大型厂房吊车梁处柱水平变位的讨论

【摘 要】 拥有大吨位桥式吊车的钢结构厂房在建筑结构中比较常用，本文主要针对这种结构的柱顶位移限值取值及计算进行了深入的讨论。

【关键词】 吊车 大型厂房 柱顶位移

SINO工程是目前世界上最大的选矿工程，结构设计方面比较特殊，该项目位于世界第二大飓风区，最高设计风速为88m/s，在如此大风压地区国内外还没有大型厂房结构设计的经验。设计施工过程中遇到了比较多的困难。吊车梁设计就是其中一个难点。在大型厂房结构中，经常有桥式吊车，而且吊车的吨位往往比较大。桥式吊车属于特种设备，在设计和使用中都有特殊规定，对于吊车梁以及支承吊车梁的厂房柱，在厂房结构设计方面也有相应的规定。但是不同国家的规范对此有不同的规定，这就要求结构设计工程师根据具体情况，在满足当地规范要求的前提下制定正确的标准。

此项目位于澳大利亚，业主要求整个工程都要遵守澳大利亚规范，这给设计造成了很大困难。因为澳大利亚属于发达国家，其各个方面的规范都很严格。此工程的自磨车间的吊车吨位最大，一跨为两台125吨（厂房跨度36米），另一跨为两台75吨（厂房跨度26米），吊车轨顶标高为39米。整个厂房为敞开结构，没有屋面和围墙。对于吊车来说此结构类似于露天栈桥，但是又不完全一样，因为下部有几层平台。

我国现行钢结构设计规范（GB50017-2003）关于厂房柱柱顶位移有如下规定[1]：

A.2.2在冶金工厂或类似车间中设有A7、A8级吊车的厂房柱和设有中级和重级工作制吊车的露天栈桥柱，在吊车梁或吊车桁架的顶面标高处，由一台最大吊车水平荷载（按荷载规范取值）所产生的计算变形值，不宜超过：露天栈桥柱的横向位移为Hc/2500。

澳大利亚吊车规范[2]也有类似规定：在工作荷载下吊车梁水平挠度为L/600和10mm的较小者，柱顶水平位移为H/500和10mm的较小者。

现在比较一下两国规范的区别。中国规范只对中“设有A7、A8级吊车的厂房柱和设有中级和重级工作制吊车的露天栈桥柱”有规定，本车间吊车为检修用吊车，属于轻级工作制，不适用本规范。即使参考本规范，本车间轨顶标高为39米，Hc/2500大概为15.6mm。大于澳洲规范的10mm。中国规范规定的荷载工况为“一台最大吊车水平荷载”，澳洲规范的荷载工况为正常生产时的荷载，应该包括吊车横向水平荷载，风荷载，吊车轮压等共同作用。由此可见澳洲规范对于柱顶水平荷载的要求比中国规范的要求严格很多。

我们曾咨询过多位澳洲土建工程师，他们均认为标准10mm的规定极其严格，只是适用于高度较小的结构（H/500=10mm，H=5米），对于本工程这种特殊的结构很难满足（H/500=78mm），满足此要求会增加很多投资且没有必要。业主资深土建工程师也认为柱顶变位没必要遵守小于10mm的要求。但是如果仅满足H/500这一个条件，柱顶位移又太大。经过反复论证，多方一致同意只要满足吊车正常运行就可以。吊车制造商提供资料表明吊车允许变位为±30mm，这里的变位为支承吊车的两根柱子的水平变位差，如果这个值过大，吊车轮子就会碰撞轨道，影响吊车的正常行驶。于是最后我们决定吊车轨道处柱顶的水平位移差限值就取30mm。

此工程还有一个特点，在澳大利亚具有10吨以上桥式吊车或单轨吊车的厂房，必须经过第三方审核，合格后报批政府。否则吊车是不允许使用的。当设计快要结束时，审核方对我们的计算提出了疑问，认为柱顶水平位移不满足最大10mm的要求。我们把当初制定30mm这个标准的整个过程向他们进行解释，并把相关的文件及数据给了审核人。审核方对此也进行了多方的调查和详细的分析，最后接受了我们30mm的这个标准。

接下来审核方又提出了另一个疑问，就是他们在电脑上的计算结构超出了上面提到的30mm的标准，为32mm。而我方的计算结果是满足这个标准的。于是双方进一步研究，找出了引起误差的原因：计算式荷载组合取值不同。

澳大利亚规范规定计算柱顶位移时取正常工作的荷载组合，应该包括吊车横向水刹车平荷载，风荷载，吊车轮压等共同作用。吊车横向刹车力是由吊车生产厂家提供的，必须考虑，这也是在中国规范中计算位移需要计算的。正常结构的垂直荷载不可能产生水平位移，此厂房柱采用的是双肢柱，吊车荷载作用于其中的一肢上，另一肢主要起到抵抗水平力的作用。但是对于柱子整体而言，吊车垂直荷载就存在了偏心，在柱顶产生了一个弯矩，所以产生水平位移。理论上是如此，计算结果也是如此。但是我们认为实际情况并不是完全这样。

吊车实际运行中，轮压是一组动荷载，吊车桥架本身的刚度很大，整个吊车作为一个整体，连接着两侧的轨道及吊车梁。如果一侧的吊车梁产生水平位移，此处的吊车轮子必定受到轨道的水平摩擦力（垂直力越大，摩擦力越大），此力通过吊车桥架传到另一侧的吊车轮子上，再通过吊车轨道传给吊车梁。最终的结果是两侧的柱顶会有同样的位移，相对位移应该是没有。即使轨道与吊车轮子之间产生滑动，也存在滑动摩擦力。而我们及审核方计算时都是假定吊车轮压是两组垂直力单独地作用在两边的吊车梁上，并没有考虑吊车桥架对整个结构的约束。如果把这部分考虑进去，由垂直轮压引起的吊车两侧柱顶水平位移差就应该小于电脑上计算的结果。另外还有一个引起误差的原因就是吊车轮压的取值。本车间125吨吊车用于检修环型电机定子，其最大重为110t，据电机生产厂家说他们的定子从没检修过，也就是说吊车最大起重量为110吨，在厂房使用寿命内吊车最多使用次数为1-2次，且不可能两台吊车同时工作。所以吊车轮压的取值还可以在小一些。考虑以上两个因素，真正的结果应该是柱顶水平位移小于30mm。

经过多次的沟通，审核方最后同意了我方的意见，认为我们的设计是符合当地的要求的，第三方审核得到了最终通过。现在该工程已经完成建设并顺利投产，吊车运行也很顺利。由此可见在平时设计中必须结合实际情况，在满足工艺和各种规范要求的前提下，认真研究，优化设计，减小工程造价，提高经济效益。

注释：

[1]《钢结构设计规范》GB50017-2003，中华人民共和国国家标准，122页.

[2]《Cranes， hoists and winches Part 18： Crane runways and monorails》（AS1418.18），29页.