钢筋混凝土吊车梁的疲劳计算及加固处理

Z0= 1 140- 342+ 285= 1 083 mm
截面惯性矩:
I
f 0
=
500
3423 3
-
320 2223 + 2 0
3
3 45
105 104
3 927 ( 1 140- 342) 2 = 200 108 mm4
自重作用下的边缘混凝土应力:
Mf m in
=
33
64 kN
m
=f
c min
33
当结构承受荷载多次重复作用时, 结构断面最 大应力远低于静力试件的极限强度( 或屈服强度) 时 出现的破坏称为疲劳破坏。疲劳失效破坏是工程结 构承受反复荷载作用下主要失效破坏模式之一, 如 工业厂房中吊车梁结构破坏。疲劳破坏是一个非常 缓慢的过程, 其实质是一个损伤累积的过程。
据国家有关部门统计, 我国的工业建筑面积约 20 亿 m2。 使 用 期 限 超 过 30 年 以 上 的 约 为 7 1 亿 m2 , 占 35 5% , 其中大部分已超过或 接近设 计使用年限。为保证目前和未来的安全生产, 急需 对这些工业厂房进行鉴定、加固和改造。同时, 为适 应生产科技进步与国民经济发展需要, 在厂房中增 加设备和生产密度, 势必增加了厂房的荷载, 特别是 对吊车梁系统的破坏会更加严重, 其中 80% ~ 90% 的破坏是疲劳引起的破坏。吊车梁系统是工业厂房
PQmax 为最大起升载荷; Ci 为与起重机各个有代表性
的起升荷载相应的工作循环数; CT 为起重机总工作
循环数 m 为幂指数。为了便于组别的划分, 约定取
m = 3。
使用等级 U0 U1 U2 U3
U4 U5 U6 U7 U8 U9
表 1 起重机的利用等级
总的工作循环数
CT 1 60 104 1 60 104 < CT
64 200
106 108
342 =
0
58
M Pa
自重及吊车作用下的边缘混凝土应力:
Mf m ax
=
436 4 5 8 + 33 64= 33 64 M Pa
=f
cm ax
665 84 200
1 06 108
342 = 11 39 M Pa
混凝土疲劳应力比:
f c
=
0 11
58 39
=
0 05< 0
图。
图 1 钢筋混凝土吊车梁正截面疲劳应力计算图
3 1 正截面受压区边缘纤维混凝土应力计算
截面特性 X 0 = 342 m m
受压区面积 A 0x = 99 960 m m2
受压区面积静矩 S0x = 28 475 106 mm 3
y=
28
475 106 99 960
=
285
mm
受压区合力点至受拉钢筋合力点之距离:
2 钢筋混凝土吊车梁的疲劳计算 根据 GB 50010- 2002 混凝土结构设计规范 ,
钢筋混凝土吊车梁直接承受吊车荷载作用, 对于工
作级别 A1- A8 的吊车梁, 均应进行疲劳计算。但 规范指出, 直接承受安装或检修用的吊车, 其吊车梁 构件根据使用情况和设计经验可不做疲劳验算。对 照表 3, 应是指无工作级别或 A1 级以下的吊车梁构 件。
和
Ci CT
关系的图形称为载荷 谱。载荷谱系数 K p
由式
( 1) 计算:
1 吊车的工作级别 我国的 GB 50009- 2001 建筑结构荷载规范
Indust rial Const ruct ion V ol 41, Supplement, 2011
作 者: 万晨耀, 男, 1977 年出生, 二级注册结构师。 收稿日期: 2011- 02-lt; K p 0 250
有时起 升额 定载 荷, 一 般 起升中等载荷
Q 3-重
0 250< K p 0 500
经常起 升额 定载 荷, 一 般 起升较重的载荷
Q 4-特重 0 500< K p 1 000 频繁地起升额定载荷
按起重机的利用等级和载荷状态, 起重机工作 级别分为 A1- A8 八级, 见表 3。
为吊车设计的依据, 同时也为吊车梁及厂房设计提
供依据。
起重机的利用等级见表 1。
起重机的载荷状态表明了起重机受载的轻重程
度, 它与两个因素有关, 即与所起升的载荷与额定载
荷之比 PQi p Qmax
和各个起升载荷 PQ i
的作用次数 C i
与
总的工作循环次数
CT
之比 C i CT
有关。表示
P Qi p Qmax
