關(guān)于構(gòu)件吊耳板設(shè)計的探討

1、1問題的提出在港口工程中,對構(gòu)件吊耳板的設(shè)計,一般參照港口工程樁基規(guī)范中附錄E 的方法1(圖1:B=(2.42.6d E.0.1-(1B/20E.0.1-(2a=(0.91.05dE.0.1-(3式中:B 為吊耳板寬度(mm;d 為吊耳孔直徑(mm;為吊耳板厚度(mm;a 為孔頂至板頂距離(mm。1吊耳孔壁局部受壓承載力cj =(g P/(2r f cj (E.0.2-12吊耳孔壁受拉承載力tj =cj (R 2+r 2/(R 2-r 2f tj(E.0.2-2式中:cj 為孔壁局部受壓承載力(MPa;為動力系數(shù),按第6.2.6條規(guī)定:水平吊運取1.3,吊立過程取1.1;g 為荷載分項系數(shù),取

2、1.35;P 為吊耳板荷載標(biāo)值(N ;r 為吊耳孔半徑(mm ;f cj 為局部緊接承壓強度設(shè)計值(MPa ;tj 為孔壁受拉承載力(MPa ;R 為吊耳板半寬(mm ;f tj 為孔壁受拉強度設(shè)計值(MPa 。雖然依照規(guī)范公式已設(shè)計過大量的構(gòu)件吊耳板,也基本上沒有發(fā)生過意外情況,但在以上的設(shè)計中,只考慮吊耳板一個部件,沒有引入吊軸參數(shù),表達不夠全面。比如,在計算孔壁局部受壓承載力中(式E.0.2-1,cj 與吊耳孔半徑r 成反比,在其他條件不變的情況下,則在滿足式(E.0.2-2的同時,r 越大,cj 越小,孔壁受力狀關(guān)于構(gòu)件吊耳板設(shè)計的探討徐志栓(上海港灣工程設(shè)計研究院三所,寧波31520

3、0摘要:指出現(xiàn)行港口工程規(guī)范關(guān)于吊耳板設(shè)計公式的不足,通過力學(xué)分析,找出關(guān)鍵所在,并給出解決方案。關(guān)鍵詞:吊耳板;吊軸;接觸應(yīng)力中圖分類號:U656.1+12文獻標(biāo)識碼:B文章編號:1002-4972(200605-0037-04Members Lifting Lug DesignXU Zhi-shuan(Third Branch of Shanghai Harbor Engineering Design and Research Institute,Ningbo 315200,ChinaAbstract:A defect is pointed out about the formula fo

4、r lifting lug design in current codes for port engineering.Through mechanics analysis,the key is found out and a solution is offered.Key words:lifting lug;crossbar;contact stress圖1吊耳板收稿日期:2005-02-16作者簡介:徐志栓(1972-,男,工程師,從事港口設(shè)計施工。2006年5月第5期總第388期May 2006No.5Serial No.388水運工程Port &Waterway Engineer

5、ing2006年水運工程況越好。依此計算,則往往形成一個不良循環(huán):r 取大值,以便cj f cj ,則R 值也隨之取大值,則吊耳板尺寸無意中被放大,很不經(jīng)濟。特別在整個計算過程中,沒有充分體現(xiàn)局部緊壓應(yīng)力的產(chǎn)生部件吊軸的參數(shù),似乎局部緊壓應(yīng)力只與吊耳板內(nèi)徑有關(guān),而與吊軸直徑無關(guān),這是規(guī)范公式對設(shè)計人員的一個誤導(dǎo),也是本文討論的核心問題。2問題的初步分析經(jīng)查,以上公式是從鋼結(jié)構(gòu)2中有關(guān)水工部分引用而來,但在引用中忽略了一個重要約束條件,即:=d-d 10.02d式中:d 為軸孔即吊耳孔內(nèi)徑;d 1為吊軸直徑。因為在眾多的鋼結(jié)構(gòu)中,吊軸基本一直安裝在軸孔內(nèi),乃至與吊耳板固定,作為改變傳力方式或改善

