巧用Excel设计及验算轧机牌坊安装用双梁式吊装架

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通过上述参数，并依据经验 ，可以设计采用双梁式 吊装架利用车间内的两台行车双机抬吊安装轧机牌坊。由于手工计算过程相当繁琐，并对吊装架设计进行优化时，手工计算量成倍加大，所以在现场施工时，技术人员常常是先根据经验设定吊装架的结构尺寸进行验算 ，如果满足要求，就不会对吊装梁进行进-步的优化，造成 了-定程度 的材料浪费。

本文主要采用 Excel建立计算模型，根据假定的吊装架系统设定其各项参数，以验算流程逐步建立计算公式，推导出双梁式吊装架系统各部件的安全系数。然后在 Excel中建立带有函数的表格，根据经验在 Excel表格中输入各部件的参数，Excel会自动计算出各部件的安全系数，根据验算结果快速调整各部件的参数，从而快速确定经过优化的吊装架系统，达到既保证 吊装安全，又节约安装成本的目的。其设计验算流程见图2。

设定双桨式帛装架形式设定各部件参数代号及计算式吊装架齄体受力分折并确定各步骤的计算式横粱受力分析计算井确定各步骤的汁算式纵梁受力分析计薜井确定符步骤的计算武刨建Excel表格代人已知量并根据经验初步设定各部件参数值优化蹬汁，最终确定各部件参数值圈2 双粱式吊装架设计验算流程[定稿日期]2012-04-06[作者简介]唐洪志(1972-)，男，教授级高级工程师，注册-级建造师，主要从事机械设备安装调试工程施工技术管理。

四川建筑 第32卷6期 2012.122 验算公式建立过程2.1 整体结构设定根据经验，并且为了简化计算，纵梁采用焊接 H形钢梁，两根纵梁星镜面对称。横梁采用焊接箱型梁，纵梁和横梁之间采用高强螺栓连接。当需要吊装的牌坊重量超过单台行车的额定吊装重量，但低于两台行车主钩额定吊装重量之和的1.15倍时，为保证行车的安全，可以将两个行车的主钩的受力分配比例等于其额定吊装重量之比。为便于计算和分析，假定双梁式吊装架系统为-个刚性架，四根横梁的截面相同，从而整个刚性架可以简化为-个扁担梁。

图3 双粱式吊装架计算简图根据图3，可以建立如下方程式组 ：R gl尺 Qp2Q。4q，R-QDIR Q D2R0L (Q。2Q h)L6Q LR L (Qp2Q h)L5Q LL5L6 L注：式中各种代号表示的意义请参见表1，下同。

根据式(1)可以计算出以下数据：(2)(3) Q D2，： . (4) Q。 2·Q h· ㈣ 2.2 横粱受力分析及公式建立2.2.1 横梁结构特性横梁结构如图4所示。横梁的截面积：A h2.[B h·t h(日h-2· )· ] (6)横梁的重量：Q hP h·[A h·(z-2·td-t蹦)2·曰hd·日hd·t hd]·109(7)豳4 横粱结构图(左)及截面尺寸(右)横梁的截面抗弯模量： 鲁 (8)2.2.2 横梁受力计算横梁实际上相当于两端刚性固定梁，其受力状况优于两端铰接梁假设，为简化计算采用铰接假设，铰接方式计算的结果如能满足安全系数要求，则实际情况下就更能保证吊装安全。根据上述推理，并假定横梁与纵梁之间为铰接，则各横梁受力情况如下。

圈 5 横 梁 1受力分析 两图根据图5，横梁 1端部受力为：R ： (9) hd1横梁 1中点的弯矩为：肘 9.8×10 ×(R ·÷ · 1)(10)根据式(3)和式(7)横梁 1的最大应力为：(11)(2)横粱 2、横粱3：横粱2、横粱3受力情况参 见.图6。

