建筑钢结构进展第６卷第４期２００４年３３考虑吊车性能优化的钢结构优化设计柴ＪＪ｝武人岱刘迎春（中国钢结构协会）摘近年来，国内一些起重机厂家开发了性能优化的轻量系列吊车产品，其轮压值及小车重量较旧有系列吊车显著减轻，当钢结构厂房应用此类吊车时，可较大幅度的降低吊车梁与刚架的用钢量。本文介绍了按新旧系列不同参数计算吊车梁及门式刚架用钢量的结果比较及量化的规律分析，有助于钢结构设计中扩展思路与优化设计。关键词优化设计；吊车；吊车梁；门式刚架；用钢量要２吊车性能参数的比较３０写。可见吊车荷载作用对钢结构厂房结构的经济性有着较大的影响。但设计时所依据的吊车参数（轮压、大车及小车重量等），由于多年来没有国家的统一标准，现仍由各吊车厂家自行提供。从常用数据看这些参数多年来也几乎没有变化，这表明目前实际供货的吊车仍是较早系列的产品。实际上，随着科学技术的发展与进步，起重机的生产制造技术与性能也在不断发展与优化中。近年来国内外一些起重机企业已推出一种优化性能系列的轻量桥式起重机，在具有同种起重功能的条件下，其自身重量与轮压显著减轻，所要求的小车净空尺寸也可减小。但由于此类吊车的成本与售价较高，故实际较少应用。而从优化设计的概念考虑，这里却存在着一个优化链，即业主选购性能优化的轻量吊车（支出稍多的设备费用）一一获得吊车良好的使用功能一一附加获得较优化的设计一一获得工程减轻荷载，减少用钢量及造价的经济回报。当此回报大于设备增加费用而使业主受益时，则可认为这一优化设计方案是可行的。但在业主决策时，并不了解这一回报效 柴叙，男，１９３４年２月生，１９５３年毕业于重庆建筑工程学院，一直从事钢结构工程设计、科研工作，现任中国钢结构协会专家委员会副主任委员，教授级高级工程师，《钢结构》杂志编委会副主任。武人岱，男， １９３１年生，１９５２年毕业于唐山铁道学院，教授级高级工程师，现为中国钢结构协会专家委员会委员。益，往往仅根据吊车的设备价格取舍，选购早期系列的吊１引言车，这样也就失去了一个优化的机会，此时很需要结构工在工业建筑厂房中， 各类桥式吊车被普遍用作厂内吊提出优化咨询的建议。运作业的有效工具，同时其重力荷载与制动力作用也成为程师的帮助，本文结合一项技术咨询工作， 实际计算、分析比较了结构承重骨架的主要荷载。数据分析表明同类型的门式不同构件的优化效果等，其结论可对扩展刚架结构，当设有桥式吊车时，其用钢量一般会增加３０００上述优化条件，－４０ ０ ｏ，其中吊车梁构件的用钢量约占总用钢量的２０００，设计思路进行优化设计提供参考。对较大型工业厂房钢结构（如机械与轧钢车间等），吊车梁（包括制动结构）构件的用钢量更将占总用钢量的２５０ｏ＾－ 表１示出了国内某厂家轻量吊车的小车重量减轻幅度比较，表２示出了国内某合资厂家轻量吊车主要参数与国内厂家非轻量吊车（现工程常用）相应参数的比较。由于国内吊车厂家一般不主动或不愿向客户提供较 详细的吊车资料，故表１仅列出了小车重量的比较供参考，表２的比较参数则比较完整。本文中将吊车轮压尸与其起重量Ｑ之比定为压重比尸／Ｑ，则比值愈低的吊车更有利于厂房钢结构的优化设计。由表值比较可知轻量吊车的压重比平均为０． ７，而非轻量吊车压重比为１． ３２；轻量吊车轮压的平均减小幅度可达４２００，这主要是小车重量的减轻减小了大车桥架的负荷，进而引起大车重量减轻，最终轮压的减小。小车重量的减小幅度由表１（１０－５０ｔ）知为３４％－３９％，而表２此减少幅度可达６６００＾－７９０ｏ。