起重机横向水平制动力.docx
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起重机横向水平制动力
关于起重机横向水平制动力的研究
研究起重机横向水平制动力，首先要明确什么是起重机，以及起重机的工作原理及其主要受力特点。
下面我们就来分别讨论。
一．起重机的工作级别
起重机是厂房中常见的起重设备，按照起重机使用的繁重程度（亦即起重机的利用次数和荷载大小），国家标准《起重机设计规范》（GB3811）将其分为八个工作级别，称为A1～A8。
许多文献习惯将起重机以轻、中、重和特重四个工作制等级来划分，它们之间的对应关系见表。
二．起重机的受力特点及其计算
单层厂房钢结构一般由横向框架作为承重结构，而横向框架通常由柱和桁架（横梁）所组成。
横梁与柱子的连接可以是铰接，亦可以是刚接，相应地，称横向框架为铰接框架（又称排架）或刚接框架。
对一些刚度要求较高的厂房（如设有双层起重机，装备硬钩起重机等），尤其是单跨重型厂房，宜采用刚接框架。
在多跨时，特别在起重机起重量不很大和采用轻型围护结构时，适宜采用铰接框架。
各个横向框架之间有屋面板或檩条、托架、屋盖支撑等纵向构件相互连接在一起，故框架实际上是空间工作的结构，应按空间工作计算才比较合理和经济，但由于计算较繁，工作量大，所以通常均简化为单个的平面框架（图）来计算。
框架计算单元的划分应根据柱网的布置确定（图），使纵向每列柱至少有一根柱参加框架工作，应将受力最不利的柱划入计算单元中。
对于各列柱距均相等的单层厂房钢结构，只计算一个框架。
对有抽柱的计算单元，一般以最大柱距作为划分计算单元的标准，其界限可以采用柱距的中心线，也可以采用柱的轴线，如采用后者，则对计算单元的边柱只应计入柱的一半刚度，作用于该柱的荷载也只计入一半。
对于由格构式横梁和阶形柱（下部柱为格构柱）所组成的横向框架，一般考虑桁架式横梁和格构柱的腹杆或缀条变形的影响，将惯性矩（对高度有变化的桁架式横梁按平均高度计算）乘以折减系数，简化成实腹式横梁和实腹式柱。
对柱顶刚接的横向框架，当满足下式的条件时，可近似认为横梁在水平荷载作用下刚度为无穷大，否则横梁按有限刚度考虑：
横向框架的计算高度H：
柱顶刚接时，可取为柱脚底面至框架下弦轴线的距离（横梁假定为无限刚性），或柱脚底面至横梁端部形心的距离（横梁为有限刚性）（图、b）；柱顶铰接时，应取为柱脚底面至横梁主要支承节点间距离（图 c、d）。
对阶形柱应以肩梁上表面作分界线将H划分为上部柱高度H1和下部柱高度H2。
三．横向框架的荷载
作用在横向框架上的荷载可分为永久荷载和可变荷载两种。
永久荷载有：
屋盖系统、柱、起重机梁系统、墙架、墙板及设备管道等的自重。
这些重量可参考有关资料、表格、公式进行计算。
可变荷载有：
风、雪荷载、积灰荷载、屋面均布活荷载、起重机荷载、地震作用等。
这些荷载可由荷载规范和起重机规格查得。
对框架横向长度超过容许的温度缝区段长度而未设置伸缩缝时，则应考虑温度变化的影响；对单层厂房钢结构地基土质较差、变形较大或单层厂房钢结构中有较重的大面积地面荷载时，则应考虑基础不均沉陷对框架的影响。
雪荷载一般不与屋面均布活荷载同时考虑，积灰荷载与雪荷载或屋面均布活荷载两者中的较大者同时考虑。
屋面荷载化为均布的线荷载作用于框架横梁上。
当无墙架时，纵墙上的风力一般作为均布荷载作用在框架柱上；有墙架时，尚应计入由墙架柱传于框架柱的集中风荷载。
作用在框架横梁轴线以上的桁架及天窗上的风荷载按集中在框架横梁轴线上计算。
起重机垂直轮压及横向水平力一般根据同一跨间、两台满载起重机并排运行的最不利情况考虑，对多跨单层厂房钢结构一般只考虑4台起重机作用。
内力分析和内力组合
框架内力分析可按结构力学的方法进行，也可利用现成的图表或计算机程序分析框架内力。
应根据不同的框架，不同的荷载作用，采用比较简便的方法。
