起重機(jī)總體設(shè)計及金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計,起重機(jī),總體,整體,設(shè)計,金屬,結(jié)構(gòu)設(shè)計 起重機(jī)總體設(shè)計及金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計 龍門式起重機(jī)的總體設(shè)計包括以下內(nèi)容：確定總體方案，選擇主要參數(shù)，確定計算載荷，計算壓輪和穩(wěn)定性。 起重機(jī)的設(shè)計參數(shù)是指：起重量Q(t)、跨度L(m)起升高度H(m)起升速度(m/min)、小車運(yùn)行速度(m/min)和工作級別等。 起重機(jī)的設(shè)計參數(shù)是指：有無電源(交流或直流)、工作地點(室內(nèi)或室外)、最大行程以及工作環(huán)境(溫度、濕度、有無煤氣或酸氣)等。 其它要求：如起重機(jī)所占空間的限制、司機(jī)室的型式(敞開式或封閉式)、司機(jī)室的位置(在橋梁中間或一端)、司機(jī)室的高度、操縱方式(手動、電動，遙控)等。 龍門起重機(jī)的總體方按和基本參數(shù)確定： 龍門起重機(jī)廣泛用于各種工礦企業(yè)、交通運(yùn)輸和建筑施工。主要在露天貯料場、建筑構(gòu)件加工場、船塢、電站、港口和鐵路貨站等處，用其裝卸及搬運(yùn)貨物、設(shè)備以及建筑構(gòu)件安裝等。 一、門架的結(jié)構(gòu)型式： 采用板梁結(jié)構(gòu)。由于板梁結(jié)構(gòu)制造方便，采用這種型式的門式起重機(jī)占多數(shù)。門架可制成雙腿(全門架)，門架主梁與支腿的選擇是剛性連接的。門架采用雙梁。門架結(jié)構(gòu)是板梁式箱形結(jié)構(gòu)。雙梁箱形結(jié)構(gòu)門架的支腿制成“八”字型。 二、門架的主要尺寸的確定： 箱行結(jié)構(gòu) 箱行主梁的截面以矩形截面。門式起重機(jī)的主梁高度：當(dāng)采用兩條剛性支腿時，取，，采用單箱型時，取。 對于支腿，腿高h(yuǎn)由所要求的門架凈空尺寸確定。剛性支腿的上部連接按箱形結(jié)構(gòu)寬度(主梁高度)確定；柔性支腿的上、下部和剛性支腿的下部連接按門架下橫梁寬度及具體結(jié)果確定。 考慮到起重機(jī)沿大車軌道方向穩(wěn)定性的要求，門式起重機(jī)的輪距，為主梁全長。 三、門式起重機(jī)的載荷及其組合： 1．載荷 作用在門式起重機(jī)上的載荷有：起重載荷、門架自重、小車重量、電氣設(shè)備及司機(jī)室等自重；小車慣性力(由大、小車制動時產(chǎn)生的)，大車慣性力(大車制動時產(chǎn)生的)、大車偏斜傾向力及風(fēng)力等。 1)箱形結(jié)構(gòu)的門架自重：箱形截面橋架自重 對于75以下的普通門式起重機(jī)，橋架(主梁)自重按下式估算： 帶懸臂 無懸臂 式中 ——額定起重量()； ——橋架(主梁)全長()； ——起升高度()。 支腿自重：雙梁門架的支腿單位長度自重常取為主梁單位長度自重的0.2～0.4倍單主梁門架的支腿單位長度自重取為主梁的0.7～0.9倍。 2)小車自重 對于雙梁小車，單主梁小車自重按下式估算： 當(dāng)時 對于A7工作類型小車，宜再乘以系數(shù)1.15。 當(dāng)時 大時，分母應(yīng)取大值。對于A7級工作類型小車，宜再乘以系數(shù)1.06。 3)慣性力(慣性載荷) 機(jī)構(gòu)起、制動時產(chǎn)生的慣性力和沖擊振動引起的慣性載荷的確定。 大車制動時引起的水平慣性力大車運(yùn)行制動時引起的水平慣性力，對于主動輪僅布置在一側(cè)的門式起重機(jī)，設(shè)1輪為主動輪，2輪為從動輪，則大車制動慣性力為： 式中 ——大車制動時，由橋架自重引起的水平慣性力； ——由貨重和小車自重引起的水平慣性力； 、、和等符號 但是，大車制動慣性力應(yīng)受到主動輪打滑的限制，即 式中 ——粘著系數(shù)； ——大車主動輪輪壓。 小車制動時引起的慣性力小車運(yùn)行制動時引起的水平慣性力按下式計算： 式中 ——小車運(yùn)行速度。 4)大車運(yùn)行偏斜側(cè)向力 當(dāng)門式起重機(jī)的運(yùn)行速度與橋式起重機(jī)的運(yùn)行速度相近時，可按下式計算側(cè)向力： 式中 ——大車的最大輪壓。 當(dāng)門式起重機(jī)的運(yùn)行速度較低時，側(cè)向力按照之腿由于運(yùn)行阻力不同時求出 表示主梁由于側(cè)向力引起的彎矩。其中： 式中 和——兩支腿處的運(yùn)行阻力，且>； 和——兩支腿運(yùn)行牽引力，且。 1）進(jìn)行最大拉力驗算： 2）計算受拉單栓承載力 故 驗算通過。 2．載荷組合 由于各種載荷不可能同時作用在門架結(jié)構(gòu)上，因此要根據(jù)門式起重機(jī)的使用情況來確定這些載荷的組合。 門式起重機(jī)的計算載荷組合通?？紤]以下幾種情況： 計 算 構(gòu) 件 主梁 支腿 載荷情況及組合 II II II II II 門架自重 起升載荷 — — 小車慣性力 — — — — 大車慣性力 — — — 大車偏斜側(cè)向力 — — 門架支承橫推力 — — — 風(fēng)力 小車自重 1)對于主梁，考慮小車位于跨中或懸臂端，小車滿載下降制動，同時大車平穩(wěn)制動，風(fēng)力平行大車軌道方向。稱為計算情況II。 