В числе конструктивных элементов, определяющих надежность, эксплуатационную пригодность и долговечность промышленных зданий и сооружений, особое место принадлежит подкрановым конструкциям. В преобладающем большинстве производств эксплуатируются подкрановые конструкции в виде сварных или прокатных балок, осуществленных по разрезной или неразрезной схемам.

Для зданий с легкими кранами при больших шагах колонн применяют подкрановые конструкции типа решетчатых ферм с жестким верхним поясом. Технологическая необходимость использования мощных кранов тяжелого и весьма тяжелого режимов работы в ряде случаев успешно реализуется за счет применения комбинированных систем, объединяющих подкрановую балку и подстропильную ферму.

В общем случае подкрановые системы состоят из собственно подкрановой балки, связей, кранового рельса с креплениями, тормозной балки (фермы), связей по нижнему поясу, вертикальных диафрагм или поперечных связей, то есть представляют собой в совокупности пространственный жесткий брус (рис.6.1).

Подкрановые конструкции должны воспринимать весь комплекс нагрузок и воздействий: собственный вес конструкций, вертикальные, горизонтальные и крутящие воздействия катков крана, нагрузки от веса толпы и ремонтных материалов на тормозных конструкциях и площадках, снеговые, ветровые и сейсмические нагрузки, температурные воздействия, а также воздействия от осадки фундаментов.

Вертикальная и горизонтальная нагрузки от катков мостовых кранов прикладываются к рельсу, а затем передаются на верхний узел в виде перемещающихся сосредоточенных сил. Одновременно с этим из-за торможения тележки с грузом, перекосов крана в целом или отдельных его катков, не параллельности крановых путей и иных причин возникают горизонтальные воздействия, для восприятия которых предназначены тормозные балки или фермы.

Особого внимания заслуживает динамический характер всех упомянутых воздействий вертикальных и горизонтальных сил, сопровождающихся рывками и ударами катков на стыках подкрановых балок и рельсов. В особо тяжелых условиях функционируют подкрановые системы зданий, в которых применяются краны весьма тяжелого режима работы с жестким подвесом груза при круглосуточном интенсивном использовании проектной грузоподъемности.

Как показывают обследования зданий и сооружений, независимо от конструктивной формы, марки стали, вида соединений элементов подкрановых конструкций в них часто фиксируются усталостные трещины, расстройство соединений, расшатывание узлов, приводящих к нарушению нормальной эксплуатации или даже к остановке производственного процесса.

Трещины и повреждения возникают наиболее часто в верхней части подкрановых балок, реже дефекты замечаются в местах крепления подкрановых балок и тормозных конструкций к колоннам. Еще реже наблюдаются трещины в нижней части подкрановых балок и относятся они в основном к неразрезным системам. Распределение дефектов, установленных в результате обследования зданий мартеновских и прокатных цехов, представлено на рис.6.2.

В зданиях с железобетонным каркасом и стальными подкрановыми балками дефекты и трещины обнаруживаются в местах приварки опорного ребра к нижней полке подкрановой балки из-за неопределенности передачи опорного давления балки при плоском опирании на закладную деталь и ее перекосе. В случае опира-ния балки на металлическую колонну трещины в зоне прикрепления опорного ребра к балке оказываются следствием дефектов изготовления опорного ребра и некачественной приварки его к балке. Локальные разрушения подкрановых балок в зоне соединения верхнего пояса со стенкой обнаружены также в местах стыков крановых рельсов из-за ударного воздействия катка крана при различном износе концов рельса, а также резком ослаблении крепежных элементов.

Фактором, влияющим на долговечность подкрановых балок, является конструкция крепления рельсов. Конструкции крепления крановых рельсов (квадратная сталь, железнодорожные или специальные рельсы) основаны преимущественно на прижатии рельса к полке балки. Эти типы креплений обеспечивают возможность рихтовки рельса, но не исключают его дискретного опирания из-за дефектов проката подошвы рельса и деформаций пояса подкрановой балки. В результате расстройства креплений рельс занимает эксцентричное положение по отношению к вертикальной оси стенки балки, что вызывает на этом участке дополнительные

напряжения от местного кру-

чения, значения которых иногда могут превосходить расчетное сопротивление стали. Смещения рельсов могут составлять 30 - 40 мм. При этом необходимо учитывать и возможное смещение центра приложения давления на ободе колеса крана в поперечном направлении по отношению к середине опорной поверхности головки рельса. Величина такого смещения может достигать до 40 % ширины головки рельса (рис.6.3).