为便于对各构件和连接进行最不利的组合，对各种荷载作用应分别进行框架内力分析。
为了计算框架构件的截面，必须将框架在各种荷载作用下所产生的内力进行最不利组合。
要列出上段柱和下段柱的上下端截面中的弯矩M、轴向力N和剪力V。
此外还应包括柱脚锚固螺栓的计算内力。
每个截面必须组合出+Mmax和相应的N、V；－Mmax和相应的N、V；Nmax和相应的M、V；对柱脚锚栓则应组合出可能出现的最大拉力；即Mmax和相应的N、V；－Mmax和相应的N、V。
柱与桁架刚接时，应对横梁的端弯矩和相应的剪力进行组合。
最不利组合可分为四组：
第一组组合使桁架下弦杆产生最大压力（图；第二组组合使桁架上弦杆产生最大压力，同时也使下弦杆产生最大拉力（图；第三、四组组合使腹杆产生最大拉力或最大压力（图、d）。
组合时考虑施工情况，只考虑屋面恒载所产生的支座端弯矩和水平力的不利作用，不考虑它的有利作用。
在内力组合中，一般采用简化规则由可变荷载效应控制的组合：
当只有一个可变荷载参与组合时，组合值系数取，即：
恒+可变荷载；当有两个或两个以上可变荷载参与组合时，组合值系数取，即：
恒+（可变荷载1+可变荷载2）。
在地震区应参照《建筑抗震设计规范》进行偶然组合。
对单层起重机的厂房钢结构，当采用两台及两台以上起重机的竖向和水平荷载组合时，应根据参与组合的起重机台数及其工作制，乘以相应的折减系数。
比如两台起重机组合时，对轻中级工作制起重机，折减系数为；对重级工作制起重机，折减系数取。
框架柱按结构形式可分为等截面柱、阶形柱和分离式柱三大类。
面柱有实腹式和格构式两种，通常采用实腹式（图。
等截面柱将起重机梁支于牛腿上，构造简单，但起重机竖向荷载偏心大，只适用于起重机起重量Q<150kN，或无起重机且房屋高度较小的轻型钢结构中。
阶形柱也可分为实腹式和格构式两种（图、c、d、e、f）。
从经济角度考虑，阶形柱由于起重机梁或起重机桁架支承在柱截面变化的肩梁处，荷载偏心小，构造合理，其用钢量比等截面柱节省，因而在单层厂房钢结构中广泛应用。
阶形柱还根据房屋内设单层起重机或双层起重机做成单阶柱或双阶柱。
阶形柱的上段由于截面高度h不大（无人孔时h=400~600mm；有人孔时h=900~1000mm），并考虑柱与屋架、托架的连接等，一般采用工字形截面的实腹柱。
下段柱，对于边列柱来说，由于起重机肢受的荷载较大，通常设计成不对称截面，中列柱两侧荷载相差不大时，可以采用对称截面。
下段柱截面高度≤1m时，采用实腹式；截面高度≥1m时，采用缀条柱（图 c、e、f）。
分离式柱（图由支承屋盖结构的屋盖肢和支承起重机梁或起重机桁架的起重机肢所组成，两柱肢之间用水平板相连接。
起重机肢在框架平面内的稳定性就依靠连在屋盖肢上的水平连系板来解决。
屋盖肢承受屋面荷载、风荷载及起重机水平荷载，按压弯构件设计。
起重机肢仅承受起重机的竖向荷载，当起重机梁采用突缘支座时，按轴心受压构件设计；当采用平板支座时，仍按压弯构件设计。
分离式柱构造简单，制作和安装比较方便，但用钢量比阶形柱多，且刚度较差，只宜用于起重机轨顶标高低于10m、且起重机起重量Q≥750kN的情况，或者相邻两跨起重机的轨顶标高相差很悬殊，而低跨起重机的起重量Q≥500kN的情况。
双肢格构式柱是重型厂房阶形下柱的常见型式，图是其截面的常见类型。
阶形柱的上柱截面通常取实腹式等截面焊接工字形或类型（a）。
下柱截面类型要依起重机起重量的大小确定：
类型（b）常见于起重机起重量较小的边列柱截面；起重机起重量不超过50t的中柱可选取（c）类截面，否则需做成（d）类截面；显然，截面类型（e）适合于起重机起重量较大的边列柱；特大型厂房的下柱截面可做成（f）类截面。
柱在框架平面内的计算长度应通过对整个框架的稳定分析确定，但由于框架实际上是一空间体系，而构件内部又存在残余应力，要确定临界荷载比较复杂。
