ； ａ 为安全距离； 另外走行结构总高度为 １．５ ８ ５ ｍ 。

龙门架净高 ＝２ ７．１－１．５ ８ ５＝２ ５．５ １ ５ ｍ ， 实际取为２ ６ ｍ 因此得龙门吊机尺寸如图 １所示图 １ 　龙门吊结构尺寸图２ ． ３ 　轮压计算轮压计算的目的在于确定龙门吊机所需轮子的第 ２ ３卷　第 ４期２ ０ ０ ３年 ８月　　　　　　　　　　　　　　　　　　隧道建设Ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ Ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　２ ３ （ ４ ） ： １ ９～ ２ １Ａ ｕ ｇ ｕ ｓ ｔ ， ２ ０ ０ ３数目、 直径， 并确定龙门吊机轨道的布置２ ． ３ ． １ 　荷载计算ａ ． 恒载龙门吊机总重： Ｑ恒＝ Ｑ１＋ Ｑ２＋ Ｑ３式中 Ｑ１为横梁及走道梁总重， 根据原有资料，其每米自重 ｑ１＝ ７ ｋ Ｎ／ ｍ ， 则 Ｑ１＝ ２ ２× ７＝ １ ５ ４ ｋ Ｎ ； Ｑ２为塔架总重， 根据原有资料， 其每米自重 ｑ２＝ ６ ｋ Ｎ／ｍ ， 则 Ｑ２＝ ２ （ ２ ６＋ ２× １ １ ）× ６＝ ５ ７ ６ ｋ Ｎ ； Ｑ３为走行结构及车轮总重， 估算为 １ ０ ０ ｋ Ｎ 故 Ｑ恒＝ Ｑ１＋ Ｑ２＋ Ｑ３＝ １ ５ ４＋ ５ ７ ６＋ １ ０ ０＝ ８ ３ ０ ｋ Ｎ ， 由此产生的反力为：Ｒ恒＝ Ｑ恒／ ２＝ ８ ３ ０ ／ ２＝ ４ １ ５ ｋ Ｎｂ ． 活载龙门吊机承受的活载包括天车及起吊梁的重量、 钢丝绳及起吊托架重， 被起吊的预应力混凝土梁重。

根据现有设备、 天车及起吊梁重为 １ ５ ０ ｋ Ｎ ， 钢丝绳及起吊托架重为 ５ ０ ｋ Ｎ ， 被起吊的预应力混凝土梁重 １ ３ ０ ０ ｋ Ｎ（ 则 每 一 吊 机 承 梁 重 为 １ ３ ０ ０ ｋ Ｎ／ ２＝６ ５ ０ ｋ Ｎ ） 故 Ｑ活＝ １ ５ ０＋ ５ ０＋ ６ ５ ０＝ ８ ５ ０ ｋ Ｎ ， 考虑工作时的冲击系数 Ｋ＝ １．２ ， 并由此产生的反力为：Ｒ活＝ Ｋ ·Ｑ活（ Ｌ－ ｓ ） ／ Ｌ　 ＝ １．２× ８ ５ ０× （ ２ ０－ ３．５ ） ／ ２ ０＝ ８ ４ １ ｋ Ｎ式中， Ｌ为两塔架中心线间的距离， 其值为２ ０ ｍ ； ｓ 为天车重心至塔架中心线的最小距离， 采用３．５ ｍ ｃ．纵向风荷载计算龙门吊机所受到的风力包括天车、 横梁、 塔架所受到的风力， 其计算公式为：Ｐ＝ Ｋ１·Ｋ２·ω ·Ｆ式中 Ｋ１为结构系数， 对于桁架， Ｋ１取为 ０．４ ； 对于实腹结构， Ｋ１取为 １．０ ； Ｋ２为空气动力系数， 本吊机取 Ｋ２＝ １．５ ； ω为基本风压， 取吊机工作时的最大风压 ＝０．５ ｋ Ｎ／ ｍ２，Ｆ为 受 风 结 构 的 轮 廓 面 积（ ｍ２）［ ２ ］。