2)對于支腿，分別考慮門架平面和支腿平面內(nèi)的兩種載荷組合： ① 在門架的平面內(nèi)，大車不動，小車位于跨端或懸端，小車滿載下降制動，同時小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)制動，風(fēng)力沿小車軌道方向，稱為計算情況II。 表 門式起重機(jī)的計算載荷組合 注：表中——橋架(主梁)自重；——門架(包括主梁和支腿等)自重，——在門架平面內(nèi)，沿小車軌道方向的風(fēng)力；——在支腿平面內(nèi)，沿大車軌道方向的風(fēng)力。其余符號同前述。 ② 在支腿平面內(nèi)，小車位于跨度端或懸臂端，小車滿載下降制動，同時大車平穩(wěn)制動，風(fēng)力平行大車軌道。稱為計算情況。 3) 對于主梁和支腿，還應(yīng)考慮非工作狀態(tài)下的載荷組合，這時大車和小車皆不動，空載。僅作用有非工作狀態(tài)的最大風(fēng)載荷，稱為技術(shù)情況。 對于每種計算情況，由于其載荷組合出現(xiàn)的可能性不同，所以在設(shè)計計算時，對金屬結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力值也各不相同。 四、箱形結(jié)構(gòu)門架的強(qiáng)度驗算 1．主梁危險載面的強(qiáng)度驗算 1）正應(yīng)力的驗算 根據(jù)公式計算的垂直彎矩同時作用在主梁上，并考慮約束彎曲和約束扭轉(zhuǎn)的影響，主梁再面上的正應(yīng)力可按下式疊加： 主梁跨中： 主梁支承載面： 式中 、——主梁跨中的最大垂直彎矩和水平彎矩； 、——主梁支承載面的最大垂直彎矩和水平彎矩； 、——主梁跨中和支承載面對軸的載面摸數(shù)； ——主梁對軸的載面摸數(shù)。 強(qiáng)度許用應(yīng)力為： 1）確定應(yīng)力循環(huán)特性 鋼的強(qiáng)度許用應(yīng)力為： 式中 為載荷組合的安全系數(shù)。 2）剪應(yīng)力的驗算 箱形載面主梁支承載面處的剪力在腹板上引起的剪應(yīng)力按下式計算： 式中 ——主梁載面的一部分對中性軸的靜矩； ——主梁載面對軸的慣性矩； 、——主梁的主、副腹板的厚度。 在水平載荷作用下，蓋板上的剪應(yīng)力： 式中 ——支承處的水平剪力； ——主梁載面的一部分對軸的靜矩； ——主梁載面對軸的慣性矩； ——上、下蓋板厚度。 主梁受扭的影響。則按純扭轉(zhuǎn)計算，計算式為： 主腹板上 = 副腹板上 = 蓋板上 = 式中 ——作用與主梁支承載面的扭矩； ——主梁封閉載面的輪廓面積，。 在主梁載面上，各種載荷在同一點引起的剪應(yīng)力予疊加。 2、支腿危險載面的強(qiáng)度驗算 對于單主梁箱形結(jié)構(gòu)門架的支腿應(yīng)分別選取幾個載面進(jìn)行強(qiáng)度計算。 強(qiáng)度驗算式為： 式中 ——門架平面，支腿驗算載面的最大彎矩； ——支腿平面，支腿驗算載面的最大彎矩； ——支腿平面，支腿驗算載面的軸向力； 、——驗算載面對軸和軸的載面模數(shù)； ——驗算載面的面積。 根據(jù)靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度條件計算截面需要的面積： 由計算結(jié)構(gòu)知，桿件應(yīng)根據(jù)疲勞強(qiáng)度條件確定截面積。桿件需要的最小截面積為20732.55。 3、下橫梁的強(qiáng)度驗算 將各種載荷作用在門架上引起的下橫梁的彎矩疊加，然后按下式驗算其強(qiáng)度，即彎曲應(yīng)力： 式中 ——作用在下橫梁載面的總彎矩； ——驗算載面對軸的載面模數(shù)。 五，箱型梁的約束彎曲計算 近年來，橋式起重機(jī)有采用寬翼緣箱形梁，這時薄壁箱形梁受彎曲時，在剪應(yīng)力作用下，翼緣板和腹板產(chǎn)生了翹曲，梁的截面不在保持平面，而有翹曲（圖b中虛線所示）。由于這種翹曲受到了約束，因而破壞了正應(yīng)力按平面分布的規(guī)律，這時正應(yīng)力沿梁寬的分布不再是一個常數(shù)，沿著梁高的分布也不再符合線性分布規(guī)律（圖 ），其中虛線表示自由彎曲應(yīng)力。 圖 薄壁箱形梁的計算 圖 薄壁箱形梁約束彎曲時剪應(yīng)力分布 根據(jù)理論分析和實驗驗證，在薄壁箱型梁的角點上，最大約束彎曲正應(yīng)力可近似取為： 式中 ——自由彎曲正應(yīng)力； ——考慮約束彎曲而使應(yīng)力增大的系數(shù)； B——翼緣板寬度。 初選箱形截面腹板厚度 8.82 剛度是控制條件。 圖 薄壁箱形梁約束彎曲時截面正應(yīng)力分布 圖 腹板受輪壓局部擠壓計算 六，輪壓產(chǎn)生的局部壓應(yīng)力 1） 當(dāng)起重機(jī)小車的輪壓直接作用在梁的腹板上時（圖 ），腹板邊緣產(chǎn)生的局部壓應(yīng)力為：= 式中 ——局部壓應(yīng)力； P———集中載荷（N）； ——板厚（mm）； ——集中載荷分布長度，可按下式計算： 式中 ——集中載荷作用長度，對車輪??； —-自構(gòu)件頂面（無軌時）或軌頂（有軌時）至板計算高度上邊緣的距離（mm）. 2）當(dāng)起重機(jī)小車的輪壓直接作用在梁的上蓋板時，局部彎曲應(yīng)力為：普通正軌或半偏軌道布置在兩腹板中間的上蓋板上，由輪壓作用而使上蓋板產(chǎn)生局部彎曲，此時上蓋板應(yīng)按被兩腹板和相鄰兩筋板分隔成的矩形板計算，如圖 所示。 箱型梁上蓋板是超靜定薄板。它支承在梁的腹板和橫向加筋板上。