某大型工業(yè)廠房重型吊車運行荷載實測研究

柏炯

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海200092)

摘要：大型工業(yè)廠房的樁基礎(chǔ)不僅要承受廠房以及吊車梁等自身的恒荷載，而且同時也要承受吊車裝卸運轉(zhuǎn)所帶來的循環(huán)活荷載。該類荷載的特點之一是每次發(fā)生的荷載值占其總荷載比例較高，另一個特點是其循環(huán)頻率也較高。通過人工記錄的方式對上海某造船基地切割和小型部件安裝車間的重級工作制吊車運行情況進行了記錄，隨后進行統(tǒng)計、分析，建立起了適合該類工業(yè)廠房或類似工作形態(tài)吊車運行規(guī)律統(tǒng)計方法，并獲得了適用于此類吊車循環(huán)荷載的三角波加載波形，并以規(guī)范制定的吊車工作制級別為依托建立了吊車運行規(guī)律的簡化分析方法，驗證了該實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)的可靠性。

關(guān)鍵詞：吊車；運行規(guī)律；循環(huán)荷載；加載波形

中圖分類號:TU47文獻標(biāo)志碼：A

基金項目：國家自然科學(xué)基金(51408451);湖北省自然科學(xué)

收稿日期：2013-11-08修改稿收到日期：2013-11-28

Sitemeasurementofloadingcharacteristicsofheavycranesinanindustrialplant

BAI Jiong(ShanghaiMunicipalEngineeringDesignInstitute(Group)Co.,Ltd.,Shanghai200092,China)

Abstract:Besides the static loading of the workshop and crane beams, the cyclic loading brought about by the crane operation was applied to the pile foundation of a heavy lifting workshop. The cyclic loading has two characteristics. One is the high proportion of the cyclic loading to the total, and the other is its rather high frequency. In this study, the operation of the crane in a lifting workshop of a shipbuilding base in Shanghai was recorded and analyzed through artificial records. A statistical method suitable for analysing the crane operation rules of the shipbuilding base was established. Besides, the triangular wave was assured to be suitable for fitting the cyclic loading waveform for the crane. Furthermore, a simplified analytical method was established based on the normative crane working system level. The calculation results validate the reliability of the measured data.

Keywords:crane;travellingcharacteristics;cylicloading;loadingwaveform

隨著我國造船業(yè)的迅猛發(fā)展，各大造船基地需要建造越來越多的大型工業(yè)廠房來完成日益增長的工作量。目前的造船基地所使用的大型吊車，輕則為數(shù)十噸級，重型的則可達數(shù)百噸，廠房樁基礎(chǔ)不僅承受廠房以及吊車梁的恒荷載，而且同時也要承受吊車裝卸、運行所帶來的循環(huán)荷載。該類荷載的特點之一是每次發(fā)生的活荷載與占總荷載比例較高，另一個特點是荷載循環(huán)的頻率也較高。

其中荷載循環(huán)的頻率及大小對基礎(chǔ)沉降的特性有著重要影響。周建等[1]利用應(yīng)力控制的循環(huán)三軸試驗，研究分析了循環(huán)荷載作用下杭州市正常固結(jié)飽和粘土在等壓固結(jié)的狀態(tài)下循環(huán)頻率對應(yīng)變的影響。張茹等[2]通過動三軸試驗得出，當(dāng)頻率在0.1~4.0Hz的范圍內(nèi)變化時，頻率越高，試樣循環(huán)強度越高，當(dāng)頻率繼續(xù)升高后，循環(huán)強度卻有下降趨勢。Procter等[3]采用循環(huán)三軸試驗研究了不同頻率循環(huán)荷載作用下等壓固結(jié)重塑飽和粘土的動力特性，其頻率變化范圍為1/120~1Hz，由循環(huán)強度曲線得出對應(yīng)同一循環(huán)破壞次數(shù)，隨著頻率的增大，循環(huán)強度增大。