同时，比较表明轻量吊车小车的竖向净空尺寸要求也可降低约８５０ｍｍ左右，对轻型工业厂房而言，这意味着厂房总高度可降低约１００ｏ，这自然也会带来减轻荷载效应（风、地震）、降低造价、减少能耗的效果。３吊车梁优化设计比较３．１试算比较的条件计算比较的吊车梁跨度选用６ ｍ， ７． ５ｍ，１２ｍ，１８ｍ等万方数据３４Ｖｏｌ． ６ Ｎｏ． ４ ２００４Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｓｔｅｅｌ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ偏中、小的跨度，其中６ｍ，７． ５ｍ梁不设制动结构，１２ｍ及结构计算依据《钢结构设计规范》（ ＧＢＪ １７一８８），计算１８ｍ梁按中列吊车梁计算，设有制动析架，梁均为上、下内容包括梁的内力、截面强度（正应力、剪应力）、整体稳翼缘不对称截面，钢材为Ｑ２３５钢。梁上作用吊车按同时定、局部稳定及挠度、支承加劲肋等项，并调正控制各梁有相同的二台吊车考虑，荷载作用按《建筑结构荷载规的计算控制应力均达到０． ９ ｆ以上（ｆ为强度设计值），以范》（ＧＢＪ９一８７）计算。便相互可比。表１不同系列桥式吊车小车重量比较（ｋｇ）起重量／／ｔ５１０１６２０３２５０８０非轻量吊车１８００３５１０７３００６６００１０８１０１６３００３３０００轻量吊车１６９８２３０３２９９１２９９１５０１１９６１４１６７４８降低率／％５． ６３４５９５５５３． ６４１４９． ２注：数据参照国内同一厂家资料表３吊车梁计算结果比较吊车梁梁截面比较二台吊车计算参数比值跨度吊车起重量吊车荷用钢量造价梁水平／ｍ 八 载类别截面规格重量（ ｔ）降低减少轮压小车重梁竖向ｋｇ／ｍ元／ｍ弯矩弯矩轻量一３５０ Ｘ １４，吊车一６２２ Ｘ ８，０．８６１０ 一２５０只１４０．８ ７． ５（２８． ５ｍ）（一２３％）１４１０．５４４０．２４６０．６０４０．８９非轻量一４００ Ｘ １４，吊车一７７２义１０１． １１一３００只１４轻量２一３３０Ｘ１２１．６５１０ 吊车一９７２Ｘ８ ３５ （２８． ５ｍ）非轻量２一４００ Ｘ １４（一２０％）２２７０．５４４０．２４６０．６８７１．０１吊车一９７２只１０２．０７轻量２一３５０Ｘ１２１２．５ 吊车一９７６Ｘ１０１．８２２．５ ０．６１８０．２１３０．８０７１．０７（２２． ５ｍ）非轻量２一４００ Ｘ １４（一１３％）１４６吊车一９７６只１０２．０７轻量２一３５０只１４一１０７２只１０２．０３１６ 吊车２８．３ １２．０１８４０．６３０．２７１０．７４７０．９８３（２８． ５ｍ）非轻量２一３８０只１６（一１４％）吊车一１１６８又１０２． ３７轻量２一４００ Ｘ １４２０ 吊车一１０７２ Ｘ １０２． １７２２． ５０． ２３８０．８０２１．０２（２５． ５ｍ）非轻量２一４００ Ｘ １６（一１１编）１４６０． ５９吊车２．４４一１１６８Ｘ１０轻量２一４００只１８３２ 吊车一１１６０只１２２． ７７５０ ３２５０． ６３０．３４０． ７４０．９８（２８． ５ｍ）非轻量２一３８０只２０（一１８％）吊车一１４６０只１２３． ３７Ｔｈｅ Ｏｐｔｉｍｕｍ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｔｅｅｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ Ｏｐｔｉｍｕｍ Ｃｒａｎｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ万方数据建筑钢结构进展第６卷第４期２００４年３．