談 雙軌天車道梁設計要點

一、 前言

雙軌天車幾乎是毎一棟廠房必備的設備，不論是吊裝廠内機具設備，或維修更換生產設備或拆解設備之零件，或生産過程中搬運原料、運輸產品、吊運或翻轉構件以方便施工等，均須使用雙軌或單軌天車。雙軌天車道梁設計與施工，須考量運轉所需淨空、施工誤差、使用頻率，以及疲勞等問題。雙軌天車設計資料，較不常見，筆者試將設計應考慮事項整理，供工程師參考，不當之處，尚請工程先進不吝指正。

二、具雙軌天車廠房之分類

鋼鐵工程師協會(Association of Iron and Steel Engineers)，在其技術報告13(Technical Report No. 13 (AISE, 2003))，將具有天車設備之廠房，分為A、B、C及D四類：

A類：在預估廠房50年使用年限內，構件承受反復載重50萬至200萬次或更多者。

B類：在預估廠房50年使用年限內，構件承受特定反復載重10萬至50萬次，或每天承受此特定反復載重5至25次。

C類：在預估廠房50年使用年限內，構件承受特定反復載重2萬至10萬次，或每天承受此特定反復載重1至5次。

D類：在預估廠房使用年限內，構件承受特定反復載重2萬次以下。

三、天車起重設備分類

起重機服務分類，是依據實際作業條件載重頻率來區分，美國起重機製造業公會CMAA 70起重機分類建立服務等級，以供選用最經濟起重機。起重機依其最大吊重作業狀況，區分如下：

A類（備用或不常使用型）：此類起重機，可能只是用在設備安裝時，以很慢速度精確的吊裝設備，諸如發電機房、公共設施、渦輪機室、馬達室和變電站。安裝之後到下次使用時，有長時間的閒置。額定負載的荷重，只用在設備的最初安裝時，以及之後不常發生的維修。

B類（輕度使用型）：此類起重機，可能用在維修廠、輕組裝作業場和小型倉儲等，使用輕型及慢速起重機，荷載偶爾用到額定負載，每小時吊掛2到5次，平均揚程3 m。

C類（中度使用型）：此類起重機，可能用在機器工廠、造紙廠機器房等，需用中型起重機，平均荷重為50%額定負載，每小時吊掛5到10次，平均揚程4.5m，滿載(額定負載)吊掛次數不超過一半。

D類（重度使用型）：此類起重機，可能用在重機器廠、鑄造廠、組裝廠、鋼鐵庫房、貨櫃場及木材廠等，使用標準負載的吊桶和磁鐵吸盤，進行大量吊運。在工作期間，其荷載經常接近50%額定負載，須快速吊運，每小時吊掛10到20次，平均揚程4.5m，滿載吊掛次數不超過65%。

E類（極重度使用型）：此類起重機，在其整個生命週期中，均須吊掛接近額定負載的重物，如用在廢鋼廠、水泥廠、木材廠、化肥廠、貨櫃場等的磁吸盤/吊桶組合起重機。每小時以額定負載或接近額定負載吊運20次。

F類（持續極重度使用型）：此類起重機，在其整個生命週期中，須在嚴峻的工作條件下，以接近額定負載持續吊運。屬特製專業起重機，用來執行對總生產功能有關鍵影響的任務。這些起重機，必須有最高的可靠性，並須有易於維護的特性。

四、雙軌天車道梁設計要點

4.1天車規格選用

選用天車規格時，須考慮常用吊重範圍及天車吊重能力，除主鉤外，亦可另配備副鉤，以方便吊運較輕物品時，可利用副鉤操作較方便省電，但主、副鉤，不合併使用。另一考量重點為，須規劃物品吊運時所需之揚程及天車行走等所需之操作淨空，以便配置最經濟之廠房空間及選用有效之天車規格。太高之淨高，除會增加地震彎矩外，亦會增加受風面積，結構工程造價會增加。

4.2天車道梁與支承結構載重組合

廠房之桿件及接頭，必須根據下列三種載重情況設計，每一種載重（例如：靜載重、活載重、吊重偏心、吊車橫力、風力等）産生之力量(彎矩、剪力、軸力等)，先作載重組合再設計之。

第一種情況：用於反復載重下之構材設計，其應力範圍（Stress Range）之決定，係根據一部天車（連棟時只處理一棟即可）之垂直衝擊力、吊重偏心效應與50％的側向衝擊力等校核之，此情況不適用於D級廠房建築物。