在現(xiàn)行設(shè)計手冊和規(guī)范中[4-5]，并沒有專門考慮該類循環(huán)荷載對基礎(chǔ)沉降影響的相關(guān)內(nèi)容，而且在計算基礎(chǔ)沉降時一般也不將吊車等荷載的往復(fù)循環(huán)運動考慮進去。

為研究吊車循環(huán)荷載對基礎(chǔ)沉降的影響，需進一步給循環(huán)荷載下樁的模型試驗提供加載周期、大小等加載特性，即提供適用于吊車循環(huán)荷載的波形。常用的循環(huán)荷載包括三角形波、矩形波、正弦波等。日本建設(shè)省在Ariake粘土上進行了低路堤的交通載荷試驗后得到交通荷載的波形接近于三角波[6]，F(xiàn)ujiwara等[7]采用矩形波研究了預(yù)壓對循環(huán)荷載作用下土固結(jié)沉降的影響，Matsuda等[8]采用了正弦波進行了循環(huán)固結(jié)試驗，指出土中孔壓的分布與傳統(tǒng)固結(jié)理論并不一致。

當(dāng)前學(xué)者在研究循環(huán)荷載作用時往往忽略了具體工程中不同循環(huán)荷載大小以及頻率。蔣軍等[9]采用不同加載波形研究了長期循環(huán)荷載作用下粘土的一維沉降，發(fā)現(xiàn)在土體固結(jié)的第四階段不同波形對土體破壞程度不同。因而確定適用于工程循環(huán)荷載的波形對于土體的變形破壞研究至關(guān)重要。為此，本文對吊車的運行規(guī)律進行系統(tǒng)的實測統(tǒng)計研究，根據(jù)實測統(tǒng)計結(jié)果得出適合與吊車循環(huán)荷載的加載波形，以指導(dǎo)該類循環(huán)荷載下模型試驗的加載波形。另以規(guī)范制定的吊車工作制級別為依托，建立了吊車運行規(guī)律的簡化分析方法，將實測結(jié)果與計算結(jié)果相比較，證明了吊車運行規(guī)律統(tǒng)計結(jié)果是可信的，可用于吊車荷載規(guī)律的計算。

1吊車運行規(guī)律介紹

吊車的運行規(guī)律指的是吊車工作期間，重復(fù)將起吊物品從裝載區(qū)吊裝至工作區(qū)卸載，并將成品從工作區(qū)吊裝至成品區(qū)的過程。吊車在吊車梁上從一個位置移動到另一個位置，作用在吊車梁上的吊車荷載通過柱的傳遞作用，將吊車荷載傳遞到基礎(chǔ)上，如圖1所示。吊車活動的部分由大車橋架和小車構(gòu)成，吊車橋架載著小車在整個吊車梁方向上的做縱向平移，小車在吊車橋架的水平方向上做橫向平移，如圖2所示。

圖1　吊車縱向運行示意圖 Fig.1 Schematic of the longitudinal crane operation

圖2　小車橫向運行示意圖 Fig.2 Schematic of the lateral dolly operation

2實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

影響吊車對基礎(chǔ)承載特性的因素主要有吊車的工作頻率以及起吊的載荷大小。為了能夠說明典型的吊車行駛規(guī)律，本次調(diào)查對上海某造船基地內(nèi)的兩輛A6(20t×34.5m)工作制的電磁吊車進行了為期兩天的調(diào)查工作。所調(diào)查的該類吊車和廠房在造船基地是較為典型的，使用頻率較高，能夠較好的反應(yīng)吊車工作運行規(guī)律。由于本單位尚無能夠可直接應(yīng)用的設(shè)備對吊車運行規(guī)律進行記錄統(tǒng)計，本次研究采用的是手工記錄的方式。本次調(diào)查從早晨8：00持續(xù)至下午17：00，中午12：00至13：00為職工午休的時間，吊車?？吭谥付ǖ奈恢谩Ｍㄟ^手工記錄的方式記錄數(shù)據(jù)，主要記錄的參數(shù)有工作荷載(kN)、啟動時間(s)、行駛時間(s)、行駛范圍(m)以及停留時間(s)等，記錄總共持續(xù)2天。

