портальная подкрановая конструкция

Формула изобретения

Портальная подкрановая конструкция, содержащая двухконсольную балку и колонны, соединенные в единую конструкцию, причем балка соединена с каждой из колонн посредством жесткого оголовка, отличающаяся тем, что база колонны снабжена домкратной балкой, при этом фундамент выполнен полым для заполнения его шлаком или щебнем и имеет нишу под домкратной балкой для размещения гидродомкрата, устанавливаемого по центру колонны, упирающегося в базу колонны снизу и опирающегося на шлак или щебень для стабилизации проектной отметки фундамента и портальной подкрановой конструкции, домкратная балка жестко соединена с фундаментом колонны анкерными болтами, снабженными расположенными под домкратной балкой опорными гайками и расположенными над этой балкой крепежными гайками.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к транспортным конструкциям. Наибольший эффект достигнут при интенсивном, тяжелом 8К, 7К режиме работы кранов, например, в цехах черной и цветной металлургии, построенных на грунтах с неравномерной осадкой.

В настоящее время при наиболее употребляемых подкрановых балках пролетом 12 м и кранах грузоподъемностью 50 т и более подкрановые балки выполняют сварными двутавровыми из трех листов [1, с.239]. Примем известное техническое решение за аналог.

Главные недостатки аналога - низкая выносливость сварных подкрановых балок [2, с.126] и нарушение работоспособности при неравномерных осадках фундаментов. Усталостные трещины появляются при накоплении 0,7...0,8 млн циклов нагружений и через 3...4 года интенсивной эксплуатации подкрановые балки выходят из строя.

Известно также, что прокатные балки [3] обладают выносливостью в 3,5 раза выше, чем сварные. Однако даже самые мощные прокатные двутавры с высотой сечения 1 м [6, с.261] не обеспечивают прочности подкрановой балки на изгиб [1, с. 256] при кранах грузоподъемностью 30...50 т и более.

Известны также двухконсольные подкрановые балки, чередующиеся с однопролетными балками [4], обладающими значительно меньшей материалоемкостью. Резервы снижения материалоемкости в этой конструкции не исчерпаны. В настоящее время разработаны фундаменты с регулируемой величиной осадки, но для рихтовки каркасов не применяются.

Известна подкрановая конструкция, содержащая двухконсольную балку и колонны, соединенные в единую конструкцию, причем балка соединена с каждой из колонн посредством жесткого оголовка US 4227464 А, 14.10.1980.

Технический результат изобретения - повышение долговечности подкрановой конструкции, снижение материалоемкости и трудоемкости изготовления и обеспечение рихтовки каркаса здания.

Технический результат реализован тем, что подкрановая конструкция содержит двухконсольную балку и колонны, соединенные в единую конструкцию, причем балка соединена с каждой из колонн посредством жесткого оголовка.

Отличие в том, что база колонны снабжена домкратной балкой, при этом фундамент выполнен полым для заполнения его шлаком или щебнем и имеет нишу под домкратной балкой для размещения гидродомкрата, устанавливаемого по центру колонны.

Гидродомкрат упирается в базу колонны снизу и опирается на шлак или щебень для стабилизации проектной отметки фундамента и портальной подкрановой конструкции.

Домкратная балка жестко соединена с фундаментом колонны анкерными болтами, снабженными расположенными под домкратной балкой опорными гайками и расположенными над этой балкой крепежными гайками.

Сопоставление разработанной подкрановой конструкции для кранов грузоподъемностью 50...100 т с аналогом показывает ее существенные отличия:

- подкрановая конструкция сделана из соединенных друг с другом чередующихся портальных конструкций и балок-вставок;

- двухконсольная балка портальной подкрановой конструкции соединена жестким оголовком с каждой из колонн;

- материал сконцентрирован над колоннами, и опорные моменты переданы на фундамент по кратчайшему пути;

- пролетные моменты в подкрановой балке снижены в 2 раза, что позволило выполнить ее из прокатных двутавров, повысить выносливость и снизить трудоемкость изготовления ее;

- база каждой колонны снабжена домкратной балкой и оперта на фундамент, снабженный расширяющейся книзу полостью (соплом);

- площадь сечения нижнего отверстия полости, составляющего 30...50% от площади подошвы фундамента, а под домкратной балкой установлен гидродомкрат, приводимый в действие от пульсирующей насосной станции и опертый на сыпучий материал (шлак, щебень), заполняющий полость в фундаменте;

- портальную подкрановую конструкцию легко рихтовать посредством массы крана и поднимаемого им максимального груза [5].