6、傳力狀態(tài)的一個部件,因此能夠而且最好做到0.02d ,以使吊軸與軸孔能全弧面接觸,充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能。而作為構(gòu)件的吊耳板時,又往往是為起吊、運輸時安裝吊桿、卸扣所用,吊軸多次插入、拔出軸孔,而且作業(yè)環(huán)境較惡劣,如仍要求0.02d ,則操作相當(dāng)困難,如果加工誤差較大,往往造成吊軸無法插入軸孔,或因吊軸、軸孔變形,吊軸無法拔出。因此,實際應(yīng)用中,經(jīng)常是0.20.4d>>0.02d ,以方便吊軸的插拔。因接觸 情況發(fā)生了較大變化,以上公式也就不能直接引用,必須切實考慮實際情況,在計算公式中引入吊軸參數(shù),使計算結(jié)果與實際相接近。為解決以上問題,還需從吊耳板與吊軸的作用原理出發(fā),分析吊耳

7、板的受力狀態(tài),計算相關(guān)應(yīng)力。吊軸與吊耳板作用時,軸孔破壞主要有以下3種形式3(圖2:孔壁擠壓破壞;端部剪斷;鋼板拉斷。針對港工規(guī)范中的公式,本文主要討論孔壁擠壓破壞。3理論分析兩個接觸物體相互擠壓而產(chǎn)生的應(yīng)力和變形為接觸應(yīng)力和接觸變形。接觸應(yīng)力具有局部性,離開接觸面稍遠處,應(yīng)力急劇減小,因而是一種局部應(yīng)力。接觸處的材料處于三向應(yīng)力狀態(tài),應(yīng)力分布復(fù)雜。設(shè)兩個曲面物件相互作用,在材料未發(fā)生變形以前,兩曲面體只發(fā)生點接觸,設(shè)為O 點,稱O 點為初始接觸點。取曲面在O 點的法線作為Z軸。在沿Z 軸的力P 作用下,初始接觸點附近的材料發(fā)生變形,使接觸點變成一個很小的平面,在此接觸面上,各點的單位壓力的大

8、小與該點材料的變形量有關(guān),顯然Z 軸上變形最大,沿Z 軸將產(chǎn)生最大單位壓力q 0,叫做接觸應(yīng)力H4。當(dāng)軸線平行的兩圓柱體相接觸時,在未變形前,兩者是條直線(取為X 軸互相接觸的。沿Z 軸施加壓力P 后,接觸處發(fā)生變形,接觸線變?yōu)橐痪匦谓佑|面,接觸面上的單位壓力q 按半橢圓柱規(guī)律分布(圖3。變形最大的X 軸上壓力最大,以q 0表示。其他各點上的單位壓力q 則為:q=q 01-y 2/b 2#(1式中:y 為沿Y 軸的坐標(biāo);b 為接觸面寬度之一半。整個半橢圓柱的體積等于總壓力P ,故P=bLq 0/2(2 式中:L 為接觸面的長度,亦即圓柱體的長度,最大單位壓力q 0為:q 0=2P/(bL (3

9、圖2軸孔破壞形式圖3q 按半橢圓柱規(guī)律分布38第5 期圖4改進后的吊耳板此最大單位壓力q 0即為接觸應(yīng)力H ,故:H =q 0=2P/(bL (4經(jīng)計算,接觸區(qū)的半寬度b 為:b=1.13P L (1/r 1+1/r 2!(5式中:=21/E 1+(1-22/E 2,1、2和E 1、E 2分別表示2個部件材料的泊松比和彈性模量。則接觸應(yīng)力為:H =0.564P (1/r 1+1/r 2/(L !(6當(dāng)圓柱與平面接觸時,取r 2=,當(dāng)圓柱與凹圓柱面接觸時,取r 2為負(fù)值。通過以上分析,吊軸與孔壁的接觸應(yīng)力為:H =0.564P (1/r 1-1/r 2/(!=0.564P (r 2-r 1/(/