因此，目前对框架的分析，不论是等截面柱框架还是阶形柱框架，都按弹性理论确定其计算长度。
考虑到组成横向框架的单层厂房各阶形柱所承受的起重机竖向荷载差别较大，荷载较小的相邻柱会给所计算的荷载较大的柱提供侧移约束。
同时在纵向因有纵向支撑和屋面等纵向连系构件，各横向框架之间有空间作用，有利于荷载重分配。
故规范规定对于阶形柱的计算长度系数还应根据表中的不同条件乘以折减系数，以反映阶形柱在框架平面内承载力的提高。
对截面均匀变化的楔形柱，其框架平面内的计算长度的取值参见《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018的附表。
厂房柱在框架平面外（沿厂房长度方向）的计算长度，应取阻止框架平面外位移的侧向支承点之间的距离，柱间支撑的节点是阻止框架柱在框架平面外位移的可靠侧向支承点，与此节点相连的纵向构件（如起重机梁、制动结构、辅助桁架、托架、纵梁和刚性系杆等）亦可视为框架柱的侧向支承点。
此外，柱在框架平面外的尺寸较小，侧向刚度较差，在柱脚和连接节点处可视为铰接。
具体的取法是：
当设有起重机梁和柱间支撑而无其他支承构件时，上段柱的计算长度可取制动结构顶面至屋盖纵向水平支撑或托架支座之间柱的高度；下段柱的计算长度可取柱脚底面至肩梁顶面之间柱的高度。
单阶柱的上柱，一般为实腹工字形截面，选取最不利的内力组合，按第7章的计算方法进行截面验算。
阶形柱的下段柱一般为格构式压弯构件，需要验算在框架平面内的整体稳定以及屋盖肢与起重机肢的单肢稳定。
计算单肢稳定时，应注意分别选取对所验算的单肢产生最大压力的内力组合。
考虑到格构式柱的缀材体系传递两肢间的内力情况还不十分明确，为了确保安全，还需按起重机肢单独承受最大起重机垂直轮压Dmax进行补充验算。
此时，起重机肢承受最大压力ND为：
当起重机梁为突缘支座时，其支反力沿起重机肢轴线传递，起重机肢按承受轴心压力N1计算单肢的稳定性。
当起重机梁为平板式支座时，尚应考虑由于相邻两起重机梁支座反力差（R1－R2）所产生的框架平面外的弯矩：
My全部由起重机肢承受，其沿柱高度方向弯矩的分布可近似地假定在起重机梁支承处为铰接，在柱底部为刚性固定，分布如图所示。
起重机肢按实腹式压弯杆验算在弯矩My作用平面内（即框架平面外）的稳定性。
阶形柱的变截面处是上、下柱相连并支撑起重机梁关键部位，必须仔细设计。
阶形柱的柱脚皆与基础刚接，要同时传递竖向力、水平力和弯矩，受力复杂。
另：
问题的提出
在单层厂房柱设计中，柱截面的高度（h）和宽度（b），除应保证具有一定的强度外，还必须保证具有一定的刚度。
这样可避免由于厂房横向和纵向变形过大，而影响起重机正常运行或导致墙和屋盖产生裂缝，进而影响厂房的正常使用。
在通常情况下，纵向平面排架的柱较多，其水平刚度较大，则每根柱承受的水平力不大，因而往往不必计算。
而按有关参考值选取的h和b，也能保证厂房的横向刚度。
只有在起重机吨位较大时，才进行横向水平位移（Δk）的验算［1］。
图1 Δk与Hk关系
长期以来，通过实践经验的积累及实测统计，形成了如下的单层厂房柱横向水平刚度的验算和控制规定：
①在一台起重量最大的起重机横向水平荷载标准值作用下，起重机梁顶面产生的Δk不大于允许值来控制厂房的横向刚度。
（注：
计算此项位移时，不考虑起重机桥架的撑杆作用。
）
②起重机的横向水平荷载可分两种情况考虑：
对于一般软钩起重机，应按不小于横行小车重量与额定最大起重量之和的5%采用；对于硬钩起重机，应按10%采用。
该项荷载仅由一边轨道上的车轮平均传至轨顶，方向与轨道垂直，并考虑正、反两方向的刹车情况（见《荷载规范》（TJ9-74）第17条第2款）［2］。
按上述规定计算得出的起重机梁顶面处Δk应符合如下规定（见图1）：
①按平面排架计算时，对于设有中、轻级工作制起重机的一般厂房柱
Δk≤Hk／1800
（1）
②对于设有重级工作制起重机的一般厂房柱
