Общая характеристика

Подкрановые конструкции

Подкрановые конструкции предназначены для восприятия нагрузок от подъемно-транспортного оборудования. Основным видом такого обо­рудования являются мостовые опорные и подвесные краны.

Подкрановые конструкции под мостовые опорные краны состоят из подкрановых балок или ферм, воспринимающих вертикаль­ные нагрузки от кранов; тормозных балок, воспринимающих поперечные горизонтальные воздействия; связей, обеспечивающих жесткость и неизменяемость подкрановых конструкций; узлов крепле­ния подкрановых конструкций, передающих крановые воздействия на колонны; крановых рельсов с элементами их крепления и упоров.

Основные несущие элементы подкрановых конструкций - подкра­новые балки могут иметь различную конструктивную форму. Наиболее часто применяются сплошные подкрановые балки как разрезные, так и неразрезные.

Разрезные подкрановые балки проще в монтаже, нечувствительны к осадке опор, однако имеют повышенный расход стали.

Неразрезные балки на 12 - 15 % экономичнее по расходу металла, но более трудоемки при монтаже из-за устройства монтажных стыков. Кроме того, при осадке опор в них возникают дополнительные напря­жения. Упругую осадку опор можно оценить коэффициентом

,(1)

где Δ - перемещения опоры от единичной силы (с учетом осадки фундамента);

EI - жесткость подкрановой балки;

l - пролет балки.

При с≥0,05 неразрезные балки применять не рекомендуется. Не рекомендуется их применять также при просадочных грунтах.

При легких кранах (Q≤30 т) и больших шагах колонн целесообразны решетчатые подкрановые балки с жестким верхним поясом. Их применение позволяет на 15 - 20 % снизить расход стали по сравнению с разрезными сплошными балками. К недостаткам решет­чатых балок относятся повышенная трудоемкость изготовления и мон­тажа и более низкая долговечность при кранах тяжелого режима ра­боты.

При пролетах 24 м и более и кранах боль­шой грузоподъемности применяются подкраново-подстропильные фер­мы, объединяющие в себе подкрановую балку и подстропильную фер­му. Экономичность таких конструкций возрастает с уве­личением шага колонн и составляет 4 - 6 % при шаге колонн 24 м и 12 - 16 % при шаге 36 м. Однако такие фермы сложны в изготовлении и монтаже.

Подвесные краны (кран-балки) имеют, как правило, небольшую грузоподъемность (до 5 т) и перемещаются по путям, прикрепляемым к конструкциям покрытия или перекрытия. Применяются двух-, трех- и многоопорные краны. Катки крана перемещаются непосредственно по нижним поясам балок путей. Основным видом путей яв­ляются прокатные или составные балки, устанавливаемые по разрезной или неразрезной схеме. При пролете путей 12 м возможно применение перфорированных балок

Крановые нагрузки

Нагрузки от крана передаются на подкрановую конструкцию через колеса (катки) крана, расположенные на концевой балке кранового мо­ста. В зависимости от грузоподъемности крана с каждой стороны моста могут быть два, четыре катка и более (рис. 1, а, б).

Подкрановые конструкции рассчитывают, как правило, на нагрузки от двух сближенных кранов наибольшей грузоподъемности (рис. 1, в) с тележками, приближенными к одному из рядов колонн, т. е.

Рис. 1. Схема нагрузок от мостовых кранов

а, б- четырех- и восьмиколесного: в - двух сближенных четырехколесных

в положении, при котором на подкрановые конструкции действуют наи­большие вертикальные силы. Одновременно к балке прикладываются и максимальные поперечные горизонтальные усилия.

Расчетные значения вертикальных и горизонтальных сил определя­ют по формулам:

, , (2)

где k₁, k₂-коэффициенты динамичности, учитывающие ударный характер нагрузки при движении крана по неровностям пути и на стыках рельсов и принимаемые по СНиП в зависимости от групп режимов работы крана и пролета подкрановых балок;

γ_f - коэффициент надежности по нагрузке;

ψ - коэффициент сочетания нагрузок;

F_kⁿ - максимальное усилие на катке крана (принимают по ГОСТам на краны);

T_kⁿ определяют по формуле:

. (3)

При расчете подкрановых конструкций под краны групп режимов работы 5К – 6К и 7К – 8К учитывается горизонтальная нагрузка, вы­зываемая перекосом крана, поэтому силу T_kⁿ определяют по формуле

. (4)

При расчете подкрановых конструкций на выносливость расчетную вертикальную нагрузку определяют умножением нормативной нагрузки F_k на коэффициенты: при кранах среднего режима работы - 0,6; при кранах тяжелого и весьма тяжелого режимов - 0,8. Расчет выполняют на нагрузку от одного крана.