的重要组成部分, 它承受着在其上行走的吊车, 吊车 梁结构状况良好与否, 直接关系到厂房的安全生产。 吊车梁的疲劳分析, 设计计算显得越来越重要, 对此 问题的研究将为工业厂房的维修改造决策提供强有 力的依据。
设定的吊车的 工作级别是根 据 GB/ T 3811- 2008 起重机设计规范 进行划 分的。其中 GB/ T 3811
如果计算不满足要求, 则钢筋混凝土吊车梁应 进行加固处理, 并计算加固后的吊车梁是否满足承 载能力极限状态及正常使用极限状态, 以下给出了 疲劳计算的实例及加固计算过程。
3 钢筋混凝土吊车梁疲劳验算的算例
某厂一车间 24 m 的跨度, 6 m 柱距, 车间内原
有 2 台 32/ 5 t 的桥式吊车, A4 级工作制, 吊车梁选 用 04G323 图集 DL- 12。现工厂技术改造选用 1 台
4 00 106 4 00 106 < CT
起重机使用频繁情况 很少使用
不频繁使用 中等频繁使用
较频繁使用 频繁使用 特别频繁使用
级, 见表 2。
表 2 起重机的载荷状态及其名义载荷谱系数 Kp
荷重状态 Q 1-轻
荷重谱系数 K p 0 000< K p 0 125
说明 很少起 升额 定载 荷, 一 般 起升轻微载荷
钢筋混凝土吊车梁的疲劳计算及加固处理
万晨耀
( 无锡轻大建筑设计研究院有限公司, 江苏无锡 214036)
摘 要: 基于疲劳与吊车工作制的关系, 探讨了吊车 梁疲劳计算的若干技术问题, 提供了钢筋混凝土吊车 梁疲劳计算的算例、加固方法及计算过程, 可为工业建筑 吊车梁的设计、管理和维护提供参考依据。
关键词: 疲劳; 吊车; 工作制; 混凝土吊车梁
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
A8
0 250< K p 0 500 A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
A8
A8
0 500< K p 1 000 A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
A8
A8
A8
要排除一般常识概念误区: 轻级= A1- A3 时 不需要对吊车梁作疲劳验算。按表 3, 只有 总的工 作循环次数为 3 2 104 次以下 U 0 、U 1 级的很少用 的吊车梁构件可不做疲劳验算。
工业建筑 2011 年第 41 卷增刊 201
Kp =
[ Ci ( PQi ) m ] C T p Qmax
( 1)
n
其中 CT =
Ci = C1 + C2 + C3 +
i= 1
+ Cn
P Qi = P Q1 , PQ2 , PQ 3 , P Qn ;
Ci = C1 , C2 , C3 , Cn
式中: K p 为 载荷 谱系 数; P Qi 为 第 i 个起 升 载荷;
轮 压 415 kN, 吊 车 总 重 445 kN, 小 车 重 量
129 4 kN。吊 车 梁 混 凝 土 强 度 等 级 C50, 自 重
8 kN/ m。 吊车垂直轮压 1 05 415= 436 kN
水平制动力
T=
500 + 20
1 29 2
4
=
15
74 kN
图 1 为钢筋混凝土吊车梁正截面疲劳应力计算
根据 GB 50009- 2001 建筑结构荷载规范 及 GB 50010- 2002, 进行疲劳验算时对于跨度不大于 12 m 的吊车梁可取一台最大吊车荷载计算, 同时应
20 2
考虑动力系数 1 05( A1- A 5 级软 钩吊车) 或 1 1 ( A6- A8 级软钩吊车) 。
钢筋混凝土吊车梁疲劳计算时, 应计算下列部 位的应力。1) 正截面受压区边 缘纤维的混凝 土应 力。2) 纵向受拉钢筋的应力幅。3) 截面中和轴处混 凝土的剪应力。4) 箍筋的应力幅。最终确定混凝土 及钢筋疲劳强度是否满足规范要求。
