大型煉鋼廠房采用不同跨度和材質(zhì)下吊車梁經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

  吊車梁作為直接承受吊車荷載的廠房鋼構(gòu)件，具有跨度大、斷面高且寬、板材厚的顯著特點(diǎn)，其用鋼量相對(duì)較大，約占廠房總材料量的1/3。特別是對(duì)于支承大噸位吊車的吊車梁，其用鋼量非常大，故而對(duì)不同跨徑吊車梁，鋼材材質(zhì)的選擇以及截面尺寸的擬定對(duì)工程的經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。一般來(lái)說(shuō)，隨著主廠房柱距的增加，吊車梁的跨度也相應(yīng)加大，隨著吊車噸位及吊車梁跨度的加大，吊車梁內(nèi)力會(huì)快速增長(zhǎng)，其截面設(shè)計(jì)尺寸及結(jié)構(gòu)自重也會(huì)隨之增加。為滿足設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)要求，選用高強(qiáng)度鋼材是行之有效的方法之一。目前中、小轉(zhuǎn)爐工程(廠房)中吊車梁構(gòu)件的材質(zhì)多以Q345鋼材為主，與采用Q235鋼相比經(jīng)濟(jì)效果明顯。而對(duì)于大跨、重載工程，其內(nèi)力相應(yīng)大大增加，對(duì)吊車梁的斷面及材質(zhì)要求必然會(huì)更高，因此，需考慮選用強(qiáng)度更高的鋼材。

   Q390鋼較Q345強(qiáng)度提高，同等條件下可使梁的橫截面尺寸減小，從而降低結(jié)構(gòu)自重;另一方面，采用Q390鋼可使梁的強(qiáng)度與剛度更加匹配，避免了當(dāng)梁受力已達(dá)到強(qiáng)度極限發(fā)生破壞而其剛度仍具有較大儲(chǔ)備的現(xiàn)象，從經(jīng)濟(jì)性角度而言，采用Q390及Q420等高強(qiáng)鋼可減少材料量以及相應(yīng)的加工、運(yùn)輸、吊裝等工程費(fèi)用。但是，當(dāng)鋼材等級(jí)提高時(shí)，材料價(jià)格以及加工費(fèi)用都相應(yīng)增加，這些都是設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮的重要方面。因此，本文對(duì)相同吊車噸位下，不同跨徑、不同鋼材強(qiáng)度吊車梁的截面尺寸及用鋼量進(jìn)行對(duì)比，歸納其鋼材用量及費(fèi)用的變化趨勢(shì)，以期得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

    對(duì)于300噸級(jí)別的大轉(zhuǎn)爐工程中吊車梁跨度的選取，除了目前工程中已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)的26，27，29，30 m外，另增加24，25，28 m三種情況，以便進(jìn)行更全面的對(duì)比分析。表所列是4800 kN吊車荷載作用下，在24～30 m跨度時(shí)，分別采用Q345及Q390兩種材質(zhì)的焊接工字形吊車梁截面尺寸，以及在考慮上下翼緣、腹板、腹板加勁、支座加勁等主要材料的情況下各吊車梁的質(zhì)量。從圖可以看出，24m跨度吊車梁在采用Q345和Q390兩種材質(zhì)時(shí)質(zhì)量幾乎沒(méi)有差別。隨著跨度加大，Q390的優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，吊車梁質(zhì)量差從25m跨度時(shí)的1%逐漸加大，直到29，30 m跨度時(shí)的5.9%。當(dāng)跨度超過(guò)29m時(shí)，Q390與Q345相比，單個(gè)吊車的用鋼量節(jié)約達(dá)5t以上。同時(shí)，從表中的吊車梁斷面尺寸可以看出，材質(zhì)提高時(shí): 上翼緣面積減小較多，基本上在11%～15%。下翼緣面積變化較小，有的甚至沒(méi)有變化。這是因?yàn)椋捎肣345鋼材時(shí)吊車梁基本是強(qiáng)度控制，撓度稍有富余(在L/1 300左右，其中，L為吊車梁跨度)，加勁底端的疲勞應(yīng)力幅多在90MPa以下。而采用Q390鋼材時(shí)，吊車梁基本上是疲勞與撓度控制(撓度在L/1 220左右)，加勁底端的疲勞應(yīng)力幅多在90MPa以上，上翼緣應(yīng)力水平比較高，但下翼緣為滿足疲勞要求，應(yīng)力只能維持在200～210 MPa。也就是說(shuō)，在吊車梁下翼緣，Q390的材料強(qiáng)度不能得到充分發(fā)揮，這正是與采用Q345相比下翼緣面積幾乎沒(méi)有減小的原因。綜上所述，采用Q390時(shí)節(jié)省的材料量是隨著吊車梁跨度厚度時(shí)加大而逐漸增加的。至于Q420鋼材，通過(guò)對(duì)30m跨度吊車梁的試算分析，受撓度、疲勞控制影響，材料量幾乎沒(méi)有變化，考慮到Q420鋼的單價(jià)又比Q390上漲較多，綜合判斷其不適于在同等級(jí)別的吊車梁中采用。

  根據(jù)當(dāng)時(shí)市場(chǎng)調(diào)研得到的數(shù)據(jù)，相同尺寸的板材中Q390鋼比Q345鋼的價(jià)格高，價(jià)差約170元/噸，相對(duì)于11～40 mm厚度的板材價(jià)格來(lái)說(shuō)，41～50 mm厚度時(shí)加價(jià)60元/噸，50～60 mm厚度的加價(jià)120元/噸。采用Q390鋼時(shí)，部分板材特別是上翼緣板的厚度會(huì)有所減薄，價(jià)格又會(huì)有所下降。圖在考慮材質(zhì)、厚度、正火、性能要求及加工、運(yùn)輸、吊裝等情況下，就兩種材質(zhì)吊車梁的總價(jià)進(jìn)行了計(jì)算匯總。由圖可知由于Q390的綜合單價(jià)比Q345略高，對(duì)于跨度25，26，27 m的吊車梁，雖然材料用量有所減少但總價(jià)反而升高，經(jīng)濟(jì)效益差，跨度28m時(shí)材料減少2.4%而總價(jià)相對(duì)持平，對(duì)跨度更大的29，30m吊車梁，由于材料量減少較多，總價(jià)可降低3.6%～3.7%。因此當(dāng)工程中大跨度吊車梁較多時(shí)，采用Q390高強(qiáng)鋼與采用Q345鋼相比，可大大節(jié)省工程直接費(fèi)，取得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

  采用多肢鋼管混凝土格構(gòu)柱的方案，用鋼量可以大幅減低、結(jié)構(gòu)整體剛度提高;而且柱子系統(tǒng)避免了出現(xiàn)超過(guò)40mm以上的厚板，不但能有效降低成本，而且避免了“厚板加工困難和訂貨周期長(zhǎng)”對(duì)工期的影響，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。當(dāng)?shù)踯嚵嚎缍仍?7m及其以下時(shí)，采用Q345鋼材比較經(jīng)濟(jì)，而當(dāng)跨度更大時(shí)，采用Q390鋼材的優(yōu)勢(shì)明顯。受吊車梁工作特性及設(shè)計(jì)控制指標(biāo)影響，Q420鋼材的高強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)難以充分發(fā)揮，綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)沒(méi)有Q345、Q390好，目前不建議采用。