這種薄板的計算簡圖較復(fù)雜，再加上在小車輪壓作用下，起重機(jī)箱型梁的蓋板連同軌道一起承受局部彎曲，使其計算簡圖更加復(fù)雜。 為了簡化計算，特作如下假設(shè)： （1）把上蓋板看作為是腹板和橫向加筋板約束的自由支承的薄板； （2）軌道視為一根中部受集中載荷的梁； （3）根據(jù)薄板受集中載荷作用來計算蓋板撓度； （4）計算應(yīng)力時，假設(shè)軌道和蓋板間僅在邊長為a和b矩形面積上接觸。此時， (cm),為軌道寬度，為軌道高度。 圖 上蓋板的局部彎曲計算簡圖 對于正軌和半偏軌箱型梁，由于集中載荷的作用點在板的中心或偏一距離，故應(yīng)采用板殼理論計算。根據(jù)板殼理論，作用在受載面積中心（圖）彎距： 式中 在此處 I---------軌道的慣性矩； ——上蓋板的厚度； —系數(shù)，取決于之間值，見表 。 表 系數(shù) 1.0 1.1 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0.127 0.138 0.148 0.162 0.171 0.177 0.180 ——軌道中心線至腹板的距離，正軌時，； ； v________波桑比； ，——系數(shù)，其值取決于和的值（參見表 ）； 上蓋板上的折算應(yīng)力按下式求得： = 式中 ——由垂直彎矩引起的正應(yīng)力， ，，應(yīng)帶各自的正負(fù)號代入。 表 對于矩形板的因子和的值 0.10 0.20 0.3. 0.40 0.50 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.5 2.792 2.352 1.945 1.686 1.599 0.557 --0.179 -0.647 -0.852 -0.906 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 3.0 2.861 2.904 2.933 2.952 2.966 2.982 2.900 2.955 2.977 2.999 3.000 3.000 2.545 2.677 2.768 2.932 2879 2.936 2.966 2.982 2.900 2.955 3.000 3.000 2.227 2.433 2.584 2.694 2.766 2.880 2.936 2.966 2.982 2.900 3.000 3.000 2.011 2.259 2.448 2.591 2.698 2.836 2.912 2.953 2.975 2.987 2.999 3.000 1.936 2.198 2.399 2.533 2.669 2.820 2.903 2.948 2.972 2.985 2.999 3.000 0.677 0.758 0.814 0.856 0.887 0.931 0.958 0.975 0.985 0.991 0.999 1.000 0.053 0.240 0.391 0.456 0.611 0.756 0.849 0.908 0.945 0.968 0.998 1.000 -0.439 -0.229 -0.031 0.148 0.304 0.551 0.719 0.828 0.897 0.939 0.996 1.000 -0.701 -0.514 -0.310 -0.108 -0.080 0.393 0.616 0.764 0.858 0.915 0.995 1.000 -0.779 -0.605 -0.4.04 -0.198 0.000 0.335 0.578 0.740 0.834 0.906 0.994 1.000 六，剛度計算 梁除了滿足強(qiáng)度條件外，還需具有一定的剛度（限制變形）才能滿足使用要求。用于起重機(jī)的梁只驗算由有效載荷（移動載荷）產(chǎn)生的靜撓度（不計動力系數(shù)），梁的這種變形是彈性變形，外載荷消失后梁能復(fù)原，絕對不允許殘余（永久）變形。 1，靜剛度 當(dāng)兩個不相等的移動集中載荷對稱作用于梁的跨度中央時（圖），其最大靜撓度由下式確定： 對于圖 所示情況，梁的最大靜撓度： 允許靜撓度值分別推薦如下： 1） 橋式起重機(jī)、門式起重機(jī)的跨中撓度 式中 L——起重機(jī)的跨度。 2） 門式起重機(jī)的懸臂撓度 式中 ________懸臂長度。 3） 橋式起重機(jī)跨中水平位移 根據(jù)剛度條件，型鋼梁需要的截面慣性矩為： 式中 ——梁的跨度（）； ——型鋼梁的許用撓度，； ——電動葫蘆在額定起重量時的總輪壓（不計動力系數(shù)）。按下式計算： 其中，——額定起重量， ——電動葫蘆自重。 2， 動剛度 在起重機(jī)小車卸載時，主梁在垂直方向?qū)a(chǎn)生衰減振動，這種振動對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響不大，但對于起重機(jī)的正常使用以及司機(jī)的操作田間卻是不利的，緩慢的衰減過程影響到起重機(jī)的生產(chǎn)率，因此，從現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求出發(fā)（特別是對高速運(yùn)行的起重機(jī)以及要求所吊運(yùn)件能精確安裝的起重機(jī)），起重機(jī)應(yīng)保證一定的動剛度。 圖 梁的剛度計算 對于一般使用的起重機(jī)，不必驗算起動剛度。對于工藝上及生產(chǎn)率上有較高要求的橋式起重機(jī)，應(yīng)驗算動剛度，要求小車位于跨中時的滿載自振頻率f不應(yīng)低于2HZ。 