Движение крана с грузом по балке-вставке и по консоли портала вызывает в ближайшей к крану колонне сжатие, а в дальней - растяжение. Растяжение превосходит массу портальной подкрановой конструкции. Поэтому при ослаблении анкерных болтов на дальней колонне на необходимую величину автоматически происходит поддомкрачивание колонны и портальной подкрановой конструкции.

На фиг.1 показана разработанная подкрановая конструкция; на фиг.2 - жесткий центральный оголовок колонны; на фиг.3 - соединение портальной подкрановой конструкции с балкой-вставкой; на фиг.4 - разрез А-А на фиг.3; на фиг.5 - расчетная схема подкрановой конструкции; на фиг.6 - схема загружения балки-вставки; на фиг.7 - схема загружения подкрановой конструкции двумя кранами; на фиг.8 - эпюра моментов в портальной подкрановой конструкции от одной силы; на фиг.9 - эпюра моментов в портальной подкрановой конструкции от сосредоточенного момента; на фиг.10 - окончательная эпюра моментов в портальной подкрановой конструкции от загружения ее двумя кранами.

Двухконсольная подкрановая балка 1 и колонны 2 соединены в единую неразрезную портальную подкрановую конструкцию, причем упомянутые балки 1 соединены с каждой из колонн 2 посредством жесткого центрального оголовка 3, являющегося также оголовком колонны 2. Ширина оголовка l_y

где l - длина пролета балки в портальной подкрановой конструкции.

Оголовок 3 предназначен для упрочнения подкрановой конструкции над колонной и позволяет концентрировать изгибающие моменты в оголовке 3. Осуществлен принцип концентрации материала к опорам балки.

Оголовок 3 колонны выполнен из прокатного двутавра а. Стенка двутавра а подкреплена симметричными относительно нее ребрами из уголков b. Ребра соединены со стенкой заклепками с с внедряемым в полость каждой сердечником [7]. Уголки свальцованы по радиусу или плавной кривой и обеспечивают также соединение центрального оголовка 3 с нижним поясом балки 1 и с полками центральной колонны 2. Торец центральной колонны 2 фрезерован и плотно контактирует с нижней полкой оголовка 3.

В зоне примыкания концов оголовка 3 балка 1 снабжена опорными ребрами d, выполненными из уголков, свальцованных по плавной кривой или радиусу. Все соединения балки 1 выполнены сдвигоустойчивыми посредством заклепок с внедренным сердечником или посредством шпилек с гарантированным натягом [12], так как такие соединения гарантируют высокую выносливость и ремонтопригодность. Следует отметить, что свальцованные по плавной кривой ребра ориентированы по линии главных сжимающих напряжений, поэтому наиболее эффективны.

Все элементы подкрановой конструкции выполнены из прокатных двутавров даже при пролетах l=12 м и грузоподъемностью кранов Q_кр=50...100 т.

В двухконсольной балке 1 жесткими ребрами 3 обеспечено снижение пролетного момента в два раза.

База каждой колонны 2 снабжена домкратной балкой 4. База колонны соединена с фундаментом 5 анкерными болтами 6, работающими как на растяжение, так и на сжатие. Каждый из болтов снабжен верхней крепежной гайкой 7 и нижней опорной 8. Гайкам 7 и 8 приданы также рихтующие функции. Они фиксируют портальную подкрановую конструкцию по высоте точно в проектном положении независимо от осадки фундамента 5.

Под домкратной балкой 4 в фундаменте 5 выполнена ниша 9 для размещения гидродомкрата 10. Гидродомкрат 10 опирается на заостренный пуансон, являющийся поршнем в полости 12 фундамента 5.

Импульсно впрессовывая гидродомкратом 10 порциями щебень в расширяющуюся книзу полость 12, создаем в нем избыточное давление p₀. Так как площадь сечения выходного отверстия в полости 12 составляет 30...50% от площади подошвы фундамента, то в грунте основания под полостью в фундаменте возникают пластические деформации.

Грунт под полостью в фундаменте начинает течь, осаживаться, уплотняться и упрочняться. Причем более податливый грунт с меньшей несущей способностью упрочняется сильнее.

