轻钢厂房吊车梁发生振动和摇晃现象的原因及解决方法

(1)

工程设计

轻钢 ^厂房 ^吊车梁发生振动 ^和摇 ^晃 ^现象的原 ^因及解决方 ^法

郑云河

福建省建筑轻纺设计院 ^士兴福建钢结构有^{限公司} ^{福州} ^!∀∀ ∀#

摘要实^{际工}程中出现的钢吊车梁振动和摇免现象^,通常^{会影}^响吊车的正常^工^{作甚}^至^安^全^,^通过现场观察和理论分析^, 找出产生这种现象^{的原}因^,提出解^{决问}^{题的}^具^体^{方法}^供^同^行参考^。

关键词轻钢^厂房钢吊车梁吊车梁水平刚度 ^厂房侧向刚度自由振动 ^强迫振动

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# 问题的提出

轻钢^厂房吊车梁发生振动^和摇晃现象的多为厂房柱距 ^ΤΥ ΔΘ 即吊车梁跨度^ΤΥ ΔΘ ^, 无水平制动结构^,起重量 !∀ ^Υ ^{# ∀ (}^ς⁾ 的吊车梁^。这是因为厂房柱距 ^ΔΘ 以上时即吊车梁跨度^ΔΘ 以上 ^,一般情^况下设计人员会设计水平制动结构譬如制动析架 ^, 因此一般^不会发生振动^和摇晃现象^。泉州群峰机械厂^,厂房柱距^Ω^Γ ^8Θ 即吊车梁跨度^Ω^Γ ^8Θ ^,^无水平制动结构^,起重量 #∀ ^ς) 的吊车梁^,当大车开动时开始振动^,小车移动时开始剧烈摇晃^Ξ福州新大陆科技园厂房^, 柱距 ^ΔΘ 即吊车梁跨度 ^ΔΘ ^, 无水平制动结构^,起重量 !∀ ^{ς )} 的吊车梁^,在空车行走的情^{况下即} 产生振动和剧烈摇晃^。上述两例在吊车梁产生振动和剧烈摇晃的同时^,厂房也发生了程度不同的振动^, 尤其^{屋面}攘条和拉条晃动明显^Ξ上述两实例均因吊车梁晃动问题进行^{整改}^,应引起设计人员的重视^。

两端简支的水平梁^, 并假设吊车行进至梁跨中的最不利位^置^,根据单质点弹^性体系的振动学理论^,将参与振动的全部质量集中于梁跨中点主要是吊车梁自^{重以及}吊车的桥架重和吊重以轮^压的形式将质量集中于该点 ^,称为质点^, 质量用 ^Θ 表^示^, 取质点^Θ 为隔离体见图^# ^,由动力学理论可知^, 作^用在它^上面的力有^Ψ

# ^袱

^“

Ζ 吊车梁发生振动和摇晃的原因分析

要弄清这个问题^,首先要探讨吊车梁发生振动和摇晃的干扰力的来^源^,再分析在干扰力的作用下为什么会产生振动^{和摇晃}^。为此把吊车梁当作一根

图Φ 质点振动示意 Φ 弹性恢复力 ^{∋ Υ 一} ^。^ϑ ^Φ ^Ξ Ζ 阻尼力^{∃ [ 一}

砂

^Ξ

干扰力⁵^, 吊车梁之所^以会振动是因为它受到了干扰力的作^用^, 犹如悬挂重物的弹簧由于重物的作用而发生振动^Ξ对吊车^{梁而}言它除了小车水平刹车力用 ^尸表示外^,还受到强迫振动的干扰力^。它首先是由作用在吊车大车上的由于吊车^{电机}转动产生的一种周期性或非周期性变化的偏心惯性力^,

作者^Ψ郑云河男 #∴ ] ∴年Τ月出生高级工程师

%Θ^ΑΒΦ^{Ψ Ψ}^Ο9^⊥^∀!∴ #_ ^#ΖΤ^Γ ^:^≅Θ 收稿^日期^Ψ^{Ζ∀ ∀ Ω}^一^∀^{] 一 Ζ}^!