可按下列公式驗算滿載自振頻率： =0.6=1367.1 式中 ________滿載自振頻率，（HZ）； ————主梁結(jié)構(gòu)在跨中的剛度系數(shù)，其物理意義為使主梁在跨中處產(chǎn)生單位垂直靜撓度所需的集中力的大??；按表 計算； ——主梁結(jié)構(gòu)在跨中的換算集中質(zhì)量與小車質(zhì)量之和（對于雙梁結(jié)構(gòu)，如果小車質(zhì)量按整臺小車計算，則近似等于一根主梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量）（）；按表 計算； ——與額定起升載荷的質(zhì)量之比，即； ——與鋼絲繩繞組的剛度系數(shù)之比，即。 鋼絲繩繞組的剛度系數(shù)（其物理意義為使鋼絲繩繞組在荷重懸掛處產(chǎn)生單位靜伸長所需的力）可按下式計算： = 式中 ——鋼絲繩繞組的剛度系數(shù)； ——繞組的分支數(shù)； ——所用的鋼絲繩的縱向彈性模數(shù)，與鋼絲繩結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般取值1.0； ——一根鋼絲繩的鋼絲截面積; _____鋼絲繩繞組在相當(dāng)于額定起升高度時的實際平均下放長度，可近似取為卷筒中心與上部固定滑輪中心之半處至吊滑輪中心的實際平均下放長度（cm）,見圖 。 七，穩(wěn)定性計算： 對于雙梁箱形截面橋式和門式起重機(jī)以及單主梁門式起重機(jī)，一般不進(jìn)行整體穩(wěn)定性驗算，但應(yīng)進(jìn)行腹板和蓋板的局部穩(wěn)定性驗算。 1， 橋式類型起重機(jī)梁的腹板可能在下列幾種應(yīng)力作用下喪失穩(wěn)定性 1） 彎曲剪應(yīng)力：在剪力作用下，梁的腹板會在45度方向受壓而在斜向失去局部穩(wěn)定性（圖）； 2） 彎曲正（壓）應(yīng)力。這時，梁的腹板和蓋板的受壓區(qū)有可能在梁長方向失去局部穩(wěn)定性（圖）； 3） 彎曲正（壓）應(yīng)力和軸向壓應(yīng)力（如門式起重機(jī)的支腿）； 4） 作用在腹板上緣的載荷（如集中輪壓等）產(chǎn)生壓應(yīng)力（如偏軌橋式和門式起重機(jī)），這時，腹板會因擠壓應(yīng)力在豎向失去穩(wěn)定（圖和圖）。 金屬結(jié)構(gòu)也可能在以上幾種應(yīng)力共同作用在梁的腹板上時喪失局部穩(wěn)定。這時，腹板隨著作用于其上的載荷性質(zhì)不同翹曲各種曲面（圖）。 圖 腹板局部穩(wěn)定的計算 表 垂直動剛度計算數(shù)據(jù) 注：集中公式里的——整個橋架結(jié)構(gòu)（不包括支腿及下橫梁）單位長度重量； ——全部橋架結(jié)構(gòu)的慣性矩； ——跨度一側(cè)全部支腿的慣性矩； ——小車（帶吊具）重量。 為了保證梁的腹板的局部穩(wěn)定性，通常用加勁板或加勁桿來加固腹板，這樣要比增加腹板的厚度經(jīng)濟(jì)些。加固的方式如下： 1） 在箱形截面梁整個高度上設(shè)置橫向加勁板（圖）； 2） 對于正軌箱形結(jié)構(gòu)橋式起重機(jī)，除設(shè)置橫向加勁板外，在箱形截面腹板受壓區(qū)域設(shè)置短橫向加勁板（圖）； 3） 在跨度較大的橋式和門式起重機(jī)中。梁的高度比較大，這時，除設(shè)置橫向加勁板外，常常在腹板的受壓區(qū)設(shè)置一條縱向加勁線，如果需要，例如從工藝方面限制腹板旁彎和波浪形，在腹板受壓區(qū)也設(shè)置縱向加勁桿（圖）。 2， 箱形截面梁腹板加勁的設(shè)計原則 1） 通常沿腹板全高設(shè)置橫向加勁板（圖和）加固腹板。當(dāng)時，橫向加勁板之間的距離不應(yīng)大于2h或3m；當(dāng)時，不應(yīng)大于2.5h。在跨度較大時橫向加勁板的間距，在支座附近較小些，而在跨中較大些?？紤]到實際生產(chǎn)中，為了限制腹板波浪度，一般取間距m。 2）如果腹板僅在剪應(yīng)力作用下；當(dāng)（對于低碳鋼）或（對于低合金鋼）時，可不必設(shè)置橫向加勁板，但是為了增加截面的扭轉(zhuǎn)剛度，提高梁的整體穩(wěn)定性，一般仍設(shè)置橫向加勁板。 3）如果腹板僅在正應(yīng)力作用下，當(dāng)（對于低碳鋼）或（對于低合金鋼）時，可不必加固。 5） 對于高度較大的梁，必須在腹板受壓區(qū)設(shè)置縱向加勁條（圖的3），且設(shè)置在離受壓翼緣板（0.2~0.25）h處（圖 ）；當(dāng)（對于低碳鋼）或（對于低合金鋼）時，一般只加一根縱向加勁條，如果因梁高很大，而必須用兩根縱向加勁條來加固腹板時，則第一根縱向加勁條離受壓邊緣距離為（0.15~0.20）h ，第二根離受壓邊緣距離為（0.35~0.40）h?？v向加勁條截面必須的慣性矩見表3-6。 圖 箱形主梁加勁板的設(shè)置 6） 若腹板僅僅只用橫向勁板加固時，對于箱形截面梁，橫向勁板寬度取為等于兩腹板間距b，若梁寬B較大，橫向加勁板中部可開孔，但應(yīng)保證mm，加勁板厚度不應(yīng)小于。 7） 在有縱向加勁條的情況下，橫向勁板的慣性矩為： 縱向加勁條所需的慣性矩根據(jù)比值確定（表 ） 8） 當(dāng)梁的上翼緣作用有集中載荷（例如正軌箱形結(jié)構(gòu)橋式起重機(jī)）時，一般在腹板上須設(shè)置短橫向加勁板（圖 ），其高度或。 如果腹板上有縱向加勁條，則短橫向加勁板應(yīng)與縱向加勁條相連，短橫向加勁板的間距。 