Производим выдавливание и выдергивание фундамента из грунта до необходимой отметки. Центральная полость 12 расширяется книзу [8] и заполнена шлаком, требующим утилизации, щебнем или другим сыпучим материалом.

На фиг.4 показан узел соединения рельса с портальной подкрановой конструкцией.

Соединение рельса 14 выполнено посредством прокатных крепежных элементов 15 и 16, соединенных друг с другом шпильками 17 с гарантированным натягом. Крепежные элементы выполняют вместе с рельсом 14 функции накладки, перекрывающие стык балок 1. Снизу под поясом балки 1 поставлены плоские накладки 18. Между рельсом 14 и верхним поясом балки 1 размещена стенка симметричной тормозной балки 19. Соединение тормозной и подкрановой балок 1 выполнено полыми заклепками и шпильками. Вертикальная полка крепежного элемента 17 соединена регулировочными шпильками 20 с полкой колонны. То есть горизонтальная тормозная сила Т от колес крана с рельса 14 передается на колонну кратчайшим путем, минуя подкрановую балку 1. Регулировочные шпильки 20 позволяют регулировать рельсовый путь в поперечном направлении. Пояс тормозной балки 19 опирается на столик 21 и соединен с ним анкерными болтами с возможностью рихтовки в поперечном направлении.

Между консолями портальных подкрановых конструкций уложены более короткие балки-вставки 22. Сопряжение балок-вставок с консолями портальных подкрановых конструкций выполнено аналогично решению в патенте [5, №2104362].

Работа конструкции при действии импульсной подвижной нагрузкой от кранов

Портальная подкрановая конструкция работает как неразрезная рама. В такой конструкции легко регулировать распределение изгибающих моментов, изменяя отношение жесткостей ригеля EJ_p и колонны ЕJ_к, а также изменяя габариты жесткого оголовка 3.

Эту конструкцию легко оптимизировать и достигать не только повышения выносливости подкрановой балки в 3...3,5 раза, но значительно снижать материалоемкость (см. пример).

Другое важное достоинство конструкции - управление ее фактической осадкой и стабилизация осадки грунтового основания под фундаментами посредством гидродомкрата. Гидродомкрат помещен под домкратной балкой в нише и взаимодействует с сыпучим материалом в полости фундамента. Эффективней всего применить гидродомкрат двойного действия, как в гидропульсаторах [9, с.320, фиг.277], приводимый в действие от пульсирующей насосной станции.

Стабилизация осадки грунтового основания под фундаментами портальной подкрановой конструкции после возведения конструкций цеха на грунтах с неравномерной осадкой

Стабилизацию и выравнивание неравномерной осадки грунтового основания осуществляют следующим образом:

- производят нивелировку рельсовых путей и устанавливают фактическое отклонение рельсовых путей от прямой линии как по вертикали, так и по горизонтали (в плане);

- поочередно стабилизируют грунтовое основание на всех колоннах порталов;

- перед стабилизацией основания создают в данной колонне максимальное сжимающее усилие, устанавливая над колонной два сближенных крана, загруженных максимальной расчетной нагрузкой;

- в случае неравномерной осадки колонн и нарушения прямолинейности рельсовых путей, уложенных соосно с подкрановыми балками, производят восстановление проектного положения портальной подкрановой конструкции посредством гидродомкрата 10, расположенного в нише 9;

- устанавливают гидродомкрат 10 и включают прямой ход поршня, импульсно впрессовывая первую порцию щебня в полость 12, пластически деформируя и упрочняя этим самым грунт под подошвой фундамента и стабилизируя осадку фундамента, которая неизбежно возникла бы с течением времени.

Очевидно, что тот фундамент, который размещен на более слабом грунтовом основании, с течением времени получит большую осадку по отношению к соседним и нарушит нормальную эксплуатацию подкрановых конструкций.

Очевидно также, что при стабилизации свойств грунтового основания у грунта, обладающего большей просадочностью, возникнут большие пластические деформации, шлака (щебня) впресуется больше и улучшение прочностных свойств будет большим, чем у грунта с меньшей просадочностью. Таким образом, произойдет стабилизация, выравнивание механических свойств грунтового основания до одинаковой величины р₀ избыточного давления, создаваемого в полости фундамента в зоне контакта сыпучего материала с грунтовым основанием.