钢结构 Ζ∀ ∀Ω 年第#∀ 期第^{Ζ Ζ} 卷总第^#^{∀ ∀} 期

(2)

郑云河^Ψ轻钢厂房吊车梁发生振动和摇免现象的原因及解^决^{方法}

由于吊车轨道安装偏^{差见图} ^Ζ ^, 吊车轮压不一定通过吊车梁的中心即 ⁶ 型钢的腹板位置 ^, 吊车大车启动和行走时对吊车梁产^{生了一}个周期性或非周期性变化的力^,它不仅引起吊车梁垂直振动而且引起吊车梁水平振动^, 其中吊车梁水平振动用 ⁵ ^[

6^【^∋Β^;^。^、^Ε^Φ 表^示^Ξ 其次是由小车行走时小车^{电机}转动产生的 ^一种偏心惯性力^, 它们在小车启动和行走时周期性或非周期性地作用在吊车^{梁上}^, ^用 ⁵ ^[

6^Ψ^ΔΒ^;^≅⁸^Κ^Ψ 来表^示^。

图Ζ 吊车轨道安装偏差示意

由此^, 吊车梁振动微分方程可写为^Ψ

, ・

令一

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^, ^全^{⎯ 。}^Ψ^・^Β

^一

^#^,^, ^{⎯ 。}^Ζ^・^Β

^一

^Ζ^,_Φ^Ψ

式 ^Φ 是一种强迫振动的质点振动微分方^程^。根据力的叠加原理^,可将式 ^Φ 分为两个方程^Ψ

的自振周期^。自由振动振幅 ^& 与质点的初位移和初速度大小有关^, 初位移和初速度越大^,振幅 ^& 越大^Ξ更与吊车^{梁的}自振圆频率^ς 有关^,^ς 越小振幅^&

越大即吊车梁的自振周期 ⁻ 越大或者说吊车梁的水平刚度^。越小^,振幅 ^& 越大 ^。式 ^Τ ^、式 ^Ω 右边第二项是质点强迫振动时的解^,⁹α ^厂^一^。^Ζ 是质点强迫振动时的最大振幅^,显然它与吊车梁的自振圆频率^ς 和质点强迫振动时的圆频率^。有关^, ^{可知}^, 矿一^。^Ζ越小^,振幅^& 越大^, 自振圆频率^ς 与强迫振动圆频率^。越接^近^,振幅^& 越大^,^⊥且趋向于无穷大^,这就是共振现象^。当然^,在实际工程中^, 即使^{ς 一}^。^, ^如果时间不长振幅也不会很大^,这是因为 ^{ς 一}^。时^,式 Τ 和式 Ω 右项的特解不成立^, 根据共振理论^, 共振时强迫振动的振幅为 ^。^一

矗

^, ^,^{它随着}^日^寸^β^‘^{〕的增加}

而无限地增大^, 如图所示^。从现场观察^, 吊车启动^, 吊车梁的振动就会发生^,并随着时间的顺延而不断地增大^, 吊车^一停^, 振动就衰^{减下}来^, ^此^.^{讨如果不} 停车则振幅会越来越大^,吊车^{无法工}作并ΕΕ很危险^。

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山于阻尼力使振动减小^,我们关心的是发生水平振动^{的原因}^, 因此忽略阻尼力使得求解简单^,上两式可写为²

图³ 共振现象^小意

因此吊车梁的水平刚度^〔^、和吊车梁的自振圆频率⁴ 是否接近强迫振动圆频率^。是探讨吊车梁振动问题的关键所在^。为此^, 分别对起重量为 ^{5 6}⁴⁷ 桥式电动单梁起重机^,18 4 7 吊钩桥式^{起重机}^, ^∗。^%∋4 ⁷ 吊钩桥式起重机进行计算^, 吊车跨度均为^{∗ 9}^: ^+; ^,吊车梁^{% )} 型钢^∋跨度为 ^<^; 和 ⁼^: ⁺; ^, 根据 ^>^{? >}≅ ^一 5 / 5计算软件^, 钢材取 ⁰31 ^一Α^, 吊车梁挠度控制在