2.1運行周期統(tǒng)計

根據(jù)吊車的運行狀態(tài)，將其運行時間劃分為兩類，即工作時間與非工作時間。工作時間是指吊車正常運行時間，非工作時間指午間休息時間以及駕駛員因故離開的時間。我們僅考慮工作時間的運行周期以及間歇時間，不考慮非工作時間。吊車對一個柱開始產(chǎn)生作用到該柱的受力重新變?yōu)榱愕倪@個過程，我們稱之為一次循環(huán)，循環(huán)由開始到結(jié)束的時間段稱為一個運行周期。吊車運行的周期是雜亂無章的，通過統(tǒng)計得到的最大周期、最小周期和平均周期來表征周期特征。

間歇時間是各柱的每個受力周期結(jié)束到下個受力周期開始前的一段時間，在這段時間內(nèi)柱身不受吊車荷載的影響，僅存在廠房結(jié)構(gòu)本身的恒載。對于各柱，通過統(tǒng)計其最大間歇時間、最小間歇時間和平均間歇時間來反映其時間特性。間歇時間越長，柱受吊車循環(huán)荷載作用影響的程度就越小。

基于吊車實地工作強度的調(diào)查數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理得到表1~4。

此次調(diào)查的車間是切割車間，吊車A的3、4號柱是鋼板裝卸貨位置，吊車B的1、2號柱是鋼板裝卸貨位置，吊車在此處起吊鋼板至其他位置，操作頻率最高。其余位置為等離子切割機位置，在切割任務(wù)開始前與結(jié)束后進行鋼板的吊裝。根據(jù)上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得到吊車A的2、3、4、5號柱與吊車B的1、2、3號柱所承受的循環(huán)荷載最大、頻率最高，且總的受荷時間最長。

由上述分析，可以看出吊車運行時對各柱產(chǎn)生的載荷，無論是頻率、大小，都是相當(dāng)高的，我們選取受吊車荷載影響程度最高的幾個柱作為主要研究對象來進行分析，平均加載周期的范圍為134.8~219.0s，整個工作日的周期數(shù)量在33~64次，平均間歇時間的范圍為81.6~247.7s，如表5所示。

表1　吊車 A實地調(diào)查中各柱加載時間特性統(tǒng)計表(9月28日)

表2　吊車 B實地調(diào)查中各柱加載時間特性統(tǒng)計表(9月28日)

表3　吊車 A實地調(diào)查中各柱加載時間特性統(tǒng)計表(9月29日)

表4　吊車 B實地調(diào)查中各柱加載時間特性統(tǒng)計表(9月29日)

表5　吊車實地調(diào)查中加載最頻繁柱的時間特性統(tǒng)計表

2.2荷載統(tǒng)計

為研究吊車運行對基礎(chǔ)的影響，我們統(tǒng)計得到吊車運行荷載的一般規(guī)律。在計算過程中忽略吊車的起步加速度以及小車在軌道梁間不同位置對兩柱受力的影響，簡化為按照最不利情況，即始終計算大車最大輪壓Pmax對各柱受力的影響，其中大車最大輪壓Pmax可根據(jù)圖2中小車橫向運行示意圖按式(1)求得。

(1)

式中：P0為吊車總重(包括小車和電磁吊裝置)；P1為小車重量；P2為電磁吊重量；n為大車車輪總數(shù)；P為起重量；L為吊車跨度，即軌距(參見圖2)；L1為電磁吊(或小車)中線至吊車梁中線最小距離，即小車和吊梁裝置移動的極限位置(參見圖2)。

參數(shù)取值如表6所示。

此次調(diào)查的電磁吊大車在每側(cè)有4個車輪，當(dāng)小車位于L1位置時，四個車輪的荷載均為Pmax。對于各柱(柱距12m)而言，大車行進時，柱所承擔(dān)的荷載因4個車輪位于不同位置而變化，如圖3所示。根據(jù)影響線計算，當(dāng)2號或3號車輪位于柱位置時，此時該柱承擔(dān)的吊車荷載最大。