第二種情況：所有的靜載重與活載重，包括屋頂活載重加一部天車（或在特別情形下具一部以上的天車）之最大側向衝擊力、一部天車之縱向拖曳(或剎車)力，加上所有的偏心效應，及下列的垂直天車載重之一：

(1)一部天車的垂直載重包括全部的衝擊力。

(2)由盡可能之多部所設置天車之垂直載重，加以排列，以使欲設計桿件產生最大應力者，惟可不考慮衝擊力。此情況可提高容許應力，不考慮疲勞之折減（此情況適用於所有等級之廠房建築物）。

第三種情況：所有的靜載重與活載重，及一部天車的衝擊力與下列所述載重之一：

(1)全部的風力，無側向衝擊力，但有一部天車排列，使其產生最大的垂直載重效應。

(2)50%的風力，加上由一輛天車所產生的最大側向衝擊力與垂直載重效應。

(3)全部的風力而無活載重或天車載重。

(4)在天車走道之一端之止動架，由一部天車產生之緩衝撞擊（Bumper Impact）效應。

(5)將所有天車之靜載重停放於每一列廠房（aisle），使其產生最大的地震效應。

本情況可適用於各級工廠建築物，容許應力允許增加1/3。

4.3 選擇天車道梁之原則：

(1)輕型吊車及短跨度：用寬翼梁。

(2)中型吊車及中跨度：用寬翼梁並以槽鋼蓋板或角鋼，補強上翼板。

(3)重型吊車及長跨度：用板梁，上翼板以桁架或實體版加強。

(4)單軌天車：Ｉ型鋼。

4.4 天車載重下之撓度限制

大梁由於活載重（不包括衝擊載重），產生之垂直允許撓度如下(Ｌ為跨距)：

(1)輕型與中型吊車：L/600。

(2)鋼廠吊車：L/1000。

(3)天車道梁之側向允許撓度：L/400。

4.5衝擊載重

4.5.1垂直衝擊載重

ASCE 7定義之最大輪載重如下：由天車橋重、吊運車(吊機)重，以及額定載重等產生輪載重之總和，其中吊運車係位於產生最大輪載重處。垂直衝擊載重為最大輪載重乘以垂直衝擊載重百分比係數。ASCE 7提供之垂直衝擊載重百分比係數如下：

(1)單軌天車(動力式)：25%

(2)駕駛室操作或遙控操作橋式天車(動力式) ：25%

(3)懸吊按鈕操作橋式天車(動力式) ：10%

(4)橋式天車或單軌天車(天車桁梁及吊運車的驅動由手動齒輪操作)：0%

AISE Technical Report No.13

各種類型天車之垂直衝擊載重，規定為最大輪載重之25%，但馬達維修間之天車垂直衝擊載重，則容許採用最大輪載重之20%。

採用ASCE 7或AISE Technical Report No.13規範，柱托架(牛腿)設計，都必須考慮垂直衝擊載重。

4.5.2側推力（Side Thrust）

天車因為以下因素而產生水平力載重：鋼軌偏位、天車偏斜、吊運車加速度、吊運車煞車、天車操作。

ASCE 7採用動力式吊運車，以天車額定載重及吊運車重之總和的20%計算側推力。側推力假設水平作用在道梁上的牽引表面，方向為與天車道梁垂直的水平正、負兩向，其傳遞與道梁及支撐結構之側向勁度有關。

AISE Technical Report 13要求總側推力為以下最大值，其傳遞與鋼軌支撐結構系統的側向勁度有關：

(1)製造廠天車(Mill crane)：40%；鑄造廠天車(Ladle cranes)：40%；抓斗和磁吸盤天車(包括石板場與鋸木場天車)：40%；鑄造廠天車(Ladle cranes)：40%；抓斗和磁吸盤天車(包括石板與鋸木場天車)；100%；倉儲堆高機(駕駛室操作)；200%；

(2)吊重與吊運車自重之組合載重的20%，但倉儲堆高機（stacker cranes）則為吊重、滑車以及剛臂自重之組合載重的40%。

(3)吊重及天車（包括桁梁及吊運車）自重之組合載重的10%，但倉儲堆高機則為吊重及天車自重之組合載重的15%。

上述吊重定義為，由吊運車所吊起之重量，包括：吊重、吊鈎、吊梁（lifting beams）、磁盤及其他附件。

AISE Technical Report 13對遙控操作天車側推力，要求比照駕駛室操作天車。ASCE 7與AISE Technical Report 13，對【額定載重100 tf 製造廠天車(Mill Crane)，其吊運車自重30 tf，天車總重80 tf】案例之天車側推力建議如下：