按表 3 分析, 对于 Q1、Q2、Q3 的荷重状态的吊 车, 根据吊车使用等级的不同, 工作级别可为 A1A8 级, 按公式( 1) 计算, 如果满荷作用次数为 10% , 起重量 为额定载荷 20% 时的 作用次数为 90% , 则 K p= 0 1072, 荷重状态为 Q 1- 轻。如工作级别为 A 1 级, 则总的工作循环次数为 6 3 104 次, 按吊车 梁服役 50 年计算, 平均每天工作次数可用 3 45 次, 如工作级别为 A8 级, 总的工作循环次数可大于 4 106 次, 平均每天工作次数可大于 220 次。如果满 荷作用次数为 90% , 起重量为额定载荷 20% 时的作 用次数为 10% , 则 K p = 0 900 8, 荷重状态为 Q 4- 特 重。对于 Q4 的荷重状态的吊车工作级别 可为 A2 - A8 级。根据表 1, 吊车梁在重复工作循环次数为 1 6 万次以上的情况下工作, 就必然会产生疲劳效 应, 无论其工作级别是 A1 级别还是 A8 级别。
50/ 10 t 的桥式吊车, A 3 级工作制。改造方案为该
50/ 10 t 吊车采用分段行驶与原来 32/ 5 t 吊车隔开
使用, 两台吊车不同时在同一吊车梁上, 要验算原吊 车梁强度、疲劳、裂缝等是否符合规范要求。经验算
强度、裂缝符合规范要求, 疲劳计算如下:
已知 50/ 10 t 吊车一台, A3 工作制, 软钩, 吊车 跨度 22 5 m, 吊车宽度 7 06 m , 轮距 5. 20 m, 最大
2
= 0 74
0 74 23 1= 17 09 MP a> 11 39 MP a
3 20 104 3 20 104 < CT
6 30 104 6 30 104 < CT
1 25 105 1 25 105 < CT
2 50 105 2 50 105 < CT
5 00 105 5 00 105 < CT
1 00 106 1 00 106 < CT
2 00 106 2 00 106 < CT
- 2008 的划分标准是在考虑起重机吊车繁忙程度
的同时, 又区分吊车的使用等级和载荷状态两个因 素进行确定的。按吊车在使用期 50 年内要求的总
的工作循环次数分成 10 个利用等级, 按吊车荷载达
到其额定值的频繁程度分成 4 个载荷状态( 轻、中、
重、特重) , 根据要求的利用等级和载荷状态, 就可以 确定吊车的工作级别。规范共分 8 个工作级别, 作
起重机的 载荷状态 按名义载 荷谱系数 分为 4
荷重 状态 Q 1-轻 Q 2-中 Q 3-重 Q 4-特重
表 3 起重机工作级别的划分
荷重谱系数
使 用等 级
Kp
U0
U1
U2
U3
U4
U5
U6
U7
U8
U9
0 000< K p 0 125 A1
A1
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
0 125< K p 0 250 A1
FATIGUE COMPUTATION AND REINFORCEMENT OF RC CRANE BEAM
Wan Chenyao ( W uxi Qing da A r chitectur e D esign Inst itute Co , L td, Wux i 214036, China)
Abstract: In this paper, based on the r elation ship between fat igue and crane duty, the key technical problems of fatig ue co mputation for RC cr ane beam ar e briefly discussed. T he case hito ry of fatig ue computat ion, r einfo rcement method etc o f the R C crane beam ar e also g iv en, which show s that the method and the r esults can be used as r eference fo r design, management and maintenance of RC cr ame beam in an industrial building. Keywords: fatig ue; crane; w or k duty; co ncr ete cr ane beam