高 文

(四川工業(yè)科技學(xué)院交通學(xué)院，四川成都 618013)

利用屋架承重吊點(diǎn)和卷?yè)P(yáng)機(jī)-繩索裝置，通過(guò)捆于廠房柱腳、柱頂和屋架吊點(diǎn)的滑輪，將廠房結(jié)構(gòu)和卷?yè)P(yáng)機(jī)-繩索裝置連在一起，構(gòu)成一個(gè)完整的動(dòng)力工作系統(tǒng)，用于吊裝橋式行車設(shè)備，是一個(gè)比較實(shí)用和經(jīng)濟(jì)的工作系統(tǒng)。由于動(dòng)力工作系統(tǒng)在起吊過(guò)程中涉及結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性，施工過(guò)程中需由廠房設(shè)計(jì)和吊裝單位共同設(shè)計(jì)，共同完成(圖1)。

圖1 利用屋架吊裝示意

我國(guó)西南某廠利用這個(gè)系統(tǒng)，吊裝了150 t淬火橋式行車橋架與小車，吊裝了雙-125 t和320 t橋式行車的小車。

這個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，過(guò)去都是模擬成靜態(tài)，選用安全系數(shù)進(jìn)行估算的，不能反映真實(shí)情況。本文經(jīng)過(guò)研究分析，提出了一套動(dòng)力系數(shù)的計(jì)算公式，解決了這個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力計(jì)算問(wèn)題。

在現(xiàn)階段受限于大型起重設(shè)備不能進(jìn)入一些車間跨度小、行車設(shè)備安裝位置高，及安裝一些機(jī)械設(shè)備大件；利用橋架或者扒桿，通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)-繩索裝置吊裝重物的動(dòng)力工作系統(tǒng)，有實(shí)用價(jià)值。其動(dòng)態(tài)反應(yīng)也可應(yīng)用本文提出的計(jì)算方法進(jìn)行分析。

1 動(dòng)態(tài)研究分析

以較為復(fù)雜的荷重離地吊裝階段進(jìn)行動(dòng)力分析。為了簡(jiǎn)化動(dòng)力計(jì)算，特作如下假設(shè)。

假設(shè)一，屋架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)本來(lái)是一個(gè)無(wú)限多自由度的動(dòng)力系統(tǒng)。根據(jù)文獻(xiàn)[1-2]說(shuō)明，如果只研究屋架橫向振動(dòng)，在保證系統(tǒng)第一固有頻率足夠精確性的基礎(chǔ)上，可將承受均布質(zhì)量m的桁架結(jié)構(gòu)換算為一個(gè)無(wú)重、跨中承受一個(gè)集中質(zhì)量M=0.5 mL及兩個(gè)支點(diǎn)各承受M=0.25 mL的簡(jiǎn)支梁振動(dòng)系統(tǒng)。振動(dòng)時(shí)，兩個(gè)支點(diǎn)不動(dòng)，只有跨中一個(gè)質(zhì)量振動(dòng)。

假設(shè)二，卷?yè)P(yáng)機(jī)的張力是通過(guò)捆于柱跟、柱頂及承重吊點(diǎn)上滾輪的跑繩用以吊裝重物的。跑繩質(zhì)量及跑繩產(chǎn)生最大位移時(shí)的長(zhǎng)度變化，可以忽略。

假設(shè)三，放在地面上的荷載，由于卷?yè)P(yáng)機(jī)等速起動(dòng)，鋼繩按直線拉長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)上的荷載也按直線增加，直到起動(dòng)時(shí)間TQ時(shí)，荷載離地，屋架結(jié)構(gòu)與繩索開始振動(dòng)。根據(jù)文獻(xiàn)[1]的研究資料，屋架與荷載兩個(gè)質(zhì)量的二階振動(dòng)，很快會(huì)衰減，鋼繩不再伸長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)受到不變的荷載作用，荷載與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量按同一頻率振動(dòng)。

按照以上假設(shè)，荷載起動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)的作用力見圖2。

圖2 荷載起動(dòng)時(shí)的作用力

對(duì)這樣的斜坡函數(shù)激勵(lì)，系統(tǒng)的最大響應(yīng)發(fā)生在t>TQ時(shí)。荷載離地后，整個(gè)系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為一個(gè)自由度系統(tǒng)的振動(dòng)問(wèn)題。

當(dāng)卷?yè)P(yáng)機(jī)等速起動(dòng)，直到時(shí)間達(dá)到起動(dòng)時(shí)間TQ，荷載離地。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，荷載起動(dòng)時(shí)間TQ可簡(jiǎn)化為:

(1)

式中：Yh是荷載引起屋架結(jié)構(gòu)的靜變位；Ys為荷載引起鋼繩的伸長(zhǎng)；v0為卷?yè)P(yáng)機(jī)出卷筒時(shí)的速度。當(dāng)時(shí)間t=TQ荷載離地后，荷載與結(jié)構(gòu)按同一頻率振動(dòng)。結(jié)構(gòu)恒重與重物質(zhì)量M=Mh+Mz的振動(dòng)微分方程為：

