6. Подкрановая балка

6.1. Компоновка сечения и расчет сплошной сварной подкрановой балки

6.1.1. Особенности работы подкрановых балок

Главные особенности работы подкрановых балок:

– восприятие подвижной вертикальной нагрузки от крана, прикладываемой в любой точке по длине балки и оказывающей динамическое воздействие на балку;

– воздействие сравнительно больших сосредоточенных давлений от колес крана, передающихся через поясные швы на стенку балки и вызывающих ее смятие;

– наличие поперечных тормозных боковых сил, вызывающих изгиб верхней части балки в горизонтальной плоскости;

– на верхний пояс балки действует дополнительный крутящий момент, вызывающий изгиб стенки вследствие внецентренного приложения вертикальной нагрузки (при случайных смещениях рельса с оси подкрановой балки) и поперечных горизонтальных сил, приложенных в уровне головки рельса.

Нормы проектирования относят подкрановые конструкции к первой группе конструкций и регламентируют ряд специфических требований, которые необходимо учитывать при проектировании.

Пример 15. Подобрать сечение подкрановой балки составного двутаврового симметричного сечения под два электрических мостовых крана режима работы 5К грузоподъемностью Q = 100/20 т. Пролет цеха L = 30 м, шаг колонн В = 12 м. Ширина подкрановой части колонны h_н = 1250 мм.

Нагрузки на подкрановую балку приняты по табл. 11: нормативное давление на колеса крана F_кn1 = 450 кН; F_кn2 = 480 кН; вес тележки G_Т = 410 кН; тип кранового рельса КР-120 (ГОСТ 4121-76*). Количество колес на одной стороне крана n₀ = 4.

Материал конструкций – сталь класса С255 (температура эксплуатации t > –40 ^оС). Расчетное сопротивление R = 240 МПа = 24 кН/см² для толщины свариваемых элементов t ≤ 20 мм.

Поясные швы выполняются автоматической сваркой сварочной проволокой марки Св-08А, диаметром d = 4 мм. Расчет швов производится по металлу границы сплавления: R_wz = 166,5 МПа; β_z = 1,15; γ_wz = 1.0; γ_c = 1.0.

Коэффициент надежности по назначению γ_n = 1,0.

6.1.2. Определение расчетных сил и усилий

Нагрузки от крана передаются на подкрановую конструкцию через колеса крана, расположенные на концевой балке кранового моста (рис. 31).

Рис. 31. Схема расположения колес одного крана на рельсе

Схема крановой нагрузки приведена на рис. 32, а.

а)

б)

в)

г)

Рис. 32. К определению расчетных усилий в разрезной подкрановой балке:

а – схема крановой нагрузки от двух кранов; б – невыгоднейшая установка кранов для определения М_max; в – установка кранов для определения Q_max; г – схема загружения одним краном для определения прогиба

Подкрановые конструкции рассчитывают, как правило, на нагрузки от двух сближенных кранов наибольшей грузоподъемности с тележками, приближенными к одному подкрановому пути. Одновременно к балке прикладываются и максимальные поперечные горизонтальные усилия.

Определение расчетных сил. Расчетное значение вертикальных сил на колесе крана с учетом коэффициента надежности по назначению γ_n

F_k1 = γ_n k₁γ_f F_кn1 = 1 ∙ 1 ∙ 1,1 ∙ 450 = 495 кН;

F_k2 = γ_n k₁ γ_f F_кn2 = 1 ∙ 1 ∙ 1,1 ∙ 480 = 528 кН,

где k₁ – коэффициент динамичности, учитывающий ударный характер нагрузок при движении крана по неровностям пути и на стыках рельсов.

Коэффициент динамичности k₁ принимается равным:

– при шаге колонн не более 12 м: k₁ = 1,2 для групп режима работы мостовых кранов 8К; k₁ = 1,1 для групп режимов работы 6К и 7К;

– при шаге колонн свыше 12 м – k₁ = 1,1 для группы режима 8К;

– в остальных случаях – k₁ = 1,0;

γ_f = 1,1 – коэффициент надежности по нагрузке для крановых нагрузок, принимаемый по [2, п. 4,8].