八，腹板局部穩(wěn)定性的驗算 表3-6 縱向加勁條必須的慣性矩 對于偏軌箱形梁，腹板同時受彎曲正應(yīng)力，剪應(yīng)力和集中輪壓作用在腹板上緣產(chǎn)生的壓應(yīng)力。 根據(jù)板的彈性穩(wěn)定理論，結(jié)合工程實際，可將工字型截面的腹板看作是由上下翼緣板支承著的彈性嵌固板，但有水平位移的可能。彈性嵌固起提高腹板屈曲系數(shù)的作用，能水平位移，有降低抗屈曲能力的作用，所以可以偏安全地認(rèn)為腹板的上下支承是只能轉(zhuǎn)動的簡支支承，不考慮其嵌固影響。 在有較強(qiáng)翼緣板的情況下，工字型截面的腹板彈性嵌固支承影響系數(shù)可以取x=1.5。 薄板在各種載荷情況和各種支承情況下的局部穩(wěn)定的臨界屈曲應(yīng)力公式可寫成如下通式： 、 式中 、、——分別為x方向正應(yīng)力、剪切應(yīng)力和y方向局部壓應(yīng)力作用下的臨界屈曲應(yīng)力； x——板邊支承情況影響系數(shù)，也稱嵌固系數(shù)，兩非承載邊簡支支承時取1，彈性嵌固時取1.2~1.5，詳見表 ； 、、——分別為簡支支承板在受x方向正應(yīng)力、剪應(yīng)力和y方向局部應(yīng)力時的屈曲系數(shù)，其值參見表 ； ——板屈曲的歐拉應(yīng)力，可按下式計算： =163.31 式中 D=——板的單位寬度彎曲剛度； ——板厚； ____垂直于正應(yīng)力方向的板寬，驗算腹板時為腹板的計算高度； a____垂直于局部壓應(yīng)力方向的板長，驗算腹板時為橫向加勁板間的距離； E——彈性模數(shù)； —波桑比。 板在壓應(yīng)力剪應(yīng)力和局部壓應(yīng)力共同作用時的等效臨界復(fù)合應(yīng)力可按下式 、 、 = 式中，為板邊兩端應(yīng)力之比，為板邊最大應(yīng)力，、各帶自己的正負(fù)符號；其它符號同前。 當(dāng)臨界應(yīng)力超過0.75時，按式（ ）求得折減臨界復(fù)合應(yīng)力： 式中 ——材料的屈服點。 表 示出局部區(qū)格板的屈曲系數(shù)。 薄板局部穩(wěn)定性的驗算是以屈曲臨界應(yīng)力為極限應(yīng)力的。只要作用在板上的載荷應(yīng)力（在非均布應(yīng)力時取最大的應(yīng)力值）小于極限應(yīng)力（或許用應(yīng)力），板是穩(wěn)定的，其驗算公式如下： 或 或 或 式中 n——安全系數(shù)，其值與強(qiáng)度安全系數(shù)一致，按載荷組合分別取1.5、1.33、和1.15； 和——分別為正應(yīng)力、剪應(yīng)力和局部壓應(yīng)力作用下的許用屈曲臨界應(yīng)力。 當(dāng)板受壓應(yīng)力，剪應(yīng)力和局部壓應(yīng)力同時作用的等效復(fù)合應(yīng)力按式（ ）計算時，板的屈曲安全系數(shù)可以取得小一些，一般可以減小百分之十。 九，加肋板的穩(wěn)定性計算： 在工程設(shè)計中，為了滿足公式（ ），有時不得不增加板厚，這常常要增加鋼材用量。而在板的受壓部位加上幾根加勁條或加強(qiáng)肋則可以提高板的抗屈曲能力，而且相比之下要經(jīng)濟(jì)些。剛性的加強(qiáng)肋（加勁條）能起到支承作用，將板分割為若干區(qū)格，改變了板在計算穩(wěn)定性時的寬度b和a的值。而且，區(qū)格板的屈服系數(shù)與 有關(guān)，屈曲臨界應(yīng)力與寬（b）平方成反比。但要注意的是剛性加強(qiáng)肋要有足夠的彎曲剛度，要能起到支承板的作用。加強(qiáng)肋的剛度以 的乘積表示。 是加強(qiáng)肋繞被加強(qiáng)板板厚中心線的面積慣性矩。加強(qiáng)肋的彎曲剛度和該板的彎曲剛度比稱為加強(qiáng)肋的剛度比，常以 表示，即 = 式中 b, 為板的寬度和厚度。對于剛性加強(qiáng)肋而言，有最小剛度比 ，亦即當(dāng)剛性加強(qiáng)肋使區(qū)格板的屈曲臨界應(yīng)力小于（最多是等于）這塊加肋整板的屈曲臨界應(yīng)力時，此加強(qiáng)肋的剛度比即為最小剛度比。這時，板的屈曲只能限于區(qū)格板內(nèi)，也就是說區(qū)格板的屈曲將先于整板。當(dāng)加強(qiáng)板剛度不夠時，加肋板仍以整板屈曲模態(tài)失穩(wěn)。此時的加強(qiáng)肋稱為柔性加強(qiáng)肋。帶柔性肋板的屈曲系數(shù)可按公式計算。 在求得剛性肋的最小剛度后，即可計算剛性肋的面積慣性矩。所有剛性肋的面積慣性矩（）必須大于此值。 當(dāng)橋式類型起重機(jī)主梁腹板被縱向肋分格為上，下兩區(qū)格，并受有y 方向的局部壓力時，則上區(qū)格板（圖 ）的局壓屈曲系數(shù) 按表 計算 ，而下區(qū)格板則按或。此時上區(qū)格板的驗算公式應(yīng)為改寫的式（ ），即 下區(qū)格板的局部驗算公式則為： 0.4 式中， 和分別為上區(qū)格板和下區(qū)格板的屈曲臨界應(yīng)力。 對于普通橋式起重機(jī)，由于梁的受壓翼緣板屬于均勻受壓情況，只要合理選取板寬B和厚度 的比值（表 ），則勿需用縱向加勁條加固梁的受壓翼緣。根據(jù)滿足局部穩(wěn)定性條件，圖3-11列出了受壓翼緣尺寸比例關(guān)系。對于偏軌寬翼緣橋式類型起重機(jī)，其主梁截面較寬，而翼緣板厚 相對較薄（b-------兩腹板間距； -------------------上翼緣板厚度），因此受壓翼緣板必須根據(jù)局部穩(wěn)定性布置縱向加勁條。 