−Β∗ ⁸^{8 8} 以内^, 吊车梁截面满足设计要求所确定的吊车梁^{% )} 型钢^∋^,计算出吊车空车和满载时吊车梁的水平刚度 ^。^, 自振圆频率 ⁴ 和周期 ^/ ^, 具体计算结果见表 ^∗^。其中吊车梁的水平刚度 ^Χ 按公^Δ弋% Ε∋∃ Φ^∗ 算^, 质量 ^; 空车时取吊车梁自重加^ΓΗ起重机总币^, 满载时取吊车梁自重加上吊车梁最大轮仄的 ⁰ 倍

%即一侧两个轮子^∋ ^,^。按式%Ε∋ 计算²

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方程的解为²

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Τ^,⁰Ν Π⁺^∃^# %⁴^,( ^Θ∋( Λ Β%⁴^&一^。Τ^∋ ^・ ⁵^∃^#^Σ ^, 其中、一

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,^Θ^Χ− Ι

—

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式% <∋^、式^%=∋ 右边第一项为质点自由振动时的解^。可以看ΡΩ^几^,^Π 是质点自由振动时的最大振幅^, ⁴

ΓΓ Γ

…

^Γ ^:^Γ ^Γ^Γ ^Γ ⁰^兀 ^Γ ^Ω石于 ^Γ ⁰^=∀ ^。 ^‘ ^,

是质点的圆频率^,/ 一

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、、^.^二^{。 .} ^Ν

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式中^,^Ψ 为钢材的弹性模量^Τ Κ^, 为 ) 型钢吊车梁的水平^{向惯性矩}^Τ ^Η ^为 ⁾ 型钢吊车梁的跨度^。

5^一^Ζ^Ζ−Υ^{Σ # +}^,^{∀ [ Ζ}^飞∃^{%& #}^: 0 8 8 = % ∗ 8∋^, ∴^Σ−^: ^{0 0}^, ⁷^Σ^: ^{∗ 8 8}

(3)

工程设计

衰 ^Φ 吊车梁水^平刚度与其自振周期的关^系起重量 α 吊车梁

跨度αΘ 吊车梁型号α^{Θ Θ} 吊车跨度^{α 最}大轮^压α 吊车梁水平刚度^Ψα 空载时吊车梁满载时吊车梁

) ^・ Θ Θ ^一^’ 自振周期⁻α^, 自振周期⁻^α^Δ

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^{] Ζ}^]^Ζ

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吊车类型

电动单梁

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∗ 9^Μ 桥式吊车 ^<^:⁸

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群峰^机械^厂新大陆

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∗88∗88

¹⁸¹⁸

∗88∗88∗88

¹⁸

由表 ^∗可知^,各类^型的吊车梁在吊车空载或满此吊车梁在自身振动的同时将振动的干扰力传给了载的情况下^, 自振周期都在 ^∗^: ⁸¹ ^以内^, ^而吊车电动厂房并引起厂房的振动^, 这又是一个强迫振动的问机的转速都较高^, ^{不可}能发生共振^,但是电动^机启动题^, 振动的微分方程和解与上述分析相类似^不再赘的瞬间^,将产生一个较大的反电动势^, 瞬间的转动述^。由于此时 ^矿^一扩可能会是一个很小的数^,根据加速度很大^,会产生一个较大的干扰力^,使吊车梁振共振理论^,吊车梁的振幅会很大^,在其振动的同时产动时的初位移和初速度很大^, ^根据上述分析这是很生了较大的晃动^,从现场^观察^,晃动的周期相当^{于上} 不利的^, 因此选择起重机时应优先考虑选择电动机述理论分析的自振周期^。