根据上述公式， 计算天车、 横梁、 塔架所受风力为： 天车 Ｐ１＝ １× １．５× ０．５× ３× ２＝ ４．５ ｋ Ｎ （ 不包括走道梁风力） ； 横梁 Ｐ２＝０．４×１．５×２ ２×２×０．５＝１ ３．２ ｋ Ｎ ； 塔架Ｐ３＝２×０．４×１．５×０．５×２ ６×２＝３ １．２ ｋ Ｎ 计算纵向风力对车轮产生的风力矩：Ｍ＝ Ｍ１＋ Ｍ２＋ Ｍ３式中 Ｍ１为天车风力对车轮产生的风力矩， Ｍ１＝Ｐ１·ｙ１＝ ４．５× ３ １．０ ８ ５＝ １ ４ ０ ｋ Ｎ ·ｍ ； Ｍ２为横梁风力对车轮产生的风力矩， Ｍ２＝Ｐ２·ｙ２＝ １ ３．２× ２ ８．５ ８ ５＝３ ７ ７ ｋ Ｎ ·ｍ ； Ｍ３为塔架风力对车轮产生的风力矩， Ｍ３＝ Ｐ３·ｙ３＝ ３ １．２× １ ４．５ ８ ５＝ ４ ５ ５ ｋ Ｎ ·ｍ ， 受力图如图 ２所示故 Ｍ＝ Ｍ１＋ Ｍ２＋ Ｍ３＝ １ ４ ０＋ ３ ７ ７＋ ４ ５ ５＝ ９ ７ ２ ｋ Ｎ ·ｍ ， 因风力对车轮产生的压力， Ｒ风＝Ｍ／ ｄ＝ ９ ７ ２ ／ ６＝１ ６ ２ ｋ Ｎ （ 式中 ｄ 为同侧塔架前后两组轮间距取为６ ｍ ） 图 ２ 　龙门吊结构受力图２ ． ３ ． ２ 　荷载组合及轮压计算前面计算所得反力， 均为两组轮共同承受， 故受力最大的一组车轮产生的反力为：Ｒ＝ Ｒ恒／ ２＋ Ｒ活／ ２＋ Ｒ风／ ２　 ＝ ４ １ ５ ／ ２＋ ８ ４ １ ／ ２＋ １ ６ ２ ／ ２＝ ７ ０ ９ ｋ Ｎ根据文献［ ２ ］， 采用 ф ６ ０ ０的轮子， 其容许压力［ Ｒ ］＝ ２ １ ０ ｋ Ｎ ， 故一组轮子所需数目 ｎ ≥Ｒ／ ［ Ｒ ］＝７ ０ ９ ／ ２ １ ０＝ ３．４个。

采用 ４个， 可得每个轮子实际受压 ７ ０ ９ ／ ４＝ １ ７ ７．３ ｋ Ｎ＜ ［ Ｒ ］＝ ２ １ ０ ｋ Ｎ 因此龙门吊机所需轮子总数为 ４×ｎ＝ ４× ４＝１ ６个， 对 １ ６个轮子， 如果采用单轨布置则每边需８个轮子， 势必带来尺寸过长而不好布置的问题， 故采用双轨布置２ ． ４ 　龙门吊机纵向稳定检算纵向稳定检算的目的在于保证龙门吊机在纵向力的作用下不致倾覆， 所以稳定检算是很重要的检算时要找出最不利的工作条件， 具体如下： ①空车， 即天车不吊梁时的稳定力矩； ②吊机空车可能达到的最大风力（ ω＝ ０．５ ｋ Ｎ／ ｍ２） 产生的倾覆力矩； ③吊机空车在轨道上行走突然刹车产生惯性力矩引起的倾覆力矩； 在以上最不利的情况下， Ｍ稳／ Ｍ倾≥１．２时， 能保证安全２ ． ４ ． １ 　纵向风力产生的倾覆力矩此处风力矩的计算与轮压计算时相比， 仅风压强度 ω要为原来的 １ １ ０ ／ ５ ０ ≈２倍， 故纵向风力产生０２隧道建设　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 ２ ３卷的倾覆力矩Ｍ风＝ ２× ９ ７ ２＝ １ ９ ４ ４ ｋ Ｎ ·ｍ ２ ． ４ ． ２ 　惯性力产生的倾覆力矩龙门吊机各组成部分由于重量和所处高度位置的不同， 所产生的倾覆力矩也不同， 应分别进行计算。

ａ ． 计算惯性力产生的力矩惯性力的公式为： Ｐ＝ Ｑ Ｖ／ ｇ ｔ式中 Ｑ为龙门吊机各组成部分的重量（ ｋ Ｎ ） ； Ｖ为龙门吊机的行车速度， 取 Ｖ＝ ８ ｍ／ ｍ ｉ ｎ＝ ８ ｍ／ ６ ０ ｓ ； ｇ为重力加速度， 取 ９．８ ｍ／ ｓ２； ｔ 为刹车时间， 取为 ２ ｓ ； 代入数据计算得 Ｐ＝ Ｑ× ８ ／ （ ６ ０ × ９．８ × ２ ）＝ ０．０ ０ ６ ８ Ｑ ｂ ． 龙门吊机产生倾覆力矩①天车及起吊梁、 钢丝绳、 起吊托架： Ｑ１＝ １ ５ ０＋５ ０＝ ２ ０ ０ ｋ Ｎ ， Ｐ １ ′ ＝ ０．０ ０ ６ ８× ２ ０ ０＝ １．３ ６ ｋ Ｎ Ｍ１′ ＝Ｐ１′·ｙ１′ ＝ １．３ ６× ３ １．５ ８ ５＝ ４ ２．３ ｋ Ｎ ·ｍ ②横梁及走道梁： Ｑ２＝１ ５ ４ ｋ Ｎ ； Ｐ２′ ＝０．０ ０ ６ ８×１ ５ ４＝ １．０ ５ ｋ Ｎ Ｍ２′ ＝Ｐ２′ ·ｙ２′ ＝ １．０ ５× ２ ８．５ ８ ５＝２ ８．９ ｋ Ｎ ·ｍ ③塔架（ 分两段计算） 产生的倾覆力矩上段： Ｑ３＝ ２ × １ ４ × ６ ＝ １ ６ ８ ｋ Ｎ ， Ｐ３′ ＝ ０．０ ０ ６ ８ × １ ６ ８ ＝１．１ ４ ｋ Ｎ ， Ｍ３′ ＝ Ｐ３′ ·ｙ３′ ＝ １．１ ４ × ２ ０．５ ８ ５ ＝ ２ ３．５ ｋ Ｎ ·ｍ 。

