Dầm cầu trục nhà xưởng: phân loại chế độ làm việc, tải trọng và những điểm cần kiểm tra

Cùng một nhà xưởng, hai phương án dầm cầu trục có thể chênh nhau khá nhiều về trọng lượng thép, dù sức nâng danh nghĩa của thiết bị không đổi. Nguyên nhân thường nằm ở cách bố trí bánh xe, chế độ khai thác, yêu cầu chuyển vị và cấu tạo liên kết với hệ khung nhà.

Dầm đỡ ray cầu trục là kết cấu chịu tải di động và lặp lại. Chỉ tính mô men do tải đứng rồi chọn một tiết diện thép I là chưa đủ, đặc biệt với cầu trục hoạt động nhiều ca hoặc thường xuyên nâng tải lớn.

Cầu trục dầm đôi trong nhà xưởng kết cấu thép — Hình 1. Minh họa cầu trục chạy trên hệ ray dọc nhà xưởng

1. Dầm cầu trục nằm ở đâu trong hệ kết cấu nhà xưởng?

Cần phân biệt dầm cầu trục (dầm đỡ ray, chạy dọc nhà xưởng) với dầm chính của cầu trục (cầu chạy ngang qua khẩu độ nhà). Hai cấu kiện này khác nhau về phạm vi thiết kế, cách nhận tải và trách nhiệm cung cấp số liệu.

a454a21a-91b3-47a7-82ce-7b7953ac29aa — Hình 1. Minh họa cầu trục chạy trên hệ ray dọc nhà xưởng

Khi cầu trục di chuyển, các bánh xe truyền tải xuống ray, từ ray xuống dầm đỡ ray, rồi qua gối dầm, vai cột và cột nhà. Ngoài tải đứng, lực ngang từ chuyển động của xe con, cầu trục và các tác động vận hành có thể gây uốn quanh trục yếu hoặc xoắn dầm. Lực dọc đường ray cũng phải có đường truyền tải về hệ giằng và hệ khung thích hợp.

Dầm có thể dùng tiết diện thép hình cán nóng, dầm I tổ hợp hoặc tiết diện có cấu tạo tăng cường chống chuyển vị ngang. Việc chọn phương án phải đi sau bước xác định tải và điều kiện khai thác, không nên chỉ nhìn vào sức nâng danh nghĩa.

2. Phân loại chế độ làm việc: đừng chỉ nhìn số tấn nâng

Trong hồ sơ có thể gặp hai cách ký hiệu: Class A đến F theo CMAA và A1 đến A8 trong hệ phân loại theo ISO. Đây là các hệ được xây dựng theo cách đánh giá chế độ sử dụng riêng. Không có phép đổi cố định kiểu “A5 bằng Class C” áp dụng cho mọi cầu trục.

Các mức dịch vụ cầu trục CMAA — Hình 3. Sáu mức chế độ phục vụ cầu trục theo CMAA, thể hiện theo chiều tăng mức độ sử dụng

Phân loại CMAA	Tính chất khai thác điển hình	Ghi chú thiết kế
A	Dự phòng, dùng không thường xuyên	Ít chu kỳ làm việc
B	Nhẹ	Tần suất thấp, tải nâng không thường xuyên lớn
C	Trung bình	Khai thác sản xuất thông thường
D	Nặng	Sử dụng thường xuyên hơn, yêu cầu chú ý mỏi
E	Rất nặng	Tần suất và mức tải cao
F	Liên tục, đặc biệt khắc nghiệt	Tải lặp lớn; chi tiết chống mỏi rất quan trọng

Với hệ ISO, nhóm A1–A8 được dùng để phân loại cầu trục theo điều kiện sử dụng. Ký hiệu M1–M8 dùng cho cơ cấu, chẳng hạn cơ cấu nâng hoặc cơ cấu di chuyển. Vì thế, ghi “A5/M5” trong catalogue có thể là thông tin của hai đối tượng phân loại khác nhau; cần đọc đúng tên trường dữ liệu của nhà sản xuất.

Một cầu trục 50 tấn làm việc vài lượt một ngày khác đáng kể với một cầu trục 50 tấn làm việc liên tục cả ngày. Sức nâng bằng nhau không có nghĩa là yêu cầu đối với dầm đỡ ray giống nhau.

3. Những loại tải trọng phải xét

Đối với dầm cầu trục, ít nhất phải làm rõ các nhóm tác động sau:

Tải đứng: phản lực bánh xe do tự trọng cầu, xe con, thiết bị nâng và vật nâng; xét vị trí bất lợi của xe con và cầu trục.
Hiệu ứng động theo phương đứng: hệ số hoặc quy định về tác động động theo tiêu chuẩn thiết kế được chọn; không tự cộng thêm một tỷ lệ tùy ý vào mọi thành phần.
Lực ngang vuông góc ray: liên quan đến dịch chuyển xe con, vận hành cầu trục và cơ chế truyền lực ngang vào ray.
Lực dọc ray: lực do tăng, giảm tốc hoặc hãm cầu trục; truyền qua hệ liên kết dầm, giằng dọc và cột.
Tác động tại cữ chặn: kiểm tra riêng khi sơ đồ và điều kiện vận hành có yêu cầu.