，》--------·I.--------.，/'Ru2rl l J l l I l l J l l I I l I图6 横梁2、横梁3受力简图根据图6，横梁2、横梁3端部支反力为：四川建筑 第32卷6期 2012.12 155· 施墨技术萼测量技术QR ： R h越 (12)横梁2、横梁3的最大弯矩为：， 9.8× o ×( ·÷字· 1)(13)根据式(3)和式(10)，横梁 2和横梁 3的最大应力为：～ (3)横 粱 4：横 粱 4量力简图参 .图 7图 7 横 梁 4受 力分 析 简 图根据图7，横梁4端部的支反力为：‰ ：横梁4中点的弯矩为：9.8×10 ×(尺 .÷ · 1)(15)根据式(3)和式(7)横梁4的最大应力为：肘 l4 ，1 Orhl x 6)2.3 纵梁受力分析及公式建立2.3.1 纵梁结构特性纵梁结构及其截面尺寸参见图8，纵梁的截面积为：A 2B -. (日 -2f )·t (17)图Q P ·A ·(，JB hd)X 10纵梁的截面抗弯模量为：Rj ll l l l l l I l l l l图 9 纵 梁受力计算弼图。 争(2)横梁2至横梁3之间的距离：三2 B -B h(3)横梁 3至横梁4之间的距离： 争(4)横梁2处的纵梁弯矩：( )zM x R ，-Q - - (5)横梁2处的纵梁弯曲应力： (6)横梁3处的纵梁弯矩 ：(20)(21)(22)(23)(24)M R h出 ，-Q ·---- (25)(L， )：(7)横梁 3处的纵梁应力 ：z3 ：- (26)rr zx2.4 安全系数验算对于牌坊吊装时所用的双梁式吊装架，因为属于临时设施，其重复使用的频度较低，基本上-次工程完工后，该吊装架即可报废。同时 ，因为吊装架所吊装的设备非常重要，牌坊重量非常重 ，因此在吊装时 ，必须严格确保吊装过程的安全。根据本公司的经验，吊装架设计、验算时，-般应保证其安全系数在 2.5-3.5之间。如果某工程中只有- 台轧机(两片牌坊)，安全系数可以取 2.5-3.0；如果有多片牌坊，如7机架热连轧机组，安全系数应在3.0～3.5之间。

根据上述，利用上文 中式 (11)、式(14)、式 (16)、式(24)、式(26)分别验算各处的安全系数。安全系数为：( n： (27) 生 (19) 32.3.2 纵梁受力计算假设纵梁为-根两端简支梁，纵梁受力情况参见图9。

根据图9，并考虑牌坊吊装时横梁 2和横梁 3的结构尺寸，得出下列计算式 ：(1)横梁 1至横梁2之间的距离 ：156建立 Excel计算模型根据上文，建立Excel计算模型(参见表 1)。

四川建筑 第32卷6期 2012.12施工撬带苟-测曩技术 -.1表 l 双梁式吊装架Excel计算模型及优化结果A B C D (D) E1 名称 单位 代号 Excel计算式或赋值 Excel计算式或赋值 备注2 牌坊的重量 t Q P 145.00 定量3 牌坊的窗口宽度 mm B P 238O.0o 定量4 牌坊的厚度 mm t P 740.00 定量5 牌坊的柱截面宽度 mm t Pw 8o0.0o 定量67 第 1台行车主钩的额定起重量 t Q Dl 1o0.o0 定量8 第 2台行车主钩的额定起重量 t Q D2 50.oo 定量两台行车靠拢时主钩之间的最小 9 L 8ooo. 0o 定量 水平距离(D22 (D562 D33))/(1D8/ 10 第 1台行车主钩受力 t R g1 101.00 D7) (D2十2 (D562 D33))/(1D7/ 11 第 2台行车主钩受力 t R 5O. 5O D8)1213 横梁 1至横梁2中心距 mm Ll D17-，D3-D23)/2 l633.3414 横梁2至横梁3中心距 mm L2 ：D3-D23 1960.0015 横梁3至横梁4中心距 mm L3 ：D18-(D3-D23)/2 44o6.66横梁 1(横梁 4)至纵梁端部的 16 mm Ld D27/2 290. 0o 距离横梁 1中心至牌坊窗 口中心的 139 (D11-D33-D56)/(D22 l7 mm L5 2613. 34 距离 D33)横梁 4中心至牌坊窗口中心的 1)9 (D10-D33-D56)/(D22 18 nlm L6 5386.66 距离 D33)19 纵梁 1、纵梁 2之间的中心距 mm l I)4D49 l280.00202l 横梁总长度 Ilnl L z I)4I)49-D51 1268.0022 横梁截面高度 mm Hh I)48-4 D50-160 636.0023 横梁截面宽度 mm B h 10 INT(0.1 (1)22$2/3)) 420.0024 横梁翼缘板厚度 mm t h 12.oo 调整量25 横梁腹板厚度 nlm t hw 8.oo 调整量26 横梁端面连接板高度 mm H hd D48-4 D5O 796.0027 横梁端面连接板宽度 nlnl B hd ：D23160 580.0028 横梁端面连接板厚度 nlm t hd 20.0o 调整量(1323 D22 3-(D23-2$D25)女 29 横梁截面抗弯模量 mm W h 4047O95.55 (D22-2D24)3)/(6 D22)30 横梁的截面积 min A h 19872.00 2 (D23 D24(D22-21Y24)D25)31 横梁材料比重 m3 O h 7.85 7.85 定量32 横梁材料许用应力 MPa [盯]h 235 235.00 调整量四川I建筑 第32卷6期 2012.12 157续表lA B C D (D) ED31·(D30(DI9-2D28-D51) 33 横梁总重量 t Q h 0.34D26 13271Y28 2)十10 (-9)34 横梁 1端部支反力 t R hdl (D10-D33)/2 50.339.8 10 3f D34D19/2D33 35 横梁 1中部的最大弯矩 N·mnl M hl 316207132.46 D19/8)36 横梁 1的最大弯曲应力 MPa 盯h1 x D35/D29 78.1337 横梁 1的安全系数 n h D32/D36 3.011t hd238 横梁2、横梁3端部的支反力 t (D2/2D33)/2 36.42 Rhd3MIl2 9. 8$103f D38D19/2D33 39 横梁2、横梁 3中部的最大弯矩 N·mm 228943O35.36 MIl2 D19/8)盯 lI2x40 横梁2、横梁 3的最大弯曲应力 MPa ：D39/I)2 9 56.57仃 Il2xn l241 横梁 2、3的安全系数 D32/D40 4.15n l342 横梁4端部支反力 t R hd4 ：(D11-D33)/2 25.089.8 10 3(I342 D19/2D33 43 横梁4中部的最大弯矩 N·mm MI4 l57839727.00 D19/8)44 横梁4的最大弯曲应力 MPa 叮h4x D43/D29 39.0o45 横梁4的安全系数 n h4 D32/D44 6.O34647 纵梁总长度 L。 D9D27 8580.o048 纵梁截面高度 mm H 90o.0o 调整量49 纵梁截面宽度 n1m B 10十INT(0.1(1)480.6)) 540.0050 纵梁翼缘板厚度 mm t z 26.0o 调整量51 纵梁腹板厚度 mm tw l2.0o 调整量(IN9 IN8 3-(IN9-D51) (D48 52 纵梁截面抗弯模量m m 3 W 13275092.34- 2 D50)3)/(6十IN8)2 1349十D50(1348-2十DS0) 53 纵梁的截面积 mm A 38256.01)D5154 纵梁材料比重 m p z 7.85 7.85 定量55 纵梁材料许用应力 MPa [叮] 235 235.00 调整量56 纵梁总重量 t Q。 D54D53 IN7 10 (-9) 2.589.810"3(D34十D13-D56 (D13 57 纵梁在横梁2处的弯矩 N·mm M 7998O4624.98IY27/2) /(2I)9))58 纵梁在横梁2处的弯曲应力 MPa 仃 x D57/D52 60.2559 纵梁在横梁2处的安全系数 n吐 D55/D58 3.9O9.810 3 (IN2D15-(D56 60 纵梁在横梁3处的弯矩 N·mm M lo48344787.43(D15D27/2)2/(2 O9)))6l 纵粱在横梁3处的弯曲应力 MPa 盯 x D6O/D52 78.9762 纵梁在横梁 3处的安全系数 nd D55/D6l 2.98l58 四川I建筑 第32卷6期 2012.12续表1A B C D (D) E6364 吊装架总重量 t Qj 4D332 D56 6.504 代入数据并优化设计 比、纵梁截面与横梁截面的高度比等。