有变频性能的起^重机^,可减小该^因素的影响^。

但是从表 ^∗ 可发现^,各类^型的吊车梁在吊车空 ³ 解决吊车梁发生振动和摇^晃的方法

载或满载的情况下其自振周期均与^厂房的自振周期 ^根据以上分析^,找到了引起吊车梁振动和晃动很接^近^,笔者通过不少的轻钢^厂房实例^,归纳^出单跨的原因^,对于如何解决^,笔者认为如果提高^厂房的侧轻钢^厂房的自振周期在⁸^: ¹¹ 左右及以下^, 多跨轻钢向刚度^,^不但增加^{了厂}房的用钢量^,而且吊车梁的自厂房的自振周期为 ^∗^: ⁸Ν ^∗^: ¹¹^。如果不考虑吊车梁振周期还是接^{近厂}房的自振周期^,并不是解决问题

下翼缘对吊车梁侧向刚度的贡献或仅考虑部分^贡的方法^,关键是如何在提高吊车梁侧向刚度^‘的同献^,则吊车梁侧向刚度^‘更小^,此外由于轮^子着力点时使吊车梁的自振周期避开厂房的自振周期^, 为此高^于构件的支座^,构件抗扭刚度^不足^,亦会造成吊车笔者采用增大吊车梁的上翼缘宽度的方法来分析吊梁在吊车^空载或满载的情^{况下}其自振周期更接^{近厂} 车梁侧向刚度^‘^和自振周期变化的趋势^,^见表⁰^。房的自振周期^。吊车梁支承在^厂房钢柱牛腿上^, 因

衰⁰ 群峰机械^厂^吊车梁上: 缘宽度提高后对水平剧度和自振周期的形晌起重, Β 吊车梁跨度Β

47

∗ 88

吊车梁型号 Β^{; ;} 吊车跨度 Β 最大轮压 Β 47

= Ο^: Ε

吊车^梁水平刚度^。Β 空载时吊车梁满载时吊车梁

% 7 ^・ ; ; ^一^’∋ 自振周期/Β ^, ^自振周期^/^Β+

) 188 ⊥0 18 ⊥ 018 义Ε^⊥∗ 0⊥∗ 0 ∗9 ) 18 8 ⊥0=1⊥ 0 18 ⊥Ε⊥∗ 0^⊥∗ 0 ) 188 ⊥ 388 ⊥ 018 ⊥ Ε^⊥∗ 0^⊥∗ 0 ) 18 8 ⊥ 301^⊥0 18 ⊥Ε⊥∗ 0⊥∗ 0 ) 18 8 ⊥ 3 18 ⊥ 01^{8 ⊥} Ε^⊥∗0⊥∗ 0 ) 18 8 ⊥3 = 1⊥01 8 ⊥ Ε⊥ ∗0^⊥∗ 0 ) 188^⊥18 8 ⊥0 18 ⊥ Ε^⊥∗0⊥∗ 0

Ε0 Ε^: Ο∗

∗ ∗⁸0^:Ο3

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∗ Ε∗ 9^:3 <

0 0 = 0^:0 ∗ 0 =9 Ο^:1 9

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8^:ΟΟ9 8^: 3 98 8^: 3 Ο 3 8^: 3 8 Ο 8^: 0 =3 8^: 0Ο= 8^: ∗<0

8^: Ε < Ο 8^:= Ο 9 8^:< 1 Ε 8^。1 Ε Ο 8^:10 3 8^:Ο =0 8^:38=

从表 ⁰ 可得出^, 吊车梁的上翼缘宽度每增大

∗8 _^,吊车梁的侧向刚度 ^。相应提高38 _^, 吊车梁的自振周期相应减小 ∗3 _^,如果吊车梁的上翼缘宽度增大^一倍则吊车梁的侧向刚度^‘提高^Ε 倍^, 吊车梁的自振周期减小 <1 _^, 上述效果^{是很显}著^的^, 吊车梁侧向刚度 ^。^的提高^不但使吊车梁振幅减小了^,