Các thành phần chính trên mặt cắt dầm đỡ ray — Hình 4. Mặt cắt nguyên lý dầm I tổ hợp, ray và hướng tác dụng của tải đứng, tải ngang

Tải bánh xe lớn nhất trong catalogue rất quan trọng, nhưng chưa đủ để lập mô hình. Người thiết kế còn cần số bánh trên mỗi đường ray, khoảng cách trục bánh, tải bánh xe nhỏ nhất nếu cần, khối lượng của các bộ phận và các trường hợp vị trí xe con. Phản lực từ hai đường ray có thể khác nhau khi xe con chạy gần một phía nhà.

Theo AISC Design Guide 7, thiết kế dầm cầu trục phải xét đồng thời uốn theo trục mạnh và trục yếu, cùng các ảnh hưởng của điểm đặt tải ở cao độ ray. Không thể mặc nhiên xem tải ngang là lực đặt tại tâm tiết diện dầm.

4. Ví dụ xác định nội lực từ hai tải bánh xe

Xét một trường hợp minh họa dựa trên thông số cầu trục trong tài liệu đầu vào. Đây không phải kết quả kiểm toán tiết diện và cũng không khẳng định hình học bánh xe của thiết bị thực tế.

Thông số	Giá trị	Nguồn / tính chất
Sức nâng danh nghĩa	50 tấn	Catalogue được tóm tắt trong tài liệu đầu vào
Nhóm cầu trục ghi trong hồ sơ	A5	Tài liệu đầu vào
Nhóm cơ cấu ghi trong hồ sơ	M5	Tài liệu đầu vào; cần xác nhận cơ cấu cụ thể
Tải đứng bánh xe lớn nhất $P$	435 kN	Tài liệu đầu vào
Loại ray cầu trục	QU80	Tài liệu đầu vào
Nhịp dầm đỡ ray $L$	6,0 m	Giả thiết minh họa
Số bánh tác dụng đồng thời trên một nhịp	2 bánh	Giả thiết minh họa
Khoảng cách hai bánh $a$	3,0 m	Giả thiết minh họa
Sơ đồ	Dầm đơn giản, hai tải bằng nhau bố trí đối xứng	Giả thiết minh họa

Trong trường hợp giả định này, hai tải bánh xe đều được lấy bằng $435$ kN. Đây là cách đặt tải có chủ đích để minh họa phương pháp, không phải kết luận rằng mọi bánh xe đều đồng thời đạt phản lực cực đại trên cầu trục thật.

Sơ đồ hai tải bánh xe trên dầm nhịp 6 m — Hình 5. Ví dụ dầm đơn giản nhịp 6,0 m, hai bánh cách 3,0 m, mỗi bánh có tải đứng 435 kN

Do hệ tải đặt đối xứng, phản lực tại hai gối bằng nhau:

$R_A=R_B=\frac{2P}{2}=435\ \mathrm{kN}$

Hai bánh nằm cách mỗi gối một đoạn:

$b=\frac{L-a}{2}=\frac{6{,}0-3{,}0}{2}=1{,}5\ \mathrm{m}$

Mô men uốn trong đoạn nằm giữa hai bánh xe là hằng số:

$M=R_A,b=435\times1{,}5=652{,}5\ \mathrm{kN\cdot m}$

Lực cắt có giá trị lớn nhất về trị tuyệt đối tại đoạn gần gối:

$|V|_{\max}=435\ \mathrm{kN}$

Kết quả $652{,}5$ kN·m chỉ đúng cho vị trí tải đối xứng đang xét. Khi hai bánh cùng di chuyển dọc dầm, mô men lớn nhất của bao nội lực có thể xuất hiện ở một vị trí khác. Vì vậy, trong SAP2000 hoặc bảng tính thiết kế cần cho đoàn tải di chuyển qua nhịp, lấy bao nội lực thay vì chỉ kiểm tra một vị trí.

5. Các kiểm tra dễ bị bỏ sót khi chọn dầm

5.1. Uốn hai phương và ổn định

Dầm chịu tải trọng đứng tạo mô men quanh trục mạnh. Lực ngang tại ray tạo mô men quanh trục yếu, đồng thời có thể gây xoắn do vị trí đặt lực cao hơn tâm cắt. Tiết diện cần kiểm tra theo mô hình truyền lực và chiều dài chống mất ổn định thực tế; không coi ray và kẹp ray là hệ giằng ngang hữu hiệu nếu chưa chứng minh được khả năng làm việc này.