- Включают обратный ход поршня гидродомкрата и подтягивают гидродомкрат к домкратной балке, освобождая место для следующей порции шлака (щебня);

- заполняют шлаком полость под домкратом и циклы импульсного вдавливания повторяют до тех пор, пока давление в грунтовом основании не разовьется до назначенной величины ₀ и масса вышележащих конструкций не будет преодолена силой, развиваемой гидродомкратом, и фундамент вместе с колонной не начнет выдавливаться и выдергиваться из грунтового основания;

- процесс выдергивания фундамента и колонны контролируют, закрепив на колонне экран с масштабной сеткой и направив на экран луч от лазера, закрепленного на неподвижном репере;

- циклы повторяют до полного упрочнения грунтового основания до такого давления р₀ МПа в полости фундамента, развиваемого пульсирующей насосной станцией, которое обеспечивает начало выдавливания и выдергивания фундамента, как поршня, из грунтового основания;

- циклы продолжают до превышения фактической отметки рельсовых путей выше проектной на 50% от расчетной величины осадки фундамента с течением времени;

- кроме контроля процесса выдергивания, контролируют давление p_нас масла, создаваемое пульсирующей насосной станцией.

Давление p_нас должно быть одинаковым при стабилизации грунтового основания под каждой из колонн.

Таким образом, мы стабилизировали свойства грунтового основания под всеми фундаментами подкрановой конструкции до начального давления р₀ и добились выравнивания осадки отдельных фундаментов. Кроме того, мы обеспечили уменьшение осадки фундаментов со временем не менее чем в два раза.

Рихтовка портальной подкрановой конструкции массой крана

Если, несмотря на стабилизацию грунтового основания, все-таки произошла осадка фундаментов и колонн, то первоначальное положение колонны восстанавливают следующим образом:

- устанавливают величину осадки всех колонн;

- ослабляют анкерные болты, крепящие базу одной из осевших колонн на величину осадки;

- загружают краном с грузом одну из консолей и поднимают другую колонну портальной подкрановой конструкции до упора в гайку анкерного болта [8];

- вводят в образовавшийся зазор прокладку и затягивают анкерные болты данной колонны;

- затем циклы повторяют со следующей колонной.

Пример конкретной реализации

Эффективность разработанной подкрановой конструкции покажем на примере, приведенном в учебнике д.т.н., профессора К.К.Муханова [1, с.254].

Примем конструкцию подкрановой балки, как показано на фиг.1, 2, 3, 4. Мостовой кран оставляем, как в [1], а именно режим работы тяжелый 7К [10]. Вертикальную силу Р=6666 гН оставляем также без изменения.

На фиг.5 показана расчетная схема портальной подкрановой конструкции. Эти конструкции чередуются с балками-вставками.

На фиг.6 показано загружение балки-вставки по правилу Винклера. В этом случае опорная реакция слева равна

R_л=26666(3,9/8,5)=6111,04 гН

и максимальный изгибающий момент

М_mах=6117,043,9=23856 гНм.

На фиг.7 показана расчетная схема и загружение портальной подкрановой конструкции двумя кранами, причем одна сила на консоли и три в пролете.

Расчет выполним по формулам, данным в справочнике (стр. 463). Жесткость балки и колонны примем одинаковой EJ_p=ЕJ_к. Примера расчета рамы с кранами Q_кр=50 т не найдено. При кранах Q_кр=30 т подкрановая ветвь колонны в учебнике под редакцией д.т.н., профессора Белени Е.И. [11, стр. 396] получилась с площадью сечения А=176,2 см² из двутавра с высотой сечения 70 см.

При увеличении грузоподъемности крана до Q_кр=50 т величина вертикальной силы Р от одного колеса крана увеличится в 50,5/30,5=1,65 раза. Подкрановая ветвь колонны также увеличится. Примем высоту подкрановой ветви колонны такой же, как в примере 9 - 2 м. С учетом конструкции фундамента высота колонны уменьшится на высоту бетонного столика и станет равной h_к=9,2-0,7=8,5 м.

Найдем коэффициент жесткости

k=(J_p/J_k)(h_k/1)=(18,5)/(112)=0,7083

Относительная ордината приложения первой силы Р=6666 гН на портале

=а/1=3,96/12=0,33

Расстояние от силы Р до второй колонны b=12-3,96=8,04 м.

