国内目前网架下悬挂吊车的现状和研究

杜书源

（山东华科规划建筑设计有限公司，山东 聊城 252000）

0 引言

随着我国建筑工艺技术的快速发展和进步，网架施工的方式在我国的民用建筑和工业建筑中的应用变得越来越普遍。尤其是对于工业建筑而言，网架结构具有重量轻、刚度大、工期短等众多优势，能够显著节约工业建筑的建设成本和施工难度。并且构建的建筑网架，耐用性能好，还可以随着建筑的需求进行灵活的组装变换。在工业建筑当中对工艺的需求，要在网架结构下悬挂轻量级吊车或者电葫芦，以便于后续生产工作的进行。网架与悬挂吊车的节点栓接方式、支座处理、荷载计算等都是影响网架下悬挂吊车安全和质量的关键。而在目前国内，对于网架下悬挂吊车的使用范围又非常宽泛，因此研究相关的技术对于促进我国工业建筑的施工发展具有积极的意义[1]。

1 国内应用现状

1.1 网架结构的优势

随着我国科技的发展和经济高质量发展的要求，网架结构在我国建筑行业中的地位逐渐提高。这主要是因为网架结构具有以下优点。

1.1.1 重量轻

相比起传统房屋厂房建设中所使用的梁柱结构或者预制板房结构，网架结构的突出优势就是重量轻。因为网架结构是采用全钢材质制造组装而成的，利用螺栓和焊接固定，所以不需要使用水泥混凝土等作为加固手段，这就大大减轻了网架结构的重量，在建筑施工当中，尤其是工业建筑施工时，重量减轻就意味着施工的成本会降低，网架结构的施工主要工序就是网架地面错位组装和高空吊装，最大的施工成本就是网架自身的成本和吊车安装及吊装定位成本。网架结构施工相比于传统的混凝土结构施工，既节约了施工的成本和资源，也节约了施工的时间。网架结构能够快速安装成功并且投入使用，能够缩短工业建筑建设的工期，加快工程建设速度[2]。

1.1.2 刚度大

网架结构的刚度主要由网架的结构设计和钢材质以及网架的栓接方式所决定的。从目前国内工业建筑的网架结构施工建设情况来看，我国的网架结构刚度普遍较大，能够承载一定的悬挂设备，网架下悬挂吊车也是在这样的背景下发展起来。在实际的工业生产过程中，往往需要在厂房中安装吊装设备，如轻型吊车和电葫芦，如果为了安装吊车再重新搭建钢梁结构的话，会明显增加工业建筑的施工建设成本，因此将吊车直接安装悬挂在网架结构的钢轨上成为目前国内采用的普遍形式。而网架结构的刚性大是能够承载悬挂吊车的关键。

1.1.3 便利性强

网架结构悬挂吊车因为自身的重量轻、造型灵活、安装施工简便等优势，在便利上比起传统的大型塔吊具有更强的属性。在施工过程中，便利性是影响设备价值的重要因素之一。对于网架下悬挂吊车，要达到同等水平的吊装能力，传统施工需要使用大型起重设备才可以实现，而大型起重设备的安装工艺复杂、施工周期长，并且还涉及许多环境因素的协调与改造，整体便利性远低于网架下悬挂吊车。以网架下悬挂吊车的自身属性而言，建设吊车的时间只会占据整个施工周期的极少部分，并且拆装都较为简单，环境适应性也更强，可以在不同环境中根据需求调整网架结构，从而达到不同的效果，这一优势也是传统吊车无法满足的[3]。

1.2 网架下悬挂吊车的适用范围

网架下悬挂吊车主要应用在大中跨，多跨中，因为网架结构具有施工建设灵活的特点，所以可以拼接建设较大面积的网架结构，这就使得网架结构可以应用在跨度大的工业建筑中，由于工业建筑，尤其是流水线厂房，都是很大面积的建筑，如采用混凝土顶板施工，建设施工的成本和时间会大大增加，大面积混凝土施工还会导致安全风险增加，此外，由于工业生产的技术在不断进步与更新，工业厂房的流水线可能会发生变化，使厂房的功能区划会产生差异，而采用网架结构施工的厂房，可以较为简便地对厂房结构进行调整，将厂房的功能分区进行转变。