而且使吊车梁的自振周期避开了厂房的自振周期^, 一举两得^。

当然考虑到吊车梁上翼缘^{的局}部稳定^, 势必要增大上翼缘的厚度^,^{不经}济^,此时^可采用吊车梁加隅撑或采用水平制动析架的做法来提高吊车梁的抗侧刚度%见图 Ο∋ ^,实践证明吊车梁加隅撑的做法有^一

姻结构 0^{8 8}=年第^{∗ 8} 期第^{0 0} 券总第^∗⁸⁸ 期

(4)

郑^云河^Ψ轻钢厂房吊车梁发生振动和摇芜现象的原因及解决方法

定的作^用但效果不是很好^Ξ^而水平制动析架的水平刚度大^,效果显著^,是加固首选的方法^。

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图活加隅撑或水平制动析架的做法不意

综上所述^Γ 可采^{用下面几}种方法进行综合^{处理}^Ψ

Φ 不能仅靠^现有的吊车梁计算软件来确定吊车^{梁的}截面尺寸和确定是否应设计水平制动结构^, 而应综合考虑厂房的自振周期和吊车梁的抗侧刚度来确定^。

Ζ 应优先选择电动机有变频性能的起重机^, ^以减小吊车启^动瞬间产生的初始加速度和初位移^, 达到减小干扰力的日的^。

安装吊车^{梁和吊}车轨道时应对中^, 吊车梁在牛腿处拼接应可靠有效^,如图 ^! 所示^。

] 设计时可根据本文推荐的公式计算吊车梁的水平刚度和吊车梁的自振周期 ⁻^, 并与厂房的自振周期进行比较^,然后用加宽吊车梁上翼缘^的宽度^,

#一钢牛腿^Ξ^Ζ ^一吊车梁图! 吊车梁^‘Χ钢牛腿拼接示意

或采用加设水平制动析架的方法解决吊车梁的振动问题^,也可^以采用水平制动析架的方法加^固已经发生振动和摇晃的吊车梁^。泉^州某机械厂和福州某科技园厂房的吊车梁采用这种方法加固后^, 吊车梁能满^足使^{用要}求且厂房振动也明显减小^,证明该加固

方法是有效可行的^。

! 完善^厂房结构^的支撑和劲性系杆的布^置^, ^支撑节点做^{法要}合^理^,尽可能汇交于一点^,柔性支撑^应有效张紧^,以减小厂房^的振动^。

参考文献

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上接第 Ω 页

本文建议对新建的横跨^地铁隧道的人行天桥必须满足^“规范^” ⁴εε Τ∴ ^一∴! 中^“天桥^上部结构竖向自振频率不应小于 ⁶^Κ ^”的要求^。在结构^设计时应对结构自振频率做有限元或拟静力分析^。 ^{对上}部结构自振频率较低的既有人行天桥^,有必要采用诸如

−7^∗ 等控制设备来提高各自由度首阶自振频率^, 以消除梁体抖振对天桥安全性和行人舒^{适度的不良} 影响^。

段^, 对既有^天桥有^{必要进}行动力性能改造^。

地铁车速越高^,振动能量输入越大^,但低速地铁的动载频率更高^, 对部分^天桥的共振效应更强^。故车速在^一定范围内的慢行地铁的振动作用同样不可忽视^。

Τ 结论

# 利用实测数据^,通过频谱分析和有限元分析方法进行模态参数分析^,可以得到天桥上部结构的整体动力特性^。

Ζ 地铁振动是横跨地铁隧道的人行天桥的重要环境激励^,它是以诱发^天桥基础振动的方式使上部结构产生受迫抖^{振的}^。其动载优势频率与上部结构自振频率较低的既有人行^天桥低阶自振频率^{相近}^, 由此引发共振效应^, 造成系统基础振动相对运动传递率^过高^,此为天桥梁体抖振的主要原因^。新建^天桥应确保首阶自振频率尽量远离 ^#^, ^φ ^一 ^#^Γ ^<⁶ ^Κ 频

参考文献

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轻 钢 厂 房 吊 车梁发 生振 动 和 摇 晃现 象的 原 因 及 解决 方 法