當(dāng)60（50） 時（括號內(nèi)數(shù)字用于低合金鋼），應(yīng)設(shè)置一條縱向加勁條，縱向加勁條的慣性矩： 式中 -------------系數(shù)，按表3-11選用。 表3-10 受壓翼緣板的寬厚比 板的長邊支承特性 不大于 鋼 低合金鋼 一邊簡支，一邊自由 15 12 一邊嵌固，一邊自由 30 25 兩邊簡支 60 50 兩邊嵌固 70 60 當(dāng)時，應(yīng)設(shè)置兩條縱向加勁條，縱向加勁條的慣性矩： 式中 ——系數(shù)，按表 選用； b——兩腹板間距。 圖 受局部壓力的區(qū)格板 圖 受壓翼緣的尺寸比例 十，受扭構(gòu)件的計算 1，自由扭轉(zhuǎn)和約束扭轉(zhuǎn)的概念 起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)中的梁為非圓截面直桿，而且是開口薄壁（工字形截面等）后閉口薄壁（箱形截面）結(jié)構(gòu)。 非圓截面直桿受扭時，其橫截面不再保持平面而產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象。如果所有的截面都自由翹曲，則在截面上不會產(chǎn)生正應(yīng)力，這稱為自由扭轉(zhuǎn)，這時，桿件所有截面的翹曲量相同。因此，在橫截面內(nèi)只產(chǎn)生與外扭轉(zhuǎn)相平衡的剪力。這種情況只有當(dāng)?shù)冉孛嬷睏U的兩端作用大小相等而方向相反的力偶，且無任何約束時才會產(chǎn)生。 圖 a為工字形截面桿件兩自由端受兩個力偶作用而產(chǎn)生自由扭轉(zhuǎn)，圖 a為變形后的情況，平行于桿軸的縱向直線（例如翼緣）仍保持直線，截面ABCD已有翹曲不再成平面，由于各截面均能自由翹曲，且翹曲量相同，故縱向纖維長度不改變，截面上就不會產(chǎn)生正應(yīng)力。 表 系數(shù) 值 0.5 0.6 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 0.05 0.10 0.15 0.20 3.40 3.69 3.97 4.25 5.59 6.11 6.22 7.13 8.05 8.55 9.65 10.45 10.75 8.55 9.65 10.45 10.75 11.89 13.04 14.18 13.58 15.14 16.70 18.26 16.67 18.72 20.77 22.32 19.90 22.48 25.07 27.65 22.36 26.56 29.76 32.96 26.95 30.83 34.72 38.61 30.28 35.43 40.03 44.63 30.28 36.72 43.72 51.28 30.28 36.72 43.72 51.28 注：，式中a——箱形梁橫向加勁板間距；b——兩腹板間距。 ，一般可先取試算，式中——一條縱向加勁條的面積. 表 系數(shù) 值 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 0.05 0.10 0.15 0.20 7.39 8.04 8.68 9.33 11.53 12.68 12.83 14.98 16.30 18.10 19.90 21.70 21.70 24.29 26.88 29.48 27.55 31.07 34.60 35.12 33.99 38.60 43.21 47.82 40.93 46.76 52.59 58.40 48.30 55.46 62.62 69.79 56.00 64.70 73.40 82.10 64.38 74.75 85.12 95.90 72.97 85.13 97.30 109.47 82.04 96.16 110.28 124.28 91.54 107.74 123.94 140.14 注：集中和的意義同前表。 圖3-12 桿件的自由扭轉(zhuǎn) 如果桿件受扭時截面不能自由翹曲，也即由于支座的阻礙或其它原因的限制，這稱為約束扭轉(zhuǎn)。 當(dāng)桿件產(chǎn)生約束扭轉(zhuǎn)時，由于各截面的凹凸不相同，因此桿件的縱向纖維將產(chǎn)生拉伸活壓縮變形，桿件單位長度的扭角也沿桿長變化。由于縱向纖維的軸向應(yīng)變，就使得截面上不僅存在著扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，還存在發(fā)向應(yīng)力，又因為各縱向纖維的法向應(yīng)力不一定相同，就導(dǎo)致桿件產(chǎn)生彎曲（圖 ） ，所以約束扭轉(zhuǎn)也常稱為彎曲扭轉(zhuǎn)。 另一方面由于桿件彎曲必將產(chǎn)生彎曲剪應(yīng)力，這一系列情況，就使得桿件的約束扭轉(zhuǎn)問題比自由扭轉(zhuǎn)問題復(fù)雜得多。 如圖 中的工字梁右端剛性固定，左端自由，并作用著扭轉(zhuǎn)，于是也將產(chǎn)生約束扭轉(zhuǎn)。工字梁的翼緣不保持直線而產(chǎn)生彎曲，而且這種彎曲是在其自身平面內(nèi)作相反方向的彎曲。因此在翼緣上產(chǎn)生了正應(yīng)力（如圖 a ），同時由于彎曲變形，又產(chǎn)生了附加剪應(yīng)力 （如圖 b ），這種附加剪應(yīng)力 只能平衡一部門外扭轉(zhuǎn)，剩下的外扭轉(zhuǎn)將由純扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力 （圖 c）來達(dá)到平衡。