1.3 国内网架下悬挂吊车的应用问题

尽管国内网架下悬挂吊车的应用已经较为普遍，但是在实际的应用过程中，仍旧存在着一些问题[4]。

1.3.1 施工建设技术不够先进

网架下悬挂吊车的技术在我国的工业建筑中应用时间已经超过了20年，但当前使用的网架下悬挂吊车的结构与设计和20年之前没有显著的差异，只是在材料和承重上有了进一步的优化，并没有更多有技术含量的创新，而网架的结构设计是影响其使用寿命和承载重量的关键，当前网架下悬挂吊车普遍为轻型吊车，所能够吊运的重量也比较小。但是我国的生产技术在不断发展，对于厂房内的吊车起重设备的吊运重量要求在不断提高，因此当前国内的网架下悬挂吊车在设计上还不够先进，逐渐无法满足我国工业厂房生产的需求。

1.3.2 施工管理欠缺

网架下悬挂吊车的建设施工，由于技术比较简单且专业性较强，一般的施工管理人员无法判断施工建设的质量和问题，所以对于施工建设的管理较为松懈，主要依靠施工人员的自觉，这就使得在网架下悬挂吊车的建设过程中存在着一定的建设松懈和安全隐患，比如某些螺栓没有拧紧等细节问题。而在安装完成投入使用过后，对于网架下悬挂吊车的管理也存在一定的问题。首先，吊车的高负荷运作会影响网架钢材的疲劳情况，钢材在长期的使用过程中会产生疲劳现象，而螺栓等零部件如果长期处于高负荷的运作状态下，会产生一定程度的机械磨损，从而缩短网架下悬挂吊车的使用寿命。再加上在实际的工业生产过程中，对于吊车的管理不够严格，吊车操作员可能出现不标准的操作，或者违规操作，都会导致网架的性能和使用寿命受到影响。管理欠缺是目前国内应用网架下悬挂吊车过程中存在的主要问题。对于长期处于高负荷状态下工作的网架下悬挂吊车，需要定期进行保养和维护，以延长吊车的使用寿命，降低事故发生率，但是在国内对于这种维护保养存在很大的问题，尤其是对于生产任务重的工厂而言，除硬性规定的年检和维护保养以外，基本上没有多余的机器维护保养，只有发生设备故障，影响生产时才会对其进行维修保养。这使得设备的小故障小问题不断累积，最终导致吊车和网架出现故障，影响其使用寿命[5]。

1.3.3 网架悬挂吊车功能受限

当前国内应用网架下悬挂吊车的另一个问题就是没有将网架悬挂吊车的优势充分发挥出来。受到施工材料和施工工艺的限制，目前国内所使用的网架悬挂吊车在功能上只是相对普通悬挂吊车和塔吊有一定的优势，但是网架悬挂吊车本身强度大、便利性强的优势没有充分得到体现，网架悬挂吊车很多时候仍旧被作为传统吊车的升级版，而不是单独的新技术使用。这种功能上的限制就使得原本利用网架悬挂吊车可以大幅缩短的工期和提高的施工质量都没有完全实现，工程的整体施工建设效率并没有因为网架悬挂吊车的应用而得到显著提升。

2 网架下悬挂吊车的技术要点

2.1 节点的连接形式及构造处理

在国内的网架下悬挂吊车使用最多的是轻级工作制单梁吊车或者电葫芦，这种吊车的起重范围通常为1～5t。该类型吊车的轨道为工字钢梁，而该类吊车与钢梁的联结方式为先将带有端板的钢管与螺栓球焊接在一起，然后用螺栓将端板与工字钢梁联结起来。这种连接方式最大的优势就是操作简单，工序十分简单，不需太多的成本投入，只要焊接和螺栓就可以完成，能够快速进行吊车的悬挂。缺点是这种连接方式的稳定性不够好，尤其是需要水平吊运的吊车，采用这种连接方式在水平工作时，会产生很大的次应力，从而导致螺栓松动或者机构变形，影响吊车悬挂的使用寿命，严重的甚至会导致吊车悬挂脱落，造成严重的安全事故。为解决这个问题，当前普遍采用双螺栓连接方式。即在原有的端板和工字钢梁连接处加一组螺栓，这样就能够提供一定的水平运动力，从而减轻水平吊运时对端板的次应力，能够较好地保护吊车悬挂。并且这种连接方式还能够在水平方向提供轻微的转动和位移，以增加网架下悬挂吊车的工作范围。

2.2 网架下悬挂吊车的荷载作用机制

网架下悬挂吊车的荷载作用机制分为吊车荷载和网架荷载两个部分，吊车部分的荷载又分为水平荷载和垂直荷载两个组成部分。在吊车工作的时候，为了将货物或者材料吊离地面，需要给吊臂施加动力，这主要通过吊车自身的液压动力系统来实现，而将被吊物体吊起的过程中，物体本身的重力会给吊车施加一个垂直的荷载，这个垂直荷载传递到吊臂上，会给吊臂产生一部分水平荷载，而在吊运的过程中，物体受到惯性影响，会给吊车施加另一部分水平的荷载。由于吊车和网架是通过钢质端板连接在一起的，钢质端板属于硬性材质，不会对力产生较大的缓冲作用，会直接将吊车受到的力传递给钢梁，再加上钢梁自身的重力，所以钢梁也会受到垂直和水平两种荷载。