下段： Ｑ４＝ ２ （ １ ２＋ ２× １ １ ）× ６＝ ４ ０ ８ ｋ Ｎ ， Ｐ４′ ＝０．０ ０ ６ ８× ４ ０ ８＝ ２．７ ７ ｋ Ｎ ， Ｍ４′ ＝Ｐ４′ ·ｙ４′ ＝ ２．７ ７×７．５ ８ ５＝ ２ １．０ ｋ Ｎ ·ｍ 由惯性力产生的倾覆力矩总和 Ｍ惯＝Ｍ１′ ＋Ｍ２′＋ Ｍ３′ ＋ Ｍ４′ ＝ ４ ２．３＋ ２ ９．９＋ ２ ３．５＋ ２ １．０＝ １ １ ６ ｋ Ｎ ·ｍ 总的倾覆力矩： Ｍ倾＝Ｍ风′ ＋Ｍ惯′ ＝ １ ９ ４ ４＋ １ １ ６．７＝ ２ ０ ６ ０．７ ｋ Ｎ ·ｍ 图 ３ 　结构纵向受力示意图２ ． ４ ． ３吊机自重产生的稳定力矩结构自重包括天车及起吊梁、 钢丝绳、 起吊托架等构件自重Ｍ稳＝Ｑ总·ｄ ／ ２＝（ ８ ３ ０＋１ ５ ０＋５ ０ ）×６ ／ ２＝３ ０ ９ ０ ｋ Ｎ ·ｍＭ稳／ Ｍ倾＝ ３ ０ ９ ０ ／ ２ ０ ６ ０．７＝ １．５＞ １．２ （ 安全）如果计算得Ｍ稳／ Ｍ倾＜１．２ ， 则采用如下办法改进：①增加前后两组轮之间的距离 ｄ ；②增大吊机自重（ 或在吊机上压重） ２ ． ５ 　安全经济考虑轮压计算和纵向稳定计算中不同之处：ａ ． 天车工作状态不同： 轮压计算中， 天车处于工作状态； 纵向稳定计算中， 天车处于空车状态。

ｂ ． 荷载形式不同： 轮压计算中， 天车（ 包括预应力梁） 作为活载； 纵向稳定计算中， 天车（ 不包括梁重） 作为恒载ｃ ． 风压强度不同： 轮压计算中， 取工作时的风压强度为 ０．５ ｋ Ｎ／ ｍ２； 而纵向稳定计算中， 取最大风压强度为 １．０ ｋ Ｎ／ ｍ２ｄ ． 轮压计算中不考虑惯性力， 而纵向稳定计算中需考虑惯性力的作用３ 　结语至于各杆件内力计算， 横梁挠度检算和走行结构计算等除杆件内力计算等项内容较为繁琐外， 其余都相对较为简单， 值得提出来的是， 关键在于力学模型的假定假定的原则是： 模型安全， 计算简单这里杆件内力计算采用将立体桁架分为平面桁架，并按简支平面刚架来计算最后杆件计算内力为活载作用下产生之最大内力值与恒载下的内力值叠加， 即 Ｎ计＝ Ｎ活Ｍ Ａ Ｘ＋ Ｎ恒横梁竖向挠度计算， 作为安全校核和规范检算，横梁竖向挠度计算可按跨度为柱中到柱中距离简支平面桁架进行近似计算一般情况下， 其挠度值不起控制作用参考文献１ 　李廉锟．结构力学．北京： 高等教育出版社， １ ９ ９ ２２ 　铁 道 部 第 四 勘 测 设 计 院．铁 路 桥 涵 设 计 基 本 规 范（ Ｔ Ｂ １ ０ ０ ０ ２．１－ ９ ９ ）．北京： 中国铁道出版社， ２ ０ ０ ０　　作者简介： 周校光， 男， １ ９ ６ ２年 ６月生， １ ９ ８ ４年毕业于长沙铁道学院铁道工程专业， 大学本科， 高级工程师， 现主要从事施工技术管理工作。

收稿日期： ２ ０ ０ ３ ． ５ ． ８１２第 ４期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　周校光　　桁架式门吊结构设计及分析。