(5)如经过优化调整后的吊装架与牌坊的总重量超出两4.、 l八 。.-.、， ..， .。 台行车的起重能力，可以将吊装梁的材质等级提高，如将钢。， 量建的号三 董 . 兰 ； 麦为 5 。 -～ 牌坊最大重量为145 t，车间内最大的行车主钩额定起重量 - 。～ -为100 t，相邻的-台行车主钩额定起重量为50 t，其余数据 5 结束1嚣参见表1。在Excel中建立计算模型后，根据经验并进行调 我公司在某安装工程中对上述计算模型进行了成功应整后的计算结果见表 1中的(D)”列。 用，取得了较好的经济效益和安全效益。安装工程现场的工4.2 优化设计注意事项 程技术人员经常要遇到类似需要设计验算的情况，如采用专4.2.1 优化设计步骤 业计算软件，那将导致工程技术人员所需专业软件的种类、(1)确定纵梁截面参数； 数量都急剧上升，购买这些专业软件都将导致企业成本的增(2)确定横梁截面参数。 加，而 Excel作为-种常用的办公软件 ，已经是工程技术人员4.2.2 优化设计原则 必备、常备的办公软件，充分利用Excel软件的强大的计算功(1)纵粱优化应以横梁2和横梁3两处的安全系数中较 能，可以解决很多现称算问题，因此，在-段时期内，利用小的-个值的位置为准，其安全系数应介于2.5-3.5之间； Excel建立工程问题的计算模型，都将是解决类似问题的-(2)横梁的优化应以4根横梁中安全系数最小的-根横 个良好工具。

梁为准 ，其安全系数应介于2.5-3.5之间；(3)尽量减少吊装架制作材料的规格数量。如：横梁的翼缘板厚度尽量与纵梁的腹板厚度相同；横梁端板的厚度尽量与纵梁的翼缘板厚度相同；4根横梁的截面尽量选用相同参数(也便于现场组装吊装架式不易发生错误)。

(4)建立调整量之间的经验公式，可以更迅速准确的确定吊装架的各项参数。如：纵梁的高宽比、横梁截面的高宽