对于网架来讲，钢梁的荷载只是网架的下恒荷载的一部分，网架自身由于设计和安装的工艺，以及自身重力，还会受到上弦恒载和上弦活载，还包括下弦恒载，还应该考虑前面所述的竖向荷载和水平荷载的作用，并按承载力极限状态进行荷载效应组合，再将设计值施加到吊车作用的下弦节点上。

2.3 节点疲劳破坏

钢结构设计在系统上存在着无可避免的疲劳情况，因为钢材是硬质材料，对受到力的缓冲作用较小，会受到工作过程中各种力的直接影响，而钢材本身的硬度，弹性限度都是有限的。所以在钢结构中，必然会出现机械磨损和材料疲劳。网架下悬挂吊车的性能疲劳主要取决于连接节点的疲劳性能，因为钢梁和网架的弦梁本身都是采用一体化制造成形，密度均匀，对力的分散作用较好，而节点的密度不均匀，彼此之间存在缝隙，容易因为外力而导致节点疲劳，而节点的疲劳问题又主要取决于高强螺栓与杆件的连接。

悬挂吊车作用下网架的疲劳破坏主要有以下4种形式：①破坏形式为高强螺栓在栓杆与螺栓球表面下第一个丝扣相咬合的螺纹处断裂，在第一个丝扣咬合处的螺栓在吊车工作的过的过程中，会受到货物的重力和水平的次应力，高强螺栓的弹性限度非常小，所以在长期高强度的吊运工作中，容易超出自身的承受能力而发生断裂，这是无可避免的，要解决这个问题只能通过更换高强螺栓的材质，选择更加耐用的材料，或者优化端板与螺栓球的联结方式，增加一组螺栓，这样施加在单组螺栓上的力就会小一些，从而增加高强螺栓的使用寿命。②破坏形式为高强螺栓栓杆根部疲劳断裂，这种断裂方式和第一种的原因是差不多的，在实际的网架下带悬挂吊车工作过程中，第一种断裂方式会引起螺栓帽的破坏，而这一种只是栓杆断裂，更换一个高强螺栓就可以解决。③破坏形式是吊点肋板与底板连接角焊缝疲劳断裂，在吊车的工作工程中，经常需要吊运重量较大的物体，受到物体重力的影响，吊点肋板和底板连接角的焊缝可能会发生疲劳断裂的情况，取决于焊接材料的选用和焊接工艺，这是焊接组件的系统性疲劳，不能从根本上解决，只能通过更换更好的焊接材料和先进的焊接工艺，降低这种疲劳断裂发生的频率，延长焊缝的使用寿命，增强焊缝的连接稳定性；④破坏形式是悬挂吊车轨道与吊点的连接的螺栓断裂，吊车轨道与吊点的连接是通过高强螺栓实现的，由于吊车经常处于高强度工作的状态，所以如果不能经常性地维护和保养螺栓，就会发生吊点螺栓断裂的问题。

2.4 支座处理

在网架下悬挂吊车中，支座处理主要的目的是为了释放水平荷载产生的位移。在网架模型的简化过程中，还是让竖直方向固定，水平方向为弹簧支座，不需要把支座设计成能够抵抗水平荷载的模型。通常国内的网架下悬挂吊车使用的是板式橡胶垫支座，其具有较好的弹性和足够的竖向刚度，能够承受吊车产生的垂直荷载。支座的处理主要就是对支座进行嵌合与安装，将其安装到吊车合适的位置，并调整支座的方向形状和大小。

3 结语

网架下悬挂吊车在国内的应用范围非常广泛，无论是民用建筑还是工业建筑都有较多的使用，尤其是工业建筑中，因为网架结构本身具有重量轻，刚度大和灵活性强的特点，所以能够适应多种工业建筑的安装需求。并且因为许多工业工艺中，都需要使用吊车，而网架下悬挂吊车能够节省建设成本，增强稳定性。在国内的应用比较普及。但是国内对于网架下悬挂吊车的技术还不够先进，管理也存在问题。从技术上看，网架下悬挂吊车主要涉及节点连接形式、荷载机制，疲劳破坏和支座处理4个方面。在今后的网架下悬挂吊车的使用过程中，需要注意这些技术点，以建设更有质量的工业建筑。