(2)

式中：Mh為結(jié)構(gòu)換算點(diǎn)的集中質(zhì)量；Mz為外荷的質(zhì)量；ch+s為系統(tǒng)的剛度=結(jié)構(gòu)剛度ch和鋼繩剛度cs；Qz為外荷重量。

設(shè)p為系統(tǒng)的圓頻率：

(3)

可將式(2)改寫為：

(4)

以荷重離地時(shí)間t=0時(shí)，初速度為v0，在動(dòng)力荷載作用下，微分方程(4)的解為：

(5)

式中：Yh+z為系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)荷載與外荷重產(chǎn)生的靜位移。

(6)

引入動(dòng)力系數(shù)μ概念[5]，即動(dòng)力作用引起的位移幅值與靜力位移的比值。則：

(7)

(8)

其中，φ=tan-1ε。

(9)

由式(9)知：

(1)動(dòng)力系數(shù)μmax的大小，基本上由卷?yè)P(yáng)機(jī)出卷筒的速度v0決定。

(2)當(dāng)速度v0→0時(shí)，μmax→2。

(3)當(dāng)速度v0越大時(shí)，μmax>2。

2 實(shí)例

一榀屋架跨長(zhǎng)25.3 m，本身自重加恒重為1 595.26 kg/m，起重40.8 t。屋架均勻質(zhì)量換算為集中質(zhì)量Mh=0.5ml=2 059.19 (kg-s2)/m，重物質(zhì)量Mz=4 163.27(kg-s2)/m，體系總質(zhì)量M=6 222.455 (kg-s2)/m，屋架剛度ch=2.99×106kg/m，屋架在荷載下的靜位移Yh=6.75mm，在屋架荷載及外荷作用下系統(tǒng)靜位移Yh+z=10.23mm。

吊裝方案中，選用5 t慢速卷?yè)P(yáng)機(jī)，出卷筒速度為131.95 mm/s，選用鋼絲繩直徑19.5 mm,繩長(zhǎng)190 m,鋼繩剛度cs=2.959×106kg/m。體系剛度ch+s=ch+cs=5.949×106kg/m。體系振動(dòng)周期0.203 s，系統(tǒng)園頻率p=30.95 s-1，起動(dòng)時(shí)間TQ=0.155 32 s。理論計(jì)算系統(tǒng)動(dòng)力系數(shù)μmax=2.083。

在現(xiàn)場(chǎng)吊裝過(guò)程中，采用經(jīng)緯儀測(cè)得相對(duì)靜位移的最大動(dòng)態(tài)位移10 mm左右。對(duì)應(yīng)系統(tǒng)動(dòng)力系數(shù)μmax在2.0左右。

現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)與實(shí)例計(jì)算結(jié)果基本一致。

3 研究結(jié)論

(1)實(shí)例計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)基本一致。

(2)動(dòng)力系數(shù)的大小，基本上由卷?yè)P(yáng)機(jī)出卷筒的速度決定。出卷筒速度小，則動(dòng)力系數(shù)小。為此，在使用這個(gè)方式吊裝重物時(shí)，必須選用慢速卷?yè)P(yáng)機(jī)慢速、等速起動(dòng)；慢速、等速運(yùn)行；如需停車，必須慢速停車，就可達(dá)到動(dòng)力系數(shù)小的效果。

(3)對(duì)于慢速卷?yè)P(yáng)機(jī)出卷筒速度的要求，建議土建設(shè)計(jì)部門在核定屋架及立柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中，對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力系數(shù)μ取值為2.1。

4 實(shí)施建議

利用屋架承重吊點(diǎn)吊裝重物，其吊裝方案和動(dòng)力計(jì)算工作，必須在建設(shè)單位和監(jiān)理單位參與下，按住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部《危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程安全管理規(guī)定》辦理，由廠房設(shè)計(jì)單位與吊裝單位共同完成。實(shí)施工作大體分為三個(gè)階段。

第一階段：設(shè)計(jì)院根據(jù)建設(shè)單位要求，進(jìn)行屋架承重吊點(diǎn)設(shè)計(jì)。

第二階段：吊裝單位提出吊裝方案建議稿后，經(jīng)和設(shè)計(jì)、監(jiān)理與建設(shè)單位研究、討論、相互評(píng)審、確認(rèn)后，形成正式吊裝方案。

第三階段：建設(shè)單位提供現(xiàn)場(chǎng)條件，吊裝單位安設(shè)吊裝的裝置并按審批后的吊裝方案進(jìn)行吊裝，監(jiān)理單位對(duì)吊裝作業(yè)進(jìn)行旁站監(jiān)理測(cè)量標(biāo)記，所有參與單位各施其職，各負(fù)其責(zé)，共同完成吊裝工作。