由此可知，開口薄壁截面受扭轉(zhuǎn)時，截面上將產(chǎn)生三種應(yīng)力，即約束扭轉(zhuǎn)正應(yīng)力 ，約束扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力 和純扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力 。由 合成內(nèi)扭矩記為 ，稱為約束扭轉(zhuǎn)力矩；由 合成的內(nèi)扭矩記為 ，稱為自由扭轉(zhuǎn)力矩。根據(jù)靜力平衡條件得： 圖 桿件的約束扭轉(zhuǎn) 圖 約束扭轉(zhuǎn)的截面應(yīng)力 十一，開口薄板構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)計算： 1， 自由扭轉(zhuǎn) 開口截面薄壁構(gòu)件自由扭轉(zhuǎn)時，在截面上產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力力按下式計算（圖 ）： 式中 ——純扭矩； -------計算截面中最大壁厚； -------截面的扭轉(zhuǎn)慣性矩，由矩形窄條組成的截面（T字形，工字形。槽形）， 其扭轉(zhuǎn)慣性矩 ，按下式計算： 、 -------------矩形窄條相應(yīng)的寬度和厚度（cm） ----------修正系數(shù)，對于各種截面的 值列出如下： 軋制 形截面 1.00 軋制 形截面 1.20 軋制 形截面 1.20 開口截面剪應(yīng)力沿截面上的分布如圖 所示。 圖3-15 開口薄壁構(gòu)件的自由扭轉(zhuǎn)計算簡圖 單位長度的相對扭轉(zhuǎn)角，按下式計算： ==362.4 2，約束扭轉(zhuǎn) 開口薄壁構(gòu)件約束扭轉(zhuǎn)引起的法向應(yīng)力 和剪應(yīng)力 的計算比較復(fù)雜，可參看起重機(jī)設(shè)計手冊。 開口薄壁構(gòu)件約束扭轉(zhuǎn)引起的應(yīng)力很高，有時甚至超過構(gòu)件受自由彎曲時的應(yīng)力，必須予以重視。 十二， 閉口薄壁構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)計算 閉口截面由于截面外形所具有的特征，它在純扭轉(zhuǎn)時，純扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的分布與開口截面中不相同（圖 ），它沿壁厚是按常量分布的，因此中間層上的剪應(yīng)力并不等于零，這是閉口與開口截面的最主要區(qū)別。 閉口截面純扭轉(zhuǎn)剪力流由于在整個截面上環(huán)行封閉，因而其扭抗能力特別強(qiáng)，這是它的主要優(yōu)點，因而得到廣泛應(yīng)用。閉口截面的純扭轉(zhuǎn)剪力流已單獨平衡外扭矩，而約束扭轉(zhuǎn)剪力流在截面上是自相平衡的。 閉口截面薄壁構(gòu)件自由扭轉(zhuǎn)時，在截面上產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力按下式計算： = 式中 ------------截面輪廓中線所圍成的面積的兩倍； -------------截面中最小壁厚（cm）; -------------作用在所計算截面的扭矩（）。 剪應(yīng)力的分布示意圖 中。 閉口截面薄壁構(gòu)件單位長度相對扭轉(zhuǎn)角按下式計算： ==2238.1 式中 ， ----------系數(shù)，對焊接構(gòu)件 ：對鉚接構(gòu)件 ； ----------對截面閉合軸線全積分。 偏軌雙梁橋式起重機(jī)和單主梁門式起重機(jī)的箱形主梁屬于閉口薄壁構(gòu)件受約束扭轉(zhuǎn)，理論分析和計算以及實驗說明，閉口截面的抗扭能力很強(qiáng)，其約束扭轉(zhuǎn)法向應(yīng)力 很低，一般只有構(gòu)件受自由彎曲時的法向應(yīng)力的 5%左右，因此在實際計算時，可以取 ，在此， 為自由彎曲法向應(yīng)力。 約束扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力 約為自由彎曲剪應(yīng)力 的 10~20 % ，而 比自由扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力 小得多，在實際計算時，可以忽略 而只按自由扭轉(zhuǎn)計算剪應(yīng)力。 十三，連接的計算 由于設(shè)計，制造，安裝和運(yùn)輸?shù)确矫娴囊螅饘俳Y(jié)構(gòu)通常是用型剛（或鋼板）彼此用連接件連接成獨立桿件，各桿件又用連接件互相連接起來，組成各個結(jié)構(gòu)物以承受外力作用。結(jié)構(gòu)物的各安裝，運(yùn)輸單元之間也是用連接件互相連接構(gòu)成整體，由此可見，連接方法及其可靠性對于金屬結(jié)構(gòu)的正常工作有著重要影響。金屬結(jié)構(gòu)的連接方法主要有焊接，螺接和鉚接。 下面介紹兩種常用的連接方法--------焊接和螺接。 圖 閉合截面薄壁構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)計算 十四，焊接 焊接是把連接金屬局部加熱成液態(tài)或膠體狀態(tài)，用壓力或填充金屬，是金屬結(jié)合成一個整體的方法。 起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)用的焊接主要有電焊和氣焊兩類。