２计算结果比较 １２ｍ梁较详细的计算结果比较见表３， ６ｍ，１２ｍ，１８ｍ梁主要计算参数比较见表４ａ由各表比较可小结得到以下各点：１）从计算内力的 ３５因是由于轻量化吊车的轮距减小，引起轮位排列差别影响所致。而水平弯矩由于应计入小车重与吊重两项，并以后者为主，加之轮距大小的差别，故基本上没有增减变化。２）梁重量参数比较表明， 其减轻的幅度约为１０％一００ｏ，分类而言，６ｍ， １２ｍ及１８ｍ梁的各自平均降幅分别参数比较中可知，竖向弯矩减小的幅度均为２００ｏ－ ４００ｏ，３１５％及３０００，总体上此降幅还是较大的，１２ｍ梁其中６ｍ梁降幅最大，约３１０ｏ－３８％，１８ｍ梁次之，约２８００为２５％，－３８％０；再次为１２ｍ梁，约为２０００＾－３０００，其降幅较小的原的降幅较小，其原因与上述相同。表２吊车性能参数的比较起重量／跨度ｔ ／ｍ参数项目吊车总重Ｗ／ｔ轻量吊车１３．２非轻量吊车３２．０１５．８压重比尸／Ｑ轮压减小率小车 净空减少／ｍｍ 减小率／％最大轮压Ｐ／ｔ１０／２８．５８． ６轻量吊车Ｐ／Ｑ＝Ｏ． ８６非轻量吊车尸／Ｑ＝１． ５８１５．８一８．６１５．８ ７６轮距／车宽Ｋ／Ｂ／ｍｍ４０００／４５９８０．８５１０５５９．４６５０００／６３３０３．４６１９２６８７１小车重量ｑ／ｔ轨面上高度Ｈ／ｍｍ吊车总重Ｗ八＝４６％０ ２５．０１４．２最大轮压Ｐ／ｔ１２． ５／２２． ５轮距／车宽Ｋ／Ｂ／ｒｎｍ８． ７３轻量吊车尸／Ｑ＝ ０． ７１４．２一７． ７３１４．２ ７９９０９３１５０／３７４８０．７６５１０７５４７００／５６２０３． ６１９８４非轻量吊车尸／Ｑ＝１． １４小车重量ｑ／ｔ轨面上高度Ｈ／ｒｎｍ＝３８．５０ｏ吊车总重Ｗ／ｔ最大轮压尸八１６／２８．５１４．７３７．０２２．０１３．８６轻量吊车Ｐ／Ｑ＝０． ８７２２一１３．８６２２ ７３８４０轮距／车宽Ｋ／Ｂ／ｍｍ４０００／４６４２１．９７１３１０５１００／６２３４７． ３２１５７３９．０２１．０非轻量吊车Ｐ／Ｑ＝１． ３８，Ｉ、车重量ｑ／ｔ轨面上高度Ｈ八ｒｕｎ吊车总重Ｗ／ｔ最大轮压Ｐ／ｔ２０／２５． ５轮距／车宽Ｋ／Ｂ八ｌｉｍ＝３７％０ １６． ５１２．４轻量吊车Ｐ／Ｑ＝０． ６２２１一１２．４２１ ７６８２６４０００／４６９６１． ５７１２５５５１００／６２３４６． ６２０８１非轻量吊车尸／Ｑ＝１． ０５小车重量ｑ／ｔ轨面上高度Ｈ／ｍｍ吊车总重Ｗ／ｔ＝４１％ ２３．０２２． １５４．０３５．０最大轮压Ｐ／ｔ３２／２８．５轮距／车宽Ｋ／Ｂ／ｍｍ轻量吊车 ４５００／５３９１３． ６８１６５５５６００／６９４０１０．８１２５２４Ｐ／Ｑ＝０． ６９非轻量吊车Ｐ／Ｑ＝１． ０９３５一２２．１３５ ６６８６９小车重量ｑ八轨面上高度Ｈ／ｍｍ一３６． ９％吊车简图一才李ｔＩｚ杰ｊ八又说明：吊车均按中级工作制（Ａ４－Ａ６）考虑Ｋ 一卫７一一一一考虑吊车性能优化的钢结构优化设计万方数据３６Ｖｏｌ． ６ Ｎｏ． ４ ２００４ Ｐｒｏｅｅｌ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｇｒｅｓｓ ｔｏＳｔ表４吊车梁优化设计后主要参数的比较梁跨度／ｍ吊车类型１０／２８． ５ｍ１２． ５／２２． ５ｍ６计算参数的增减比率最大竖向弯矩比０．６２１０．６５５０．６３８０．６８９０．６８６０．６８７１．００９１．０６９０．９８３１．０２２０．６０２０． ７２３０． ６３５０．