本文選取了9月29日吊車B在130~136分鐘期間，2號柱的受力過程，如圖4所示?？梢钥闯觯?dāng)2號車輪或3號車輪恰好作用在柱上時，該柱受力達到峰值。該柱29日所承受吊車作用的全過程統(tǒng)計圖如圖5所示。

圖3　各柱受力計算示意圖 Fig.3 Schematic of the force calculation of the column

P/kNL/mn/個P0/kNP1/kNP2/kNL1/m-34.5810501601401.5

圖4　各輪對2號柱的綜合影響 Fig.4 Combined effects of each wheel on the 2 nd column

圖5　2號柱的加載時程曲線 Fig. 5 Time-history curve of the loading of the 2 nd column

2.3吊車循環(huán)荷載波形

為研究吊車循環(huán)荷載對基礎(chǔ)沉降的影響，需進一步給循環(huán)荷載下樁的模型試驗提供加載周期、大小等加載特性，即提供適用于吊車循環(huán)荷載的波形。根據(jù)上述運行周期和荷載統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，吊車循環(huán)荷載的加載波形可簡化為三角波，如圖6所示。其中Qc為實測工作荷載大小，可根據(jù)具體工程選取相應(yīng)的數(shù)值。

圖6　吊車循環(huán)荷載加載波形 Fig.6 Cyclic loading waveform for cranes

3實測統(tǒng)計結(jié)果驗證

從統(tǒng)計結(jié)果可以看到，現(xiàn)實中的吊車運行狀況，吊車對支撐結(jié)構(gòu)的實際載荷作用十分復(fù)雜，不是簡單的二維載荷作用，而是一種無規(guī)律的三維載荷作用。這些近似于無規(guī)律的載荷作用包括上一節(jié)所提到的各種載荷，同時也和許多人為因素有關(guān)，比如當(dāng)前的生產(chǎn)計劃任務(wù)、需要頻繁吊裝到特定位置等。因此，本文對吊車運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并進行了部分簡化處理，忽略了小車垂直于大車移動位置的移動，吊車梁的兩邊均按照最不利情況，即小車走至距離吊車梁最近位置來進行計算，忽略了沖擊載荷以及水平載荷等因素的影響，即僅考慮自重載荷以及起吊載荷。并基于《起重機設(shè)計規(guī)范GB/T3811-2008》[10]建立了運行周期及荷載簡化計算方法，并將計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比，以驗證本次實測數(shù)據(jù)的可信性。

3.1運行周期簡化計算

根據(jù)吊車?yán)玫燃?，可以確定出吊車的平均循環(huán)運行周期，在該循環(huán)周期假設(shè)下，可以簡單估算出樁的循環(huán)承載性狀。假設(shè)吊車是在梁上均勻行駛，則根據(jù)吊車的工作制確定的以上參數(shù)，能夠得到吊車作用的循環(huán)承載性狀即運行周期如下。

(2)

根據(jù)圖1，假設(shè)吊車在吊車梁上始終按照從0-10往復(fù)行駛，每循環(huán)運行一次，對于1-9號柱均有2次循環(huán)加卸載，加載周期為T/10，每個柱每兩個間歇周期之和為4T/5；0、10號柱均有一次循環(huán)加卸載，加載周期為T/10，加載間歇時間為9T/10。

3.2荷載簡化計算

計算吊車對柱作用的最大荷載時，同對吊車梁作用的最大荷載類似，故可采取吊車輪壓標(biāo)準(zhǔn)值(由影響線確定處于對計算點最不利的位置)、吊車軌道及其連接件和吊車梁自重標(biāo)準(zhǔn)值共同作用下計算點處的應(yīng)力值。吊車的起吊載荷連同自重載荷對承載結(jié)構(gòu)的作用隨時間以及起升位置改變而改變，通過疊加吊車各輪對吊車梁的作用，將吊車對吊車梁作用換算成對各柱的載荷，進而得到了柱的承載時間規(guī)律。