5.2. Bản bụng tại vị trí bánh xe

Lực bánh xe tập trung qua ray và cánh trên vào bụng dầm. Các trạng thái cần xem xét gồm chảy dẻo cục bộ, mất ổn định cục bộ của bản bụng, khả năng tiếp nhận tải tập trung, và nhu cầu bố trí sườn tăng cứng. Khoảng cách sườn không thể chỉ lựa chọn theo thói quen chế tạo.

5.3. Chuyển vị đứng và ngang

Chuyển vị đứng ảnh hưởng đến vận hành cầu trục; chuyển vị ngang ảnh hưởng đến ray, bánh xe và độ thẳng tuyến. AISC Design Guide 7, chương về thiết kế dầm cầu trục, đưa ra các mức tham khảo theo chế độ phục vụ, chẳng hạn độ võng đứng khoảng $L/600$ cho nhóm A–C, $L/800$ cho D và $L/1000$ cho E–F trong phạm vi nêu tại tài liệu; chuyển vị ngang tham khảo $L/400$ . Đây là khuyến nghị của tài liệu hướng dẫn AISC, không phải một giới hạn TCVN mặc định cho mọi dự án. Phải thống nhất yêu cầu kỹ thuật của thiết bị, tiêu chuẩn áp dụng và hồ sơ đặt hàng.

5.4. Mỏi và chi tiết liên kết

Đối với cầu trục làm việc nhiều chu kỳ, dầm có thể không hỏng do một lần nâng tải lớn, nhưng vết nứt lại khởi phát từ các chi tiết hàn hoặc vị trí tập trung ứng suất. Những nơi cần quan sát kỹ gồm mối hàn cánh–bụng, đầu sườn tăng cứng, chỗ kết thúc bản tăng cường, bản mã liên kết dầm và chi tiết kẹp ray. Bố trí mối hàn, loại chi tiết và phạm vi biến thiên ứng suất cần phù hợp với quy định kiểm tra mỏi được lựa chọn.

6. Những thông tin cần chốt trước khi dựng mô hình

Để tránh phải thay đổi tiết diện sau khi nhận catalogue, nên chốt với nhà cung cấp thiết bị các thông tin sau:

Sức nâng, tự trọng cầu trục, tự trọng xe con và thiết bị nâng; phân biệt các tổ hợp phản lực trong catalogue.
Số lượng bánh trên mỗi bên ray, khoảng cách bánh, khoảng cách hai ray, tải bánh xe lớn nhất và nhỏ nhất theo các vị trí xe con.
Nhóm làm việc của cầu trục, nhóm làm việc các cơ cấu và dự kiến chu kỳ nâng trong thời gian sử dụng thiết kế.
Chủng loại ray, phương án kẹp ray, dung sai lắp dựng và yêu cầu căn chỉnh ray.
Vận tốc di chuyển, thông tin về phanh, lực ngang, lực dọc và tác động tại cữ chặn do nhà cung cấp xác nhận.
Yêu cầu về độ võng, chuyển vị ngang, giới hạn chênh cao ray và tuổi thọ mỏi của hệ đỡ ray.

Với mô hình kết cấu, cần thể hiện đúng vị trí đoàn tải trên cả hai tuyến ray và đường truyền lực ngang/dọc về cột, giằng. Với hồ sơ triển khai, cần kiểm tra đồng bộ cấu tạo gối dầm, bu lông, bản mã, sườn, đường hàn, vị trí nối ray và khả năng thi công căn chỉnh.

7. Kết luận

Dầm cầu trục không phải một dầm sàn thông thường có tải di động đặt lên trên. Chế độ làm việc quyết định mức độ cần quan tâm đến mỏi; hình học bánh xe quyết định bao nội lực; độ cứng ngang và chi tiết liên kết quyết định khả năng vận hành ổn định lâu dài. Khi thiếu số liệu catalogue, nên dừng ở mức phương án sơ bộ, ghi rõ giả thiết và yêu cầu xác nhận trước khi phát hành thiết kế chính thức.

Tài liệu tham khảo

ISO 4301-1:2016, Cranes — Classification — Part 1: General. Trang giới thiệu tiêu chuẩn ISO.
AISC, Design Guide 7: Industrial Building Design, ấn bản thứ ba (2019), chương 12 về tải trọng cầu trục và chương 14 về thiết kế dầm cầu trục.
CMAA, Specification No. 70 — Specifications for Top Running Bridge & Gantry Type Multiple Girder Electric Overhead Traveling Cranes, nội dung phân loại service class A–F; cần tra đúng ấn bản sử dụng trong dự án.
Tài liệu đầu vào do người dùng cung cấp: Phân loại dầm cầu trục theo TCVN và AISC/CMAA; các thông số 50 tấn, A5/M5, 435 kN, QU80 được trích để xây dựng ví dụ, không phải hồ sơ catalogue gốc đã được kiểm chứng.