(1)ASCE 7(ASD)：0.2(額定載重+吊運車自重)＝26 tf。

(2)AISE Report No.13取下列三種情況之大値：(a)0.40(額定載重)＝40tf(控制)；(b)0.20(額定載重+吊運車自重)＝26tf；(c)0.10(額定載重+天車總重)＝18tf。

4.5.3縱向牽引力

ASCE 7規定：天車道梁之縱向牽引力，以最大天車輪載重的10%計算，作用在道梁牽引表面上，方向為平行於梁的正負兩向。ASCE 7另外排除手動齒輪操作橋式天車須要上述縱向牽引力的要求。

AISE Technical Report 13規定：縱向牽引力以最大天車輪載重的20%計算。

4.6
單跨及連續跨天車道梁

有關選用單跨或連續跨天車道梁系統的優缺點，摘要列舉如下：

1、單跨的優點

(1)針對不同的載重組合更容易設計。

(2)通常不受支點間差異沉陷的影響。

(3)損壞時更易於更換。

(4)當天車載重容量(capacity)增加時，更易於補強。

2、連續跨的優點

(1)連續跨可以減小撓度。

(2)端點的轉動量和移動量都會降低。

(3)在疲勞考量不是決定因素的情況下，能減小型鋼斷面節省成本。

假如支撐點的差異沉陷量，會造成連續天車道梁破壞時，就不要選用連續跨道梁。同時，當連續跨道梁承受疲勞載重，並且在上翼板有銲接附件(軌道夾釘)時，其允許應力差值會相當明顯地降低。

4.7H型鋼梁具槽型鋼帽蓋

為了控制側向變位及側力造成的應力，通常會使用H型鋼梁上覆槽型鋼帽蓋，惟需考量鋼材節省的量與銲接帽蓋增加的成本，是否符合經濟效益。對於輕型天車(小於5 tf)就不需要槽型鋼帽蓋。

4.8天車道梁側撐

天車道梁須側向穩定支撐系統，除可保持天車道梁之穩定外，亦可節省天車道梁之用鋼量。

4.9天車車擋(stops)

天車止動緩衝力大小，視緩衝器消能設備而定，緩衝器可以採用彈簧圈或液壓緩衝器。為抗緩衝力，須有止動裝置、支撐以及其他構件可將緩衝力傳遞至地面。天車道梁的端點部分，必須依作用在天車車擋上的縱向力做設計。彈簧型緩衝器的縱向撞擊力可依下列公式計算

其中，F=天車作用在緩衝器高程之總縱向撞擊力。

w=不含吊重的天車總重。

v=天車衝擊瞬間的指定速度，m/s (AISE Technical Report No.6要求為滿載額定速度的50%)。

et=天車衝擊能量完全被吸收的彈簧衝程，m。

g=重力加速度(9.8 m/s²)。

上述公式不能直接應用在木製或合成橡膠墊(常常出現在舊式天車)防撞塊，此類設置安裝必須依照製造商說明書或經驗。若無資料，建議採用下列兩者的較大值，做為假設的緩衝器撞擊力來設計：

牽引力(tractive force)的兩倍，或全部天車重量的10%。

有關液壓式天車緩衝器撞擊力的計算，可參考AISE Technical Report No. 13 (AISE, 2003)。

4.10天車鋼軌夾扣

有四種常用的固定裝置，用來將天車鋼軌固著在天車道梁上，分別是:鉤形螺栓、鋼軌夾、鋼軌夾鉗(rail clamp)和專利夾具。鉤形螺栓和鋼軌夾鉗的細部，在AISC鋼構造手冊裡都有圖示。