Нагрузки, действующие на подкрановую балку, носят как детерминированный, так и случайный характер. К первой категории нагрузок относятся воздействия, вызываемые весом моста крана и грузом, продольным и поперечным торможением крана и тележки. Эти нагрузки прикладываются к головке рельса и затем передаются на балку. К категории случайных нагрузок можно отнести воздействия, связанные с боковым давлением крана на головку рельса, вызываемые: забегами пары колес (перекос крана) в режиме пуска или торможения моста крана; эксцентриситетом давления колеса, определяемым смещением рельса; «пятнистостью» опирания рельса, обусловленной искажениями поверхности контакта листа верхнего пояса и подошвы рельса; ударными нагрузками, возникающими в результате износа стыков рельсов.

При определении напряженного состояния подкрановой балки от общего изгиба ее рассматривают как пространственный брус, состоящий из собственно подкрановой балки, тормозной системы с включением в работу рельса, имеющего на опоре непрерывность, учитывается и частичное защемление балки на опоре. Вместе с тем внецентренная передача вертикального давления из-за эксцентриситета оси рельса, который всегда имеет место в реальных условиях, и боковые воздействия при движении крана и тележки создают весьма сложное напряженно-деформированное состояние верхней области подкрановой балки, обусловленное деформациями смятия, кручением пояса и изгибом стенки.

Точное определение этих локальных напряжений представляет значительную сложность. Однако, необходимо иметь в виду, что часто суммарные местные напряжения могут превосходить предел текучести, а иногда даже и предел прочности и, отличаясь цикличностью, предопределяют зарождение микротрещин или их ускоренное развитие.

Недостаточное внимание, уделяемое изучению динамики первичных разрушений в подкрановых балках, объясняет множественное трещинообразование. Одной из причин разрушения сварного шва, соединяющего верхний пояс со стенкой, может служить обкатка образовавшейся в сварном шве микротрещины. Анализируя эпюру касательных напряжений, логично предположить, что любая сколь угодно малая трещина в момент прохождения над ней крана испытывает переменное напряжение сжатия и растяжения. Многократное растяжение ослабленного места способствует зарождению и развитию трещины. Этот процесс ускоряется при наличии дефектов сварных швов, являющихся острыми концентраторами, и остаточных сварочных напряжений от термического воздействия сварки, которые изменяют в худшую сторону свойства материала околошовной зоны.

Не застрахованы от локальных разрушений и клепаные подкрановые балки (рис. 6.2). Наблюдение за поведением этой разновидности подкрановых конструкций выявило также наличие продольных трещин, возникших у выкружек уголков и поперечных трещин в поясных уголках, идущих от заклепочных отверстий. При этом замеренные напряжения оказались существенно ниже расчетных, что дало основание полагать, что поперечные трещины у отверстий развились из микротрещин, возникших в процессе изготовления элементов балок.

Таким образом, из рассмотрения причин преждевременного выхода из эксплуатации подкрановых конструкций можно отметить:

• неудачные проектные решения из-за несовершенства методов расчета, неполного учета действующих нагрузок и их вероятного изменения при эксплуатации;

• дефекты изготовления (заклепки со смещенными головками, неплотное сжатие пакета, непровары, подрезы и другие дефекты сварных соединений, игнорирование специальных технологий выполнения и обработки поясных сварных швов и др.);

• дефекты монтажа (некачественные монтажные болтовые и сварные соединения, смещения подкрановых рельсов относительно стенки балки, отсутствие контроля за надежностью рельсовых креплений перед сдачей в эксплуатацию и др.);

• недостатки эксплуатации: отсутствие контроля за состоянием ходовой части мостового крана и степенью износа катков тележки и крана, а также несоблюдение сроков профилактического осмотра и ремонта рельсов и подкрановых конструкций.

Конструктивные формы подкрановых балок, встречающиеся в практике проектирования и эксплуатации, отличаются общей тенденцией в разработке, направленной на снижение местных напряжений.

Часть известных предложений относится к увеличению крутильной жесткости верхней зоны подкрановых балок за счет усложнения конструктивного решения (рис.6.4 типы 2-5, 9-12). При этом создание подкрановых балок с коробчатым сечением верхнего пояса, вызванное необходимостью избежать передачи давления рельса непосредственно на сварной шов, соединяющий полку со стенкой, приводит к определенному перерасходу металла, увеличению трудоемкости и усложнению технологии изготовления.

Опыт показывает, что применение такого сечения может быть целесообразно для подкраново-подстропильных ферм при пролете 24 м и больше. В балках типов 1-5 (рис.6.4) существенного увеличения выносливости не происходит. Долговечность подкрановой балки с опиранием рельса на ребра (рис. 6.4, тип 6) в 4 раза выше, чем у балки типа 1. Установка наклонных ламелей (рис.6.4, типы 3, 5) несколько увеличивает долговечность балок, но разрушение происходит в опорном сечении, в местах приварки ламелей к опорным планкам. Использование конструктивного решения подкрановой балки с установкой вертикальных ребер с шагом меньшим, чем высота стенки, может быть реализовано в виде балки с вертикально гофрированной стенкой (рис.6.4, тип 20).