６７９水平弯矩比梁端反力比梁重量比０．６８０． ６７０．７３０．７６１６／２８． ５ｍ２０／２５． ５ｍ３２／２８． ５ｍ１０／２８． ５ｍ１２． ５／２２． ５ｍ０． ７６０．８００．８７００．８５７０．８０７０．７４７０．８０２０．７３９０．６２４０．７１０．７００．７１４１２１６／２８． ５ｍ２０／２５． ５ｍ０．８８９０．８２２３２／２８． ５ｍ１０／２８． ５ｍ１２． ５／２２． ５ｍ１８０．９７８０．６７８１６／２８． ５ｍ２０／２５． ５ｍ３２／２８． ５ｍ０．７２一０．６８０．７２０．６８０．７００．７０４门式刚架构件优化设计比较４．１试算比较的条件 门式刚架单跨跨度３０ｍ，柱距７． ５ｍ，吊车轨面标高８． Ｏｍ，考虑２台ｌｏｔ吊车作用，风荷载０． ５５ｋＮ ．Ｍ－２， 雪轻量化吊车刚架屋面擦条荷载０． ２５ｋＮ．Ｍ－２，屋面活荷载。．ＡＮ・Ｍ－２。刚架截面均为焊接Ｈ型钢，柱脚刚接于基础。钢材为Ｑ２３５钢，计算软件采用ＰＫＰＭ系列ＳＴＳ软件，计算时，其应力值需控制在０． ９ ｆ以上。非轻量化吊车刚架１／１５Ｌ－３。１１．０００ ００ ８．０００日０ｃ｝门１匕尸｜仁尸｜！｜ｌ０Ｉ７」０１５０００１５０００／、火夕图１门式刚架剖面示意图Ｔｈｅ Ｏｐｔｉｍｕｍ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｔｅｅｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ Ｏｐｔｉｍｕｍ Ｃｒａｎｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ万方数据建筑钢结构进展第６卷第４期２００４年３７４．２计算结果比较１８．６００，即每平方米可减少用钢量８ｋｇ，按现工程造价约计算简图及刚架用钢量比较分别见图１及表５０ 为５０元／ｍ２，此降幅还是较大的。在总降幅中，刚架降幅比重较大，约７０００，吊车梁降幅约占３０００。结合表４的比表５门式刚架用钢，比较较结果，若刚架柱距为６ｍ， ９ｍ或吊车吨位更大时，此总轻量 非轻量 的降幅还将加大到２０％以上。构件吊车刚架吊车刚架说明（ｋｇ・Ｍ－２）（ｋｇ・Ｍ－２）５结语刚架１７．３２３１．用钢量为厂 由文中比较分析可知，考虑吊车优化性能参数的钢 房每平方米结构优化设计效果是明显的，作为一种综合优化设计的的单位用钢 吊车梁７．８思路与有效方法可以在实际设计中应用。这种由吊车梁１０量； 参数与钢结构承载力参数协调互动，最终达到优化设计２次构件包括效果的工程应用在国内已有先例。如在某重型机械厂因次构件９． ５９．５屋面及墙面 擦条、屋盖 生产工艺发展调整需将原桥式吊车起重量由１００吨增加及柱间支撑 为１５０吨，不仅多台吊车全部更新，而且经验算，所有厂总量３４．６ ４２．５ 房排架与吊车梁、基础也需全部加固。难度与投资大且（８１．６％）（１００００）等。 用钢量工期长。后经结构人员与工艺人员共同研究提出将新更降幅减少７．９ 换的吊车轮数（一侧）由４个增加为８个，使得轮压减小，降幅１８．６０ｏ１０００ｏ作用点分散，原结构即可不作加固处理，继续使用。这种仅增加了少量设备费用即获得较高的“性价比”效果回由图１及表５可知： 报，是这种综合优化设计十分成功的典型实例。此外，在 １）轻量化吊车门式刚架的高度因吊车小车高度净国内冶金工厂扩建改建中也有过因新增吊车起重量加空尺寸减小而减小，本例中此减小值为９００ｍｍ，约相当于大，后将吊车缓冲器适当加长（加大了作用在吊车梁上的总高度的８００。