在吊車循環(huán)荷載的簡化計算中，我們假設(shè)各設(shè)計指標(biāo)的計算點位置，荷載等效位置為吊車重心處，即取吊車輪中心位置，根據(jù)吊車的工作制級別，通過下式來進行計算，得到不同工作制下的吊車平均起升載荷Pav。

Pav=KpP

(3)

式中:Kp為名義荷重譜系數(shù)，可根據(jù)起重機的荷重狀態(tài)由表7確定，P為最大起吊載荷，可由起重機參數(shù)確定。

表7　起重機的荷重狀態(tài)及荷重譜系數(shù) [10]

3.3統(tǒng)計結(jié)果驗證

對于提出的運行周期簡化計算方法，以實地調(diào)查的A6吊車為例，假設(shè)每年吊車工作300個工作日，每個工作日運行8小時，那么根據(jù)式(2)有：

對于0-10號柱，每個循環(huán)加載時間為T/10=21.6s，對于0、10號柱每循環(huán)間歇時間為9T/10=194.4s，對于1-9號柱，每兩個間歇周期之和為4T/5=172.8s。與表5中實測結(jié)果相比，計算得到的每循環(huán)加載時間與統(tǒng)計得到的每循環(huán)最小周期接近，計算得到的間歇時間與統(tǒng)計得到的間歇時間相比較稍小。

對于提出的荷載簡化計算方法，以實地調(diào)查的A6吊車為例，吊車起升荷載均在3t左右，最高不超過5t。與吊車及其電磁吊自重105t相較要小許多，故吊車荷載為108t。實地調(diào)查吊車的最大起升荷載P為20t，由吊車荷重狀態(tài)為Q1可確定名義荷重譜系數(shù)Kp為0.125。根據(jù)荷重譜系數(shù)方法，式(3)計算得到起升荷載為2.5t，故吊車荷載為107.5t。與實測結(jié)果得到的108t基本一致。

由上述分析可得，實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到的吊車運行規(guī)律與基于規(guī)范的簡化計算結(jié)果相近。驗證了本次實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)的可信性，同時為上述模型試驗中吊車循環(huán)荷載波形的選取提供了依據(jù)。

4結(jié)論

通過人工記錄的方式對船廠的吊車運行情況進行了記錄，并通過對采集數(shù)據(jù)進行處理，建立起了適合造船基地的吊車循環(huán)荷載的加載波形，并以規(guī)范制定的吊車工作制級別為依托，建立了吊車運行規(guī)律的簡化分析方法，得到如下結(jié)論：

(1)對吊車廠房吊車運行規(guī)律的實測統(tǒng)計，得到了大量吊車運行荷載及運行周期的實測數(shù)據(jù)，為進一步循環(huán)荷載下樁的模型試驗提供了吊車循環(huán)荷載的加載波形，即三角波。

(2)基于規(guī)范制定的吊車工作制級別建立了吊車運行規(guī)律的簡化分析方法，其計算結(jié)果與實測結(jié)果相近，驗證了本次實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)的可信性，同時為上述模型試驗中吊車循環(huán)荷載波形的選取提供了依據(jù)。

(3)本文獲得的吊車循環(huán)荷載三角波波形為類似吊車循環(huán)荷載下的模型試驗提供了波形。針對目前造船基地等需要建設(shè)此類重、大、高、深基礎(chǔ)的實際工程，有著降低建造成本，保證工程安全的重大意義。

(4)本文所調(diào)查的該類吊車和廠房在造船基地是較為典型的，使用頻率較高，僅進行兩天的現(xiàn)場實測統(tǒng)計，能夠較好的反應(yīng)吊車短期工作運行規(guī)律，不能反應(yīng)吊車長期運行規(guī)律，為更準(zhǔn)確獲取現(xiàn)場加載時程曲線，需進一步對現(xiàn)場進行長期監(jiān)測。

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[10]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn), 《起重機設(shè)計規(guī)范》(GB/T3811-2008), 2008.

第一作者孔凡男，博士，講師，1984年1月生

通信作者李書進男，教授，博士生導(dǎo)師，1967年7月生