10、r 1/r 2!(7式中:H 為接觸應(yīng)力(MPa ;P 為作用力(N;為吊耳板厚度(mm;r 1為吊軸半徑(mm;r 2為吊孔半徑(mm。上式中將吊孔半徑和吊軸半徑作為2個不同參數(shù)對待,與實際情況相近。當(dāng)r 2為定值時,H =F (r 1為遞減函數(shù);當(dāng)r 1為定值時,H =F (r 2為遞增函數(shù)。對比規(guī)范中的式(E.0.2-1,cj =F (r 為遞減函數(shù),當(dāng)視r 為吊軸半徑r 1時,式(E.0.2-1與理論分析相近,若將r 視為吊孔半徑r 2時,則式(E.0.2-1與理論分析相矛盾,不盡合理,應(yīng)予以完善。實際部件受力時,并不是接觸應(yīng)力H 超過材料的抗壓強度設(shè)計值f 就發(fā)生擠壓破壞,而因為材料

11、的彈性變形,只有當(dāng)H 在較大范圍內(nèi)超過f 時,吊耳板孔壁才發(fā)生擠壓破壞。假設(shè)吊耳板及吊軸均為鋼材,取1=2=0.3,E 1=E 2=2.06×105MPa ,將式(6簡化為:H =189.719P (r 2-r 1/(r 1r 2!(8由式(6可知,當(dāng)r 1很接近r 2,即(r 2-r 10時,H 0,或者當(dāng)接觸區(qū)域發(fā)生較大彈塑性變形,吊軸與吊孔完全接觸,則兩部件之間的作用力不再是接觸應(yīng)力,而是接近于徑向均布壓應(yīng)力:0=P/(2r 1(9式(9與式(E.0.2-1相近,但不同的是式(9中的計算半徑為吊軸半徑r 1,不是吊孔半徑r 2。至于吊耳孔壁環(huán)向拉應(yīng)力,因局部范圍應(yīng)力狀況相當(dāng)復(fù)雜

12、,特別是當(dāng)材料發(fā)生彈塑性變形后,應(yīng)力的大小和分布均與變形有著密切的聯(lián)系,很難用理論計算求解。一般也假定(r 2-r 10,或發(fā)生彈塑性變形兩者完全接觸,應(yīng)力為徑向均布壓應(yīng)力,此時可引用彈性力學(xué)的拉梅公式4:(=0R 2+r 22R 2-r 22(10式中:R 為吊耳板半徑。根據(jù)彈性力學(xué)分析,環(huán)向拉應(yīng)力最大值發(fā)生在孔內(nèi)壁。因0、都是局部應(yīng)力,與其相對應(yīng)的強度設(shè)計值f cj 和f tj 不是材料的抗壓強度設(shè)計值f 和抗拉強度設(shè)計值f 。規(guī)范中的取值范圍大約是:f cj =(0.550.60f ,f tj =(0.700.75f ,接近或稍大于材料的抗剪強度設(shè)計值。關(guān)于f cj 和f tj 的取值,

13、應(yīng)該根據(jù)材料的實際情況,選取有代表性的試樣,通過試驗數(shù)值統(tǒng)計來確定。4解決方案實際吊耳板設(shè)計還有側(cè)向剛度問題,即由于吊孔內(nèi)壁不平整,或吊孔圓柱面不垂直于吊耳板或呈圓臺形,受力時吊耳板有側(cè)向失穩(wěn)的可能。因此,實際應(yīng)用中吊耳板還需作適當(dāng)改進:在吊耳板兩側(cè)焊軸承板,改善受力狀況,增大吊耳板的側(cè)向剛度,如圖4所示。軸承板孔徑比吊耳板孔徑略小,使吊軸的荷載作用于軸承板上,2部件有2個作用點,能較好地解決吊耳板的側(cè)向失穩(wěn)問題,也使吊軸的受力狀況得到改善。綜合以上分析,吊耳板的設(shè)計步驟可總結(jié)為(有關(guān)系數(shù)按規(guī)范要求處理:1確定荷載P 和吊耳板材質(zhì);2計算或通過手冊選用吊軸直徑(2r 1;3加上操作富余量確定軸