Δk≤Hk／2200
（2）
式
（1）、
（2）中Hk为自基础顶面至起重机梁顶面之间的距离。
以上的刚度变形计算方法和控制指标，在下文简称为“老规范”。
现行《建筑结构荷载规范》（GBJ9-87）（以下简称为“新规范”）对于起重机横向水平荷载标准值的规定是（见该规范第条）［3］：
起重机横向水平荷载标准值，应取横行小车重量与额定起重量之和的下列百分数，并乘以重力加速度。
百分数取值如下：
①当为软钩起重机时，额定起重量≤10t，取12%；额定起重量为15～50t，取10%；额定起重量≥75t，取8%。
②为硬钩起重机时取20%。
横向水平荷载应等分于桥架的两端，分别由轨道上的车轮平均传至轨道，其方向与轨道垂直，并考虑正、反两方向的刹车情况（见图2）。
图2中的T为起重机横向水平荷载。
与老规范相比，新规范的规定显然做了如下两点改变：
荷载取值基本增大一倍；荷载作用点由桥架一端改为均分于桥架两端。
这样的改变，对于厂房柱的承载能力设计，无疑是增大了设计荷载；只是由于起重机横向水平荷载在厂房柱组合荷载中所占比重很小，所以总的影响不大。
新老规范起重机梁顶面横向位移计算比较
本文以一个单跨、对称的平面排架为例（见图3），分析比较新老规范起重机梁顶面横向位移（Δk）。
图2 起重机横向水平荷载
图3 单跨排架计算简图
单跨对称排架的有关参数为
n＝ExJx／（EsJs） （3）
λ＝Hs／H （4）
式中：
ExJx为下柱材料变形模量与截面惯性距乘积；EsJs为上柱材料变形模量与截面惯性距乘积；Hs为上段柱长度；H为自基础顶面至柱顶全高。
图3中的αHs为起重机横向水平荷载（T）的作用点（d）至柱顶的距离［4］。
单柱在柱顶单位水平力作用下，在柱顶产生的水平位移为
δaa＝［H３／（3ExJx）］［1＋（n-1）λ３］ （5）
单柱在起重机梁顶面单位水平力（T＝1）作用下，在梁顶面产生的水平位移为
δdd＝［H３／（3ExJx）］［（1-αλ）３＋（n-1）（λ-αλ）３］ （6）
式中α为起重机梁顶面至柱顶的距离与上柱高（Hd）之比。
在T＝1-kN作用下，单柱在柱顶产生的位移为
δad＝［H３／（3ExJx）］［1．5αλ（1-αλ）２＋（1-αλ）３＋
1．5（n-1）αλ（λ-αλ）２＋（n-1）（λ-αλ）３］ （7）
由于排架为单跨对称，所以在单侧起重机横向水平荷载作用下，柱顶横梁内力（P）为
P＝［δad／（2δaa）］T （8）
令按老规范计算得到的起重机梁顶面的横向水平位移为Δd１。
在单跨对称的条件下，在起重机横向水平荷载（T）作用下的Δd１为
Δd１＝T｛δdd-［δ２ad／（2δaa）］｝ （9）
令按新规范计算得到的相应位移为Δd。
由于规定起重机梁横向水平荷载等分作用于桥架两端，当起重机额定起重量为15～50-t时，即新规范规定的起重机横向水平荷载等于老规范规定的2倍时，相当于在排架两侧各作用（同时）一个T（如图2所示）。
这时，在单跨对称条件下，P＝0。
很明显，此时起重机梁顶面的相应水平横向位移为
Δd＝TPδdd （10）
在式（5）～（10）中，消去共同项［H３／（3ExJx）］，并令T＝1kN，使位移Δd１、Δd成为α、n、λ的函数，并计算统计如表1。
表1 α、n、λ与Δd／Δd１对照表
α
0．6
λ
0．25
0．30
0．35
0．40
n
7～15
7～15
7～15
7～15
Δd／Δd１
1．877～1．791
1．819～1．710
1．758～1．639
1．700～1．585
α
0．7
λ
0．25
0．30
0．35
0．40
n
7～15
7～15
7～15
7～15
Δd／Δd１
1．844～1．739
1．771～1．640
1．694～1．552
1．620～1．481
α
0．8
λ
0．25
0．30
0．35
0．40
n
7～15
7～15
7～15