Проверку жесткости подкрановых балок также выполняют на на­грузку от одного крана с коэффициентом перегрузки γ_f =1,0 и без учета коэффициента динамичности.

Тормозные балки, используемые как площадки для обслуживания и ремонта крановых путей, рассчитывают на временную нагрузку, прини­маемую по техническому заданию.

Собственный вес подкрановых конструкций принимают по спра­вочным данным. Допускается учи­тывать влияние собственного ве­са подкрановых конструкций и временной нагрузки на тормозных балках умножением расчетных усилий от вертикальной крано­вой нагрузки на коэффициент α, равный: для балок пролетом 6 м - 1,03; 12 м - 1,05; 18 м - 1,08.

Особенности действительной работы подкрановых конструкций

Работа подкрановых конструкций в период эксплуатации весьма сложна и существенно отличается от работы обычных балочных конст­рукций. Это обусловлено спецификой нагрузки, характером ее прило­жения и отличием реальной и расчетной схем конструкции.

Сосредоточенная вертикальная крановая нагрузка, достигающая больших величин (до 800 кН), прикладывается в любой точке по длине балки и приводит к появлению в стенке сложного напряженного состояния при высоком уровне напряжений.

Вследствие внецентренного приложения вертикальной нагрузки (при случайных смещениях рельса с оси подкрановой балки) и поперечных горизонтальных сил, приложенных в уровне головки рельса, на верхний пояс балки действует дополнительный крутящий момент, вызывающий изгиб стенки. Вертикальные и боковые воздействия кранов носят дина­мический характер и часто сопровождаются рывками и ударами. Этому способствуют неровности кранового пути и перепады в стыках рель­сов. Все это приводит к появлению в подкрановых конструкциях повре­ждений в виде усталостных трещин, расстройства соединений, ослабле­ния узлов и нарушает нормальную эксплуатацию.

Основными повреждениями подкрановых балок являются трещины в верхнем поясном шве и околошовной зоне, повреждения швов крепления тормозных конструкций к подкрановым балкам, повреждения элемен­тов узлов крепления балок к колоннам. Преждевременному появлению повреждений способствуют дефекты изготовления и монтажа конструк­ций: низкое качество сварки, неточный монтаж, смещения рельса с оси подкрановой балки и т. д.

В наиболее тяжелых условиях работают подкрановые конструкции в зданиях, где эксплуатируются краны тяжелого и весьма тяжелого ре­жимов работы при круглосуточном их использовании и систематичес­ком перемещении грузов, близких к предельной грузоподъемности кра­нов. Такие краны называют кранами особого режима работы. Они отли­чаются высоким уровнем силовых воздействий и большим числом циклов загружения (2∙10⁶ и более).

Нормы проектирования относят подкрановые конструкции к 1-й груп­пе конструкций и регламентируют ряд специфических требований, ко­торые необходимо учитывать при их проектировании. К мероприятиям, повышающим долговечность подкрановых конструкций, относятся:

1) разработка конструктивных решений, отвечающих действительным условиям работы подкрановых конструкций;

2) максимальное снижение концентрации напряжений;

3) использование сталей, обладающих повы­шенной вибрационной прочностью;

4) повышение качества изготовления и монтажа;

5) обеспечение постоянного надзора за состоянием подкра­новых конструкций и своевременное устранение повреждений.

Конструктивные решения подкрановых балок

Типы сечения подкрановых балок зависят от нагрузки, пролета и режима работы кранов. При пролете 6 м и кранах грузоподъемностью до 50 т обычного режима работы применяют прокатные двутавры, уси­ленные для восприятия горизонтальных сил листом или уголками (рис. 2, а), либо сварные двутавры несимметричного сечения (рис. 2, б). Для больших пролетов и грузоподъемностей кранов применяют сварные двутавровые балки с горизонтальной тормозной конструкцией (рис. 2, в). При кранах грузоподъемностью до 50 т рациональны бал­ки составного сечения из широкополочных тавров с тонкой стенкой-вставкой.

Для снижения расхода стали сварные балки иногда проектируют из двух марок стали: стенку - из малоуглеродистой, пояса - из низколе­гированной.