14、承板孔徑d (2r 2;4通過式(E.0.1-1、(E.0.1-2徐志栓:關(guān)于構(gòu)件吊耳板設(shè)計的探討392006年水運工程特征年寧波市貨運量寧波港吞吐量200517509.2926352.78200619445.1230581.04200721671.3435443.53200824231.4841035.40200927175.6547466.05201030413.3054537.73201133510.4561302.53201236979.2668879.10201340864.3377364.88201445215.6186868.93201550089.0497513.48表2200

15、5-2015年寧波港吞吐量萬t2.2參數(shù)選擇1根據(jù)1996-2004年寧波市以及寧波港口有關(guān)歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及中長期規(guī)劃,如平均出生率,平均死亡率、年港口岸線使用速度、GDP 年均增長率。2根據(jù)參數(shù)的性質(zhì),選定不同類型的公式按比例推算。對各產(chǎn)業(yè)貨運系數(shù)、各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的初值、港口單位吞吐量裝卸費用,港口乘數(shù)效應(yīng)等參數(shù),選用不同類型的公式按比例遞推。3用回歸法確定參數(shù)和方程,模型中用一元線性回歸確定勞動力與總?cè)丝诘年P(guān)系;用非線性回歸確定港口吞吐量與水運貨運之間的關(guān)系等。2.3寧波港吞吐量預(yù)測采用Vensim 軟件包計算上述港口吞吐量預(yù)測模型,2005-2015年寧波港吞吐量如表2所示。可以看出2005

16、-2010年間寧波港吞吐量以年均15.6%的速度增長,2010年寧波港吞吐量將突破5億t ;2010-2015年期間寧波港吞吐量以年均12.4%的速度增長,2015年寧波港吞吐量將達到9.7億t 。3結(jié)語本研究將系統(tǒng)動力學(xué)方法用于港口吞吐量的各種影響因素及其內(nèi)在關(guān)系的定性分析中,并建立系統(tǒng)動力學(xué)模型對港口吞吐量進行動態(tài)預(yù)測和定量分析。與傳統(tǒng)方法相比,該模型不僅考慮經(jīng)濟、人口等常規(guī)因素,而且考慮資源及綜合運輸網(wǎng)等更多的影響因素,能較系統(tǒng)地反映出系統(tǒng)各影響因素間的相互關(guān)系。通過對寧波港口吞吐量預(yù)測系統(tǒng)進行仿真分析,驗證了該模型的實用性和有效性。參考文獻:1張國伍.交通運輸系統(tǒng)動力學(xué)M.成都:西南交

17、通人學(xué)出版社,1993.2王其藩.系統(tǒng)動力學(xué)(修訂版M.北京:清華大學(xué)出版社,1994.3王云鵬,楊志發(fā),李世武,等.基于系統(tǒng)動力學(xué)的道路運輸量預(yù)測模型J.吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版,2005,25(4:426-430.4鐘昌標(biāo),林炳耀.一種港口社會效益定量分析方法的探討-以寧波港為例J.經(jīng)濟地理,2000,20(3:70-73.(上接第28頁初步計算吊耳板的厚度、寬度B ;5根據(jù)式(9、(10計算軸承板的外徑D (2R 及厚度1;6由外徑D 加上焊接尺寸重新計算確定B 值。該步驟與規(guī)范的主要不同之處為:1引入軸承板作為受力部件,改善吊軸和吊耳板的受力狀況;2區(qū)分軸徑與孔徑在計算中的不同應(yīng)用,計算更加合理。5結(jié)語依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范公式設(shè)計的構(gòu)件吊耳板,通過大量工程實踐證明是安全的,沒有