Нормативное значение горизонтальной силы, возникающей от торможения тележки с подъемным грузом Q = 100 т, при расчете балок для кранов режимов работы 1К – 6К определяется по формуле

Т_кn = β (Q + G_Т) / n_o = 0,05 ∙ ( 9,8 ∙100 + 410 ) / 4 = 17,4 кН,

где β = 0,05 – для кранов с гибким подвесом груза и β = 0,1 – с жестким подвесом груза;

9,8 – коэффициент перехода от массы к весу груза.

При расчетах подкрановых конструкций под краны особого режима работы (7К и 8К) учитывают горизонтальную нагрузку, вызываемую перекосами кранов и не параллельностью крановых путей,

Т_кn = 0,1F_кn .

Расчетное значение горизонтального усилия на рельсе крана

Т_k = γ_n k₂ γ_f Т_кn = 1 ∙ 1 ∙ 1,1 ∙ 17,4 = 19,14 кН,

где k₂ – коэффициент динамичности, принимаемый для группы мостовых кранов режима 8К – k₂ = 1,1; в остальных случаях – k₂ = 1,0.

Определение расчетных усилий. Расчетные момент и поперечная сила от крановой нагрузки определяются по линиям влияния от установки двух спаренных кранов наибольшей грузоподъемности или путем построения эпюр моментов и поперечных сил от грузов при невыгоднейшем загружении подкрановой балки.

Для определения наибольшего изгибающего момента в разрезной балке от заданной системы сил следует установить грузы таким образом, чтобы равнодействующая всех грузов, находящихся на балке, и ближайший к ней груз были равно удалены от середины пролета балки (рис. 32, б), при этом наибольший изгибающий момент М_max будет находиться под грузом, ближайшем к середине пролета балки.

Величина равнодействующей четырех сил, действующих на балку,

R = 4F_к2 = 4 ∙ 528 = 2112 кН.

Положение равнодействующей R

Для определения усилий в балке М_max и в месте максимального момента соответствующей поперечной силы Q находим опорные реакции:

F_а = R (2,375 + 2,8375) / 12 = 2112 ∙ 5,2125 / 12 = 917,4 кН;

F_b = R – F_а = 2112 – 917,4 = 1194,6 кН.

Определяем максимальный изгибающий момент М_max в сечении под ближайшим к середине грузом от вертикальной нагрузки (рис. 32, б)

М_max = F_а (4,4125 + 0,8) – F_k2 ∙ 0,8 = 917,4 ∙ 5,2125 – 528 ∙ 0,8 = 4359,55 кН∙м.

Поперечная сила в месте М_max

Q = F_а – F_k2 = 917,4 – 528 = 389,4 кН.

Расчетное значение изгибающего момента М_x и поперечной силы в месте М_max от вертикальной нагрузки:

М_x = α ψ М_max = 1,05 ∙ 0,85 ∙ 4359,55 = 3890,9 кН∙м;

Q_M = α ψ Q = 1,05 ∙ 0,85 ∙ 389,4 = 347,72 кН,

где α – коэффициент, учитывающий собственный вес подкрановой конструкции и временной нагрузки на тормозных балках, предварительно принимаемый для балок пролетом:

6 м – α = 1,03;

12 м – α = 1,05;

≥ 18 м – α = 1,08;

ψ – коэффициент сочетания нагрузок, учитывающий вероятность совпадения нормативных нагрузок от разных кранов при одновременном их воздействии и принимаемый при учете нагрузок:

– от двух кранов режимов работы 7К и 8К – ψ = 0,95;

– от двух кранов режимов работы 1К – 6К – ψ = 0,85.

При учете одного крана вертикальные и горизонтальные нагрузки от него принимаются без снижения.

Для определения максимальной поперечной силы на опоре Q_max необходимо установить один их грузов непосредственно над опорой, а остальные расположить как можно ближе к этой же опоре (рис. 32, в).

Определяем максимальную поперечную силу от вертикальной нагрузки

Q_max = F^׳_a = [F_k2 (12 + 11,2 + 8,05 + 7,25) + F_k1 (2,65 + 1,85)] ∙ 12 = 1879,6 кН.