Исследования подтверждают возможность рассматривать гофрированную стенку как плоскую с утолщением в зоне примыкания к поясам. Наличие гофр действительно обеспечивает увеличение крутильной жесткости балки. Сдерживающим условием расширения области применения и объема выпуска таких балок является сложная конфигурация стенки, усложняющая выполнение шва прикрепления стенки к поясам, большая деформативность стенки и лимитированность толщины 5 < 8 мм.

Конструктивная форма подкрановых балок с исключением сварного шва из верхней зоны вследствие использования прокатного тавра, получаемого роспуском широкополочного двутавра (рис.6.4, тип 11,12) имеет несомненные преимущества перед балкой, составленной из трех листов. Из-за ограничений, связанных с имеющимися в производстве двутаврами, такая балка может быть рекомендована для кранов групп режима работы 4К-8К грузоподъемностью не более 50 т. Балка типа 13 (рис. 6.4) разработана без сварного шва в месте передачи нагрузки от колеса крана. Однако из-за наличия строганого вкладыша со специально выполненным пазом и гнутых опорных ребер возникают значительные усложнения при изготовлении.

Конструктивные разработки, улучшающие напряженно-деформированное состояние верхней зоны балок, базирующиеся на изучении непосредственных контактов между верхним поясом балки и подошвой рельсов, привели к разработке конструкции гибкого крепления рельсов через стальные прокладки с выпуклой к низу цилиндрической поверхностью, которые устанавливаются по всей длине рельса. Опыт применения балок с такими креплениями рельсов показал их высокую эксплуатационную надежность. Местные суммарные напряжения в балках при использовании прокладок с цилиндрическим основанием уменьшаются в 4-5 раз (рис.6.4, тип 21). Препятствие к широкому использованию креплений рельсов с металлическими прокладками - отсутствие промышленного производства прокладок и гибких прижимов.

Установлено, что местные напряжения существенно зависят от состояния крепления кранового рельса. Снизить местные напряжения можно, используя для этой цели низкомодульные прокладки и пружинные крепления. Экспериментальные исследования таких подкрановых балок адъюстажного отделения обжимного цеха Магнитогорского металлургического комбината показали, что максимальные напряжения в верхней зоне подкрановой балки не превышают предела выносливости стали. Срок службы низко модульных прокладок составляет 4-5 лет.

Результаты исследований подкрановых рельсов на кручение подтвердили их значихельно иилыиуш крухильнуш жес!кос!ь ни сравнению с верхним поясом. Обеспечением совместной работы подкранового рельса и верхнего пояса можно увеличить несущую способность стенки в результате возрастания сопротивления верхнего пояса деформации кручения. Наибольший эффект достигается при жестком креплении рельсов в сечениях, расположенных над вертикальными ребрами. Для этого целесообразно использование высокопрочных болтов, затянутых на нормативные усилия.

Уместно отметить, что передача усилий от местного кручения в местах установки ребер, а также уменьшение расстояния между ребрами способствует снижению всех компонентов напряженного состояния стенки, однако повышенная склонность к разрушению участка шва вблизи ребер препятствует ожидаемому возрастанию долговечности балки.

Для подкрановых балок под краны групп режима работы 6К-8К эффективно соединение поясов со стенкой, выполненное на высокопрочных болтах. При такой конструкции верхнего пояса увеличиваются параметры, положительно влияющие на величину местных напряжений. Важно также и то обстоятельство, что усталостная прочность соединений на высокопрочных болтах существенно возрастает по сравнению со сварными и заклепочными соединениями (рис.6.4, типы 14-19).

Конструкция подкрановых балок с соединением элементов на высокопрочных болтах разработана в виде двутавров с верхним поясом, состоящим из парных уголков с листом или без листа, стенки, выполненной из листа, и нижнего пояса в виде парных уголков или сварного тавра. Такая компоновка сечения подкрановых балок решает следующие задачи:

- сосредотачивает значительную часть материала в наиболее нагруженной верхней зоне подкрановых балок;

- обеспечивает увеличение ресурса балки по выносливости за счет использования соединений на высокопрочных болтах;

- повышает технологичность балок, благодаря постановке высокопрочных болтов взамен заклепок;

- дает возможность сборки балки из отдельных легкоперевозимых элементов непосредственно на месте монтажа в отдаленных и труднодоступных районах, а также северных (снижение требований к материалу конструкций);

- обеспечивает высокую ремонтопригодность подкрановых конструкций.

По своему конструктивному решению, способу соединения элементов и расчетной схеме подкрановые балки подразделяются на следующие типы:

• по расчетным схемам - разрезные (рис.6.5а) и неразрезные (рис.6.56);