7～15
Δd／Δd１
1．813～1．694
1．726～1．578
1．635～1．478
1．548～1．393
一般单层厂房，α多在左右，当厂房较高时，λ值较小，而n值较大。
反之，当厂房较矮时，λ值较大，n值一般较小。
这样，多数情况下比值Δd／Δd１约在左右。
也即按新规范计算厂房刚度，其控制值可相当于老规范计算时的控制值乘倍，而严格程度是一致的。
即设有中、轻级工作制起重机厂房，取Δk≤（Hk／1800）×1．7≈Hk／1060；设有重级工作制起重机厂房，取Δk≤（Hk／2200）×1．7≈Hk／1295。
下面，我们来介绍一种更为简洁的起重机横向水平制动力计算方法
小车制动或启动时小车轮子与桥架之间产生的滑动摩擦力（图）
小车总制动力 T0=N（G+Q）/2
每个轮子作用于起重机梁上横向水平荷载：
（G+Q）=N/8 Tx=T0/4=N（G+Q）
N—制动系数，按GB50009-2001取用
N10t时, 软钩起重机：
当起重机额定起重量Q=
N=50t时, 当起重机额定起重量Q=16
N=75t时, 当起重机额定起重量Q
N= 硬钩起重机：
概述：
起重机横向水平制动力是起重机小车及起吊物沿桥架在厂房横向运行时制动所引起的惯性力。
大小：
该惯性力与吊钩种类和起吊物重量有关，一般硬钩起重机比软钩起重机制动加速度大。
另外，起吊物越重，一般运行速度越慢，制动产生的加速度则较小。
故《建筑结构荷载规范》规定，起重机横向水平荷载按下式计算：
Tx=αH（G+W）
式中G——为小车重量；
W——为起重机规定起重量；
αH——为制动系数。
对于硬钩起重机取；对于软钩起重机，当额定起重量不大于10t时，取,当额定起重量为15～50t时，取，当额定起重量为75t时，取。
作用点：
制动力的作用点位于刹车轮与轨道的接触点。
方向：
制动力的方向与行进方向一致。
讨论与建议
众所周知，与厂房刚度相关的因素很多，如屋面结构刚度、跨数、有无山墙、横墙及其结构与间距、纵墙情况即柱本身刚度等等。
长期沿用的厂房刚度验算方法和控制指标，从直观上看仅与柱身刚度相关，而实际上宜理解为是在过去厂房一般构造条件下的一种经验的、统计的结果和规定，是粗略、大概的。
引起厂房晃动的外力并非只是起重机横行小车的制动力。
实际上，当小车不动，仅大车纵向行使时也会产生厂房晃动。
这是由于轨道不完全平直，起重机设备本身运作不平稳导致车轮与轨道间产生啃咬挤压，产生大小方向随时变化的横向水平力之故。
所以用横行小车重量与额定起重量之和的百分数作为刚度验算的外力，也仅是一种控制方法，而并非全部。
换言之，起重机行使中厂房晃动程度不仅是厂房刚度大小的反应，也可能与起重机轨道安装质量及起重机设备质量的优劣有关。
同时，厂房横向水平变位的控制，也不宜仅限制其与起重机梁面高度（Hk）的比值，还应适当控制该变位的绝对值，特别对起重机轨面标高较高的厂房。
总之，厂房刚度是与多种因素相关的厂房空间整体工作问题。
厂房柱身刚度仅是诸多因素中的一个基本因素。
横行小车的制动力也仅是引起厂房晃动的外因之一。
长期沿用的厂房刚度验算规定和控制指标是经实践考验的经验方法。
鉴于现行荷载规范对横向刚度验算用的外荷取值及作用点做了很大修改，为使刚度控制标准与老标准相一致，就必须将控制指标做相应调整。
考虑到当今厂房的屋盖和围护结构越来越轻型化，其空间整体工作性能比以往的重盖、厚墙结构厂房差。
因此，应适当提高刚度控制指标。
为此，本文建议在现行荷载规范条件下，厂房横向刚度控制指标采用如下数值：
设有中、轻工作制起重机厂房，取Δk≤Hk／1100；设有重级工作制起重机厂房，取Δk≤Hk／1350。
此外，在具体厂房设计中，还应根据具体情况灵活考虑刚度问题。
本文意见仅供讨论和参考。
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