此高度降低除直接影响用钢量的减少外吊车轮距）而避免吊车梁加固的成功经验．在这里，互动（已体现在表５数值中），也会造成墙面面积的减小并降协调、综合优化的设计理念是至关重要的。本文的分析低因保温、隔热通风换气等而需要的能耗。比较与上述工程扩建的经验都为我们提供了一种优化设２）为符合工程应用中比较的习惯， 用钢量仍按刚架计的新思路，可以在实际工程中作为借鉴。系统的总用钢量相比较。本例计算表明此总量降幅为Ｔｈｅ Ｏｐｔｉｍｕｍ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｔｅｅｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ＣｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇＯｐｔｉｍｕｍ Ｃｒａｎｅ ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓＣｈａｔ Ｃｈａｎｇ Ｗｕ Ｒｅｎｄａｔ Ｌｉｕ Ｙｉｎｇｃｈｕｎ（Ｃｈｉ ｎａ Ｓｔｅｅｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ）Ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ， ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ｗｅｉｇｈｔ ｃｒａｎｅｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｗｉｔｈ ｂｅｔｔｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．脚ｕｓｉｎｇ ｔｈｅｓｅ ｎｅｗ ｃｒａｎｅｓ， ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｃｏｎ－ｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｃｒａｎｅ ｇｉｒｄｅｒｓ ａｎｄ ｐｏｒｔａｌ ｆｒａｍｅｓ ｃａｎｂｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｄｑｕｉ己ａｓｅｄｑｕｌｑｕｉｔｔｅａｌｅａ ｅ ｌｏｔｏｔ．Ｉｎｌ ． ＴｈｉＴｈ ｓｓ ｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｍ－ｐａｒｉｓｏｎｏｎ ｓｔｅｅｌ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｖａｒｉｏｕｓ ｃｒａｎｅｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｓｏｍｅ ｃｏｎｌｕｓｉｏｎｓ ａｎｄｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｆｏｒ ｏｐｔｉｍｕｍ ｄｅ－ｓｉｇｎ．Ｏｐｔｉｍｕｍ ｄｅｓｉｇｎ； Ｃｒａｎｅ； Ｃｒａｎｅ ｇｉｒｄｅｒ； Ｐｏｒｔａｌ ｆｒａｍｅ； Ｓｔｅｅｌ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ考虑吊车性能优化的钢结构优化设计万方数据
