固定式回转起重机预埋件的设计

王雪松 银长海 李术霞 谢晓晖

大连华锐重工起重机有限公司 大连 116013

0 引言

固定式回转起重机（以下简称起重机）采用圆筒形法兰通过预埋螺栓与混凝土基础连接，作业区域为圆环形，节省了起重机运行机构、起重机轨道和钢轨预埋件，是一种经济型起重机。起重机的预埋件是整个工程项目的重要组成部分，上接起重机，下连混凝土基础。一般会把预埋件的设计和供货交由起重机厂家负责，而起重机相关规范及手册却很少找到关于预埋件设计的指导性文件。根据土建设计资料，结合实际设计应用，提出一款起重机圆筒形法兰预埋件的设计方法，其他类型的预埋件，例如锚定、防风系缆等，也可参照本文进行设计。

1 预埋件设计条件

对预埋件进行设计前，应完成起重机的整体稳定性计算，完全确定起重机的基础载荷、圆筒形法兰的最小厚度。需要在起重机计算提取的载荷为整机最大垂直载荷Ny、水平力Fx、相对于法兰中心的水平扭转力矩Mj及垂直弯矩Mck，以及圆筒外径D和最小壁厚t。圆筒最小壁厚是指按强度计算的最小壁厚，可以是圆筒的实际设计壁厚，考虑刚度因素时，也可比实际设计壁厚略小。

2 设计计算过程

2.1 极限弯矩的确定

预埋件的设计原则是当法兰上部圆筒屈服时，预埋件不发生破坏，因此预埋件的最大计算弯矩Mc即是能使圆筒屈服的最小弯矩，可表示为

式中：Wx为圆筒的截面系数，σs为圆筒材料的屈服强度。

2.2 预埋锚栓直径和长度的计算

锚栓的布置图如图1 所示，在法兰上布置2 圈预埋螺栓，分布在半径为P和Q的圆周上，法兰的外径和内径分别为R1和R4，每圈螺栓的个数为n，n为2 的倍数，每1/2 圈布置的螺栓个数为m，n＝2m。

图1 预埋件布置图

根据预埋法兰的力矩平衡条件，圆筒的计算最大弯矩为

式中：M1为所有螺栓拉力的力矩，My为法兰对混凝土压力产生的力矩。

根据预埋法兰垂直力的平衡条件，圆筒法兰对混凝土的垂直压力为

式中：N1为所有螺栓拉力的反力，Ny为整机最大垂直载荷。

在式(2)中，已知Mc，则所有螺栓拉力的力矩为

式中：M1为所有螺栓拉力产生的力矩，Fi为Pi依次每个螺栓的拉力，m为每半圈螺栓的个数，Pi为依次每个法兰外圈螺栓的到Mc中性轴的距离，Qi为依次每个法兰内圈螺栓的到Mc中性轴的距离。

设受压区混凝土面积为圆环的一半，而另半圈的内圈和外圈分别有m个预埋螺栓受拉，离O点最远距离为P的螺栓受拉力最大为F，其余螺栓受力分别为Fi＝Pi·F/P或Fi＝Qi·F/Q。根据法兰受拉半圈螺栓分布的几何位置，可得系数k1为

根据图1 将受压区分割成m个小块，每个小块的面积为Ac，每个混凝土小块的平均压应力为σi，压应力合力点(即每个小块面积的形心)距离圆环中心线的距离为Li，则有法兰对混凝土压力产生力矩为

式中：P为法兰外圈螺栓到Mc中性轴的最大距离，Q为法兰内圈螺栓中的到Mc中性轴的最大距离。

经过上述过程的推导，式(2)演变为式(10)，式(3)演变为式(11)，即

在 式(10) 和 式(11) 中，k1、k2、k3、k4、Mc、Ny均为已知或可计算的，通过组成二元一次方程，可解出最大螺栓拉力F和混凝土小块的面积Ac。根据GB 50017—2003《钢结构设计规范》，通过F值可确定锚栓的直径。预埋螺栓的实际锚固长度为

式中：lab为锚栓的基本预埋长度，ζaE、ζa为锚固系数。根据预埋螺栓的材料、混凝土材料及抗震等级，查11GB101-3《混凝土结构施工图 平面整体表示制图规则和构造详图》可得。