Находим распор Н

Н=(3/2)(Pab/(lh_k(k+2)))=1152,41 гН

Опорная реакция слева

А=(Pb/1)[1+(1-2)/(6k+1)]=4561,67 гН

Момент в заделке в фундаменте

М_A=(Pb/(21(6k+1)))[(5k-1)/(k+2)+2]=2692,45 гНм

Моменты в портальной подкрановой конструкции от одной силы Р=6666 гН показаны на фиг.8. В табл.1 показаны распор Н, опорная реакция R_а слева и момент в заделке М_A

На фиг.10 показана окончательная эпюра моментов.

M₁=-23729,6+9697,763,96=14673,53 гНм

М₂=-23729,6+9697,765,36-66661,4=18917,99 гНм

М₃=-23729,6+9697,7610,61-6666(6,65+5,25)=-161,77 гНм

М₄=-23729,6+9697,7612-6666(8,04+6,64+1,39)=-14479,1 гНм

М₅=2414,128,5-14479,1=10300,24 гН

R₅=66664-16363,76=10300,24 гН

Максимальный пролетный момент М_пр=18918 гНм.

Подберем прокатную балку по пролетному моменту из стали 12Г2 ТУ 14-1-432.3-88 с расчетным сопротивлением R_у=325 МПа [12].

Требуемый момент сопротивления

W_тр=M/R_у=1891800/325=5821 см³

Примем прокатный двутавр 80Б3 [6, с.260] с фактическим моментом сопротивления W_cp=6370>5821 см³, J_x=256370 см⁴, m=189 кг/м, h_I=79,16 см, А=197 см².

Проверка по прочности на изгиб

=M/W=1891800/6370=297<325 МПа

Прочность обеспечена.

В зоне сопряжения колонн с ригелем выполним жесткий оголовок из такого же двутавра. Оголовок колонны показан на фиг.2.

Момент инерции оголовка

J_x=2(J_Icoб+A_I·a²_I)

J_x=2[256370+19739,58²]=1129971,1 см⁴.

Оголовок жестче, чем двутавр в 1129971,1/256370=4,4 раза

W_x=1129971,1/79,16=14274,52.

Прочнее, чем двутавр, в 14274,52/6370=2,24 раза.

Прочность оголовка обеспечена с избыточным запасом.

Сравнение материалоемкости выполним в табличной форме (см. табл. 2).

Выводы

1. Достигнуто повышение выносливости в 3...3,5 раза, так как конструкции выполнены из прокатных двутавров и сварные швы в балке отсутствуют.

2. Трудоемкость снижена в 2,5...2 раза, так как промежуточных ребер нет и ручная сварка исключена.

3. Материалоемкости снижение на 30...32%.

Литература

1. Муханов К.К. Металлические конструкции. Учебник для ВУЗов. М.: Стройиздат, 1978 г. - 572с.

2. Кикин А.И. и др. Повышение долговечности металлических конструкций промышленных зданий. - М.: Стройиздат, 1984. - 301с.

3. Нежданов К.К. Совершенствование подкрановых конструкций и методов их расчета. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Пенза, 1992. - 353с.

4. Нежданов К.К., Нежданов А.К. Патент России №2047992. Узловое соединение подкранового пути с колонной. В 66 С 7/00. Бюл. №31, 10.11.1995.

5. Нежданов К.К., Нежданов А.К. Способ рихтовки подкранового пути. Патент России №2104362. Бюл. №14, 9.11.1993.

6. Васильченко В.Т., Рутман А.Н. Справочник конструктора металлических конструкций. Будiвельник 1980. - 280с.

7. Нежданов К.К., Васильев А.В. и др. Способ и устройство для неподвижного соединения металлических элементов. Патент России №2114328. Бюл. №18, 27.06.1998.

8. Нежданов К.К. и др. Фундамент под металлическую колонну и способ его сооружения и рихтования. Патент России №2123091. Бюл. №34, 10.12.1998.

9. Серенсен С.В., Гард М.Э., Козлов Л.А. Машины для испытания на усталость. Расчет и конструирование. Под ред. акад. Серенсена С.В., Машгиз, М.: 1957. - 404с.

10. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. М.: ЦИТП Госстрой СССР, 1988. - 36с.

11. Беленя Е.И. Металлические конструкции. Учебник для ВУЗов, М.: Стройиздат, 1976 г. - 600с.

12. СНиП II-23-81. Стальные конструкции, ГУП ЦПП Госстрой СССР, 1999. - 96с.