Рис. 2. Типы сечений сплошных подкрановых балок

а - прокатные двутавры: б - несимметричный составной двутавр; в- симметричный составной двутавр с тормозной конструкцией; г - составное сечение с поясами из тавров; д - двутавр с усиленным верхним поясом; е - двухстенчатое сечение; ж- клепаное сечение

Рис. 3. Тормозные балки

а, б, в - по крайним рядам; г, д - по средним рядам; 1 - листовой шарнир;

2 - ребро жесткости; 3 - вспомогатель­ная ферма; 4 - связевая ферма

Высокая интенсивность работы кранов 5К-8К режимов работы приводит к появлению повреждений в верхней зоне стенки подкрановых ба­лок. Для снижения уровня местных напряжений в стен­ке таких балок, возникающих от внецентренного приложения крановой нагрузки, целесообразно увеличить крутильную жесткость верхнего пояса путем постановки вертикальных или наклонных элементов (ламелей) (рис. 2, д) или использовать двустенчатые сечения (рис. 2, е).

Рис.12.4 – Схемы тормозных и связевых ферм

а – тормозная ферма по крайнему ряду; б – то же, по среднему ряду; в – связевая ферма по нижним поясам балок

Применение под краны особого режима работы балок из широ­кополочных тавров (рис. 2, г) также позволяет повысить их долговеч­ность, т.к. в этом случае сварной шов, являющийся концентрато­ром напряжений и источником остаточных сварочных напряжений, пе­реносится в менее напряженную зону стенки.

Клепаные балки тяжелее сварных и более трудоемки в изготовле­нии. Однако благодаря более мощному верхнему поясу, состоящему из уголков и горизонтальных листов, а также из-за отсутствия сварочных напряжений, большей податливости соединения поясов со стенкой и рас­пределения давления пояса на большую длину такие балки более долговечны. Поэтому в зданиях заводов черной ме­таллургии с кранами весьма тяжелого режима работы (7К – 8К) клепаные балки применяют в виде исключения и в настоящее время. Поскольку процесс клепки весьма трудоемок и требует специального оборудования, име­ются предложения о замене заклепок в подкрановых балках высоко­прочными болтами, постановка которых проще.

Применение высокопрочных болтов можно также рекомендовать при замене ослабленных заклепок и усилении клепаных балок в действую­щих цехах.

При пролете балок 6 м и кранах легкого и среднего режимов рабо­ты грузоподъемностью до 50 т для восприятия горизонтальных попереч­ных сил достаточно развить сечение верхнего пояса (рис. 2, а, б). При больших пролетах балок и для кранов грузоподъемностью 50 т и больше устраивают специальные тормозные конструкции - тормозные балки или фермы. Фермы экономичнее по расходу стали, но сложнее в изготовлении и монтаже, поэтому при ширине тормозных конструкций (расстоянии от оси балки до наружной грани тормозной конструкции на крайних рядах или до оси смежной балки на средних рядах) до 1,25 м обычно применяются тормозные балки со стенкой из рифленого листа толщиной 6-8 мм (рис. 3, а). Применяются также тормозные балки, выполненные из гнутого листа (рис. 3, б). Для крайних рядов поя­сами тормозной балки являются верхний пояс подкрановой балки и окай­мляющий швеллер или пояс вспомогательной фермы. При пролете балок 12 м наружный пояс крепится к стойке фахверка. Для того чтобы го­ризонтальные смещения балок не передавались на стену здания, это крепление выполняется с помощью листового шарнира (рис. 3, а). По средним рядам поясами тормозной балки являются верхние пояса ба­лок смежных пролетов (рис. 3, г, д).

Листы тормозных балок приваривают к поясам сплошным швом с подваркой с нижней стороны. Для обеспечения местной устойчивости и предотвращения случайных погибов тормозные листы снизу укрепля­ют ребрами жесткости сечением не менее 65х6; шаг ребер 1,5 - 2 м.

При ширине тормозных конструкций свыше 1,25 м целесообразно применение тормозных ферм с треугольной решеткой и дополнительными стойками (рис. 4, а, б). Для обеспечения большей компактности уз­лов допускается центрировать элементы решетки на кромку пояса балки.

В зданиях с кранами особого режима работы независимо от ширины тормозных конструкций обычно применяют тормозные балки, используе­мые как площадки для прохода и обслуживания путей и кранов. Чтобы избежать чрезмерных колебаний нижних поясов подкрановых балок, их свободная длина не должна превышать 12 м. Для этого между нижни­ми поясами балки и вспомогательной фермы устанавливают легкие связевые фермы, все элементы которых подбирают по предельной гибкости = 200 (рис. 4, в). При кранах режимов работы 5К-8К гибкость поясов должна быть не более 150.