2.3 确定法兰圆环的尺寸

法兰与混凝土的受压区接触面积必须达到m·Ac，才能保证混凝土的压应力不超过其许用压应力[fc]，根据图1 可知，法兰外径为R1＝D/2+h，法兰内径为R4＝D/2-h，则

其中的Ac由式(10)和式(11)可得，从而通过式(13)可解出h，根据圆筒外径D解出R1和R4。

2.4 抗剪键的设计

由于圆筒法兰的螺栓孔存在间隙，预埋螺栓不能承受法兰面的水平载荷，需根据水平扭转力矩Mj在法兰下平面设置抗剪键。在法兰下表面按直径D圆周均布焊接4 个H 形钢，Mj产生的圆周力通过H 形钢传递到混凝土基础，起重机圆筒法兰水平力Fx和圆周力在H 形钢表面产生的压应力应小于混凝土许用压应力[fc]。

式中：Aj为1 个H 形钢抗压面积。

3 实例计算

本文以应用在某电厂的25 t-37 m 固定式门座起重机实际计算为例（见图2），对预埋件的设计进行举例说明。该起重机通过如下的连接法兰固定在码头面上。在某一载荷组合下，整机最大垂直载荷Ny＝4 337 kN、水平力Fx＝751 kN，相对于法兰中心的水平扭转力矩Mj＝4 934 kN·m、垂直弯矩Mck＝41 587 kN·m，以及圆筒外径D＝3 600 mm 和最小壁厚t＝14 mm，预埋混凝土型号选C30，抗压许用应力fc＝14.3 MPa。

图2 25t-37m 固定式门座起重机

3.1 极限弯矩的确定

根据圆筒外径及壁厚、圆筒材料（Q355B，σs＝355 MPa），计算出使圆筒屈服的最小弯矩，即预埋件的最大计算弯矩Mc＝49 976 000 kN·mm。

3.2 预埋锚栓直径和长度的计算

根据已知数值，按式（5）计算出k1＝73 016 mm，按式（6）计算出k2＝286 307 N/mm，根据式（8）计算出22 个螺栓压应力之和为k3＝200.47 MPa，按式（9）计算出k4＝25.62。将式(10)、式(11)转化为式(15)、式(16)，即

由式(15)、式(16)解出预埋螺栓的拉力F＝512 483 N，混凝土小块的面积Ac＝43 856 mm2。根据GB 50017—2003《钢结构设计规范》第3.4.1 节，Q355 材料的预埋螺栓的许用应力为[σ]＝180 MPa，选取预埋螺栓直径为M76，螺栓的计算应力σ＝132 MPa，满足要求。查11GB101-3《混凝土结构施工图 平面整体表示制图规则和构造详图》，预埋螺栓的材料为Q355B，混凝土等级C30，抗震等级按一级，可得锚栓的基本预埋长度lab＝29d，同时可查到锚固系数ζaE＝1.5，ζa＝0.6，预埋螺栓的实际锚固长度laE为

3.3 确定法兰圆环的尺寸的计算

按式（13）代入计算数据m＝22、Ac ＝43 856 mm2、D＝3 600 mm，解出h＝85 mm，即计算的最小法兰外半径R1min＝D/2+h=3 600/2+85 ＝1 885 mm，最大法兰内半径R4max＝D/2-h＝3 600/2-85 ＝1 715 mm。在实际设计过程中，考虑到预埋螺栓的扳手空间及布置定位块的尺寸空间，实际设计取法兰外半径R1＝2 120 mm，法兰内半径R4＝1 480 mm，法兰的承压面积大于m·Ac。

3.4 抗剪键的计算

根据整机的计算输入载荷，水平力Fx＝751 kN、相对于法兰中心的水平扭转力矩Mj＝4 934 kN·m，抗压许用应力[fc]＝14.3 MPa，在法兰圆周布置4 个抗剪H 形钢，每个型钢的最小抗压面积

根据上式计算结果，可选取翼缘宽度125 mm，长度210 mm 的H 形钢，其抗压面积26 250 mm2，保证最小抗剪受压面积大于25 110 mm2。

4 结论

预埋件是固定式回转起重机的根基，一旦出现问题，就是无法补救的巨大损失。通过上述的设计计算，能够使设计人员熟悉预埋件设计的各个关键要素，做好起重机与混凝土基础的设计接口，使起重机与混凝土基础安全衔接。