電焊又可分為電弧焊，電阻焊（用于焊鋼筋，薄板等）和電渣焊（用于焊厚度和截面特大的構(gòu)件），其中以電弧焊應(yīng)用最廣。 電弧焊是借電弧產(chǎn)生的高溫（-3600度）來熔化焊件與焊條進(jìn)行焊接的。電弧焊是金屬結(jié)構(gòu)焊接的主要方法，它又可以分為手工焊，埋弧自動焊氣體保護(hù)焊三種。埋弧自動焊質(zhì)量較高，生產(chǎn)率比手工焊大10-40倍，所以自動焊在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。而手工焊因設(shè)備簡單，工作方便，不受結(jié)構(gòu)型式限制（如桁架結(jié)構(gòu)不能用自動焊），所以在焊接中，手工焊仍占重要地位。氣體保護(hù)焊是一種提高焊接質(zhì)量的新工藝，即利用氬氣或 作為電弧區(qū)保護(hù)介質(zhì)的電弧焊。 氣焊也叫氧炔焊，它是利用氧和乙炔氣體燃燒發(fā)熱來熔化焊件與焊條進(jìn)行焊接，通常多用來切割金屬或焊接薄板。 焊接本身也存在著不少缺點。如焊縫質(zhì)量檢查方法較費(fèi)事，焊接需要一些附加的工藝設(shè)備（如風(fēng)鏟，刨邊機(jī)，轉(zhuǎn)臺等），同時焊接容易引起結(jié)構(gòu)的變形，需要進(jìn)行防止和校正工作。 電焊條有涂藥焊條（用于手工焊）和光焊條（用于自動焊）兩種。其作用是，可作為電路通過電流和填充金屬與焊件構(gòu)成焊縫。 焊條的選擇主要與被焊鋼材的品種有關(guān)，另外還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的工作條件及使用性能，施焊及設(shè)備條件，改善，施焊工藝和勞動條件以及節(jié)約等。 注：1，檢查焊縫的普通方法系指外觀檢查，測量尺寸，鉆孔檢查等方法；精確方法是指在普通方法的基礎(chǔ)上用X射線等方法進(jìn)行補(bǔ)充檢查； 1） 高空安裝焊縫的許用應(yīng)力應(yīng)考慮降低 ； 2） 單角鋼焊件端部用一個邊（包括等邊角鋼用任一邊和不等邊角鋼用短邊） 單面連接時，其連接焊縫的許用應(yīng)力降低 。 手工焊接所用焊條應(yīng)符合國際（GB5117-85）規(guī)定的要求。當(dāng)焊接材料為Q235鋼時，應(yīng)采用E43型焊條（E4300至E4328）；當(dāng)焊接材料為16MN鋼時，應(yīng)采用E50型焊條（E5001至E5048）。焊條常用直徑為3，4，5，6，8和10cm. 自動焊和半自動焊的焊絲和焊劑應(yīng)通過試驗選定，以保證焊逢和鋼材的強(qiáng)度。在一般情況下，焊Q235號鋼和Q215號鋼時，可采用H08，H08A，H08MNA焊絲配合高錳高硅型焊劑，或H08MNA和H10MNZ焊絲配合低錳高硅型焊劑。焊接16MN鋼可采用H08A，H08MNA，H10MNZ和H10MNSI焊絲配合高錳高硅型焊劑。焊絲常用直徑為4，5，6，及8mm。 十五，焊逢的種類的型式 按夠造焊逢可分為對接焊縫（圖 a-c）和貼角焊逢（圖 d-i）。 按用途焊逢可分為工作焊逢和構(gòu)造焊逢。工作焊逢是受力焊逢，常用連接焊逢（圖a）；而構(gòu)造焊逢，即非主要受力的焊逢，常用斷續(xù)焊逢（圖 b）. 圖 焊逢的型式 圖 焊逢的型式 對接焊逢和貼角焊逢可制成各種型式。對接焊逢斷面主要型式（與連接金屬的厚度有關(guān)），如圖 所示。貼角焊逢斷面主要型式如圖 所示。 圖 對接焊逢的斷面型式 為了防止未熔透起見，貼角焊逢最小厚度 不得小于4mm。而最大厚度 不得大于1.2，為焊件中的最小厚度。 十六，焊逢連接計算： （1）對接焊逢（圖 ） 承受軸向力和彎矩的對接焊逢應(yīng)力按下式計算： 或 = 式中 ； ；焊逢許用應(yīng)力 或 。 公式 中，拉應(yīng)力為正值，壓應(yīng)力為負(fù)值。 當(dāng)對接焊逢只承受剪力作用時，焊逢剪應(yīng)力為： = 圖 貼角焊逢的斷面型式 式中 -------焊逢許用剪應(yīng)力，見表 。 當(dāng)同時作用著N。M及Q時，焊逢折算應(yīng)力為： = （2） 貼角焊逢 1） 承受軸向力的貼角焊逢（圖 ） 如圖 a所示情況，焊逢剪應(yīng)力為： 圖 對接焊逢的計算 圖 貼角焊逢的計算 式中 = -------焊逢計算厚度； -------焊逢的計算長度； -------焊逢許用剪應(yīng)力，按公式選用。 如圖 b所示情況，焊逢1受到軸向力 和焊逢2受到軸向力 為： ， 式中 和 ------------焊逢1和焊逢2至型鋼重心線的距離。 焊逢1的剪應(yīng)力為： 焊逢2的剪應(yīng)力為： 2）由彎矩M和剪切力Q作用的貼角焊逢（圖 ）由彎矩M產(chǎn)生的焊逢最大剪應(yīng)力為： 式中 為焊逢的慣性矩， 為焊逢計算厚度。 由剪切力產(chǎn)生的焊逢剪應(yīng)力為： 折算剪應(yīng)力為： 3） 連接焊縫所能承受的最大拉力： 4） 拼接板所能承受的最大拉力： 5） 對焊縫形心的軸力引起的剪應(yīng)力： 十七，螺栓連接 1，構(gòu)造與布置 橋式起重機(jī)橋架端梁由兩段在中部用螺栓連接，門式起重機(jī)主梁與支腿和下橫梁皆用螺栓連接。 按工作特點螺栓連接分為普通半精致螺栓連接，精致鉸孔螺栓連接和高強(qiáng)度螺栓連接。起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)中應(yīng)盡可能采用半精致和高強(qiáng)度螺栓連接避