銲接(包括點銲)會明顯地大幅降低金屬疲勞壽命，所以應再仔細評估其效應後，才可使用銲接。

(1)天車鋼軌不要銲在天車道梁上。

(2)將各種配件夾緊或鎖緊在天車道梁上，以避免應力疲勞的狀況。

(3)所有修改調整或修理工作，在進行之前，都必須先送給設計單位審查並核准。

4.11天車道梁的疲勞考量

天車道梁的疲勞設計，可依據鋼結構設計規範，並參考天車廠房分類，及天車起重設備分類，進行鋼梁及其接合疲勞設計。

五、天車道梁設計步驟

起重機(廠房天車)的類別、型式及荷重狀況，均影響天車道梁設計。E類及F類特別有嚴重的疲勞狀況。對於天車道梁及梁柱接頭的設計，疲勞及天車類別是特別關鍵。

5.1載重考慮

(1)最大輪載重與輪間距。

(2)多部天車位於同一走道或相鄰走道之影響。

(3)垂直向衝擊力。

(4)剎車力及縱向衝擊力。

(5)橫向衝擊力。

(6)疲勞效應。

(7)其他

5.2影響天車道梁設計之天車特性

(1)掛釣容量(包括起重裝置在內之吊起載重)。

(2)吊車(bridge)重量。

(3)吊機(trolley)重量。

(4)吊車淨空間與掛釣高度。

(5)載重之服務類別。

(6)移動速度、加速度與剎車速度。

(7)跨度(軌道中心距，會受到屋架撓度而變動)。

(8)輪子數量與間距。

(9)最大輪載重。

(10)集電環鐵軌(或其他動力來源)之型式與位置。

(11)走道鐵軌尺寸及軌道與道梁間之偏心。

(12)緩衝裝置之受壓縮長度。

(13)緩衝裝置(止動架)距吊車鐵軌頂之高度。

5.3天車道梁設計

（1）計算滿足撓度控制所需之慣性矩(I_x與I_y)，對於輕型及中型吊車，其垂直撓度宜限制在L/600以下，重型吊車則宜限制在L/1000以下。

（2）將天車之載重置於最臨界之狀況，如產生最大彎矩或最大剪力等。

（3）計算撓曲彎矩（包括衝擊效應）M_x與M_y。

（4）選擇斷面，須考慮無支撐長度及側向挫屈，若疲勞控制時，亦須考慮容許的應力差值(應力幅)範圍。

（5）以下式校核斷面

其中，

M_x，M_y=分別對鋼梁強軸及弱軸之計算撓曲彎矩（包括衝擊效應）(tf-m)。

Fbx，Fby =分別對鋼梁強軸及弱軸之容許撓曲應力(tf / cm²)

Sx=對鋼梁強軸之斷面模數 (cm³)。

Sy'=上半部斷面對y軸之斷面模數=Sy/2 (cm³)。

根據AISE Technical Report No. 13之規定，由於吊車車輪通過大梁之上翼版產生之局部縱向彎曲應力為：

其中，f_bw=由於輪載重產生撓曲於上翼板之局部縱向應力(tf/cm²)

P=最大輪載重(tf)。

t_f=上翼板厚度(cm)。

I_R=鐵軌之斷面慣性矩(cm⁴)。

I_f=上翼板之慣性矩(cm⁴)。

h=翼板間之淨距(cm)。

t=腹板厚度(cm)。

f_bw值通常在0.07～0.28t/cm²的範圍。

上翼板之頂部應力會增加此局部應力，而上翼板底部應力則會減少此局部應力值。

（6）天車道梁為避免不均勻沈陷產生額外之彎矩，一般不論實際是否為連續梁，均以簡支梁設計。

（7）軌道安裝時，常因施工精度及構架側向撓度等因素，而無法與梁腹板中心一致，而產生偏心彎矩，故天車道梁腹部宜設置加勁板，但考量疲勞效應的影響，加勁板不宜銲接於下翼板。

六.天車走道製造及安裝容許誤差(公差)

6.1天車道梁製造及安裝容許誤差，必須載明設計圖説內，容許公差規定如下。

(1)水平偏移：梁長度每15m不超過6mm。

(2)預拱：梁長度每15m，與圖上標示預拱量差異，不得超過正負6mm。

(3)方正度：梁端部45cm範圍內翼板，必須平整無彎曲，並與梁腹板保持垂直。

6.2天車道梁以及天車鋼軌的製造及安裝，必須符合下列容許誤差。

(1)天車鋼軌必須置於天車道梁中心線上。鋼軌中心與道梁中心線的最大偏心，為道梁腹板厚的3/4，此偏心會造成腹板承受額外的彎矩及天車道梁額外之扭力。

(2)天車鋼軌與道梁的安裝，必須維持在下列容許誤差內：

(a)在20℃溫度下量測，天車橋兩端鋼軌間的水平距離誤差，不得超過±6 mm。

(b)鋼軌直線的縱向每15m的水平偏移，不得超過±6 mm，且軌道總長內最大總偏移為±12mm。

(c)鋼軌直線的縱向在柱位量測的垂直向斜率，不得超過±1/250，且軌道總長內最大總高差為±12mm。

前述各項容許誤差來自AISE Technical Report No. 13。而MBMA's Low Rise Building Systems Manual另提供有一套容許誤差建議。

七、結語

天車是工業廠房重要的設備之一，因雙軌天車位於廠房的上層位置，而且是吊運重量較大的物件，若有掉落，災損較大，甚至破壊重要生産設備，導致生産線停工。因此天車道梁設計的良窳，影響天車結構安全甚鉅。

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