第二章-載荷及金屬結構設計計算準則

第二章載荷及金屬結構設計計算準則

金屬結構是承載結構，為了保證起重機工作的安全可靠和良好的使用性能，正確地分析計算結構所受的外載荷是結構設計計算的重要內容之一。§2－1載荷的種類§2－2載荷的確定與計算§2—4結構承載能力的計算方法§2—3載荷的計算組合§2—5強度設計準則及許用應力§2—6穩(wěn)定性設計準則§2—7剛性的設計準則：2023/10/251物流工程學院WHUT§2－1載荷的種類《重機設計規(guī)范》GB3811－2008，依載荷的作用概率劃分：基本載荷——永久或經常作用在結構上附加載荷——不常作用特殊載荷——偶然作用一、基本載荷：自重（結構、電氣）；起升載；慣性載荷；動載效應系數(shù)2023/10/252物流工程學院WHUT非工作狀態(tài)下的最大風載，PwⅢ；試驗載；安裝載；運輸載及地震載等。二、附加載荷：工作狀態(tài)的最大風載PwⅡ，側向力Ps；溫度載荷；冰雪載荷等三、特殊載荷：2023/10/253物流工程學院WHUT§2－2載荷的確定與計算一、自重載荷及其動載效應1、的估算方法：1）參考同類產品的自重進行類比（常用，較可靠）2）利用手冊、資料的經驗公式，（圖、表及計算公式）3）逐步逼迫法：建立粗略的力學模型→計算內力→選截面→考慮構造系數(shù)1.3～1.4初算自重→驗算→調整使估算自重與施工設計的重量誤差<10%2023/10/254物流工程學院WHUT2、自重的動載效應1）起升沖擊系數(shù)起升質量突然離地起升或下降制動時，自重載荷產生的沿其加速度相反方向的沖擊作用。計算載荷為：φ1PG

的取值：0.9≤≤1.12023/10/255物流工程學院WHUT2）運行沖擊系數(shù)

起重機或部分裝置行經不平路面或軌道接頭時，使運動質量產生鉛垂方向的沖擊作用。計算載荷為：φ4PG

的取值：有軌運行：φ4

＝1.1+0.058Vyh1/2式中：Vy——運行速度m/s

h——軌道接頭處兩軌面的高低差mm

一般控制h≤2mm無軌運行：運行速度20～50km/h

瀝青路：＝1.5石子路：＝2.02023/10/256物流工程學院WHUT3、自重的作用方式建立力學模型時，應考慮載荷的分布情況。實腹式——按均布力來處理桁架——按節(jié)點載荷處理機、電設備重量——按集中載荷處理2023/10/257物流工程學院WHUT二、起升載荷及其動載效應1、起升載荷1）吊鉤式：＝

——取物裝置

——懸掛長度大于50m時起升鋼絲繩重量2）抓斗式：＝

對于抓斗、電磁鐵、容器式作為取物裝置時，額定起重量包含2023/10/258物流工程學院WHUT2、起升載荷的動載效應1）起升載荷動載系數(shù)

起升質量突然離地起升或下降制動時，對承載結構和傳動機構產生附加動載作用?？紤]此工況的計算載荷為：

的計算：

2023/10/259物流工程學院WHUT離地起升，結構及鋼絲繩滑輪組動力學模型

、——分別表示主梁及小車在懸掛處的換算質量及剛度系數(shù)

、——分別表示起升質量和鋼絲繩滑輪組的剛度系數(shù)——在起升載荷作用下，起升質量懸掛點處的靜撓度（位移）——在起升載荷作用下，鋼絲繩滑輪組的靜撓度（位移）2023/10/2510物流工程學院WHUT靜位移：動位移，則由簡化后的動力學模型并考慮操作因素的影響后求得：所以經過檢驗的修正的理論公式。說明:①此式由橋吊主梁跨中用建立力學模型，所求得用于其它復雜結構不合適②模型太粗糙忽略了質點以外其余結構的振動，計算出的往往偏小

2023/10/2511物流工程學院WHUT式中：c—操作參數(shù)由P—29.表2-1查取v—額定起升速度，m/s g—重力加速度.g=9.8m/s—對橋式起重機.L-跨度，m對門座起重機.R-最矢幅度。

(H—起升高度)δ—結構質量影響參數(shù).:對橋式起重機；取為小車質量木橋質量的一半；對臂架式起重機；取為臂架質量的1/3:額定起升質量；kg;2023/10/2512物流工程學院WHUT說明：①當計算出＞2時，應在控制方面采取措施，降低貨物的離地速度，并且取=2；②若標出＜1.1，則取=1.1。③初步設計時，也可按P29.表2—2推薦的公式計算④可由理論分析和實驗研究的結果選用。構件名稱橋式門式裝卸橋門座起重機建筑用塔吊汽車吊輪胎吊有緩沖無緩沖橋架、端梁1.05-1.3(1.5-2.0)橋架、支腿、下橫梁1.1-1.3(1.5)1.5(1.8)-2.01.5(0.8)1.0(2.2)象鼻梁、拉桿、人字架、門架，臂架1.05(1.2)1.05(1.25)1.25(1.45)1.3(1.5)1.2(1.35)1.3(1.55)1.5(1.85)2.0(2.5)起重臂，塔頂、塔中段、平衡臂、塔根1.251.41.55臂架、人字架、轉盤1.21.3注：括號外用于吊鉤式，括號內用于抓斗式。2023/10/2513物流工程學院WHUT2）運行沖擊系數(shù)考慮運行不平過軌道接頭工況的起升載荷計算載荷數(shù)：3）突然卸載沖擊系數(shù)物理意義：起升質量部分或全部卸載時，對結構產生的動態(tài)減載作用.考慮此工況的起升載荷計算載荷數(shù)：式中：

—系數(shù)：抓斗起重機=0.5

電磁起重機=1.02023/10/2514物流工程學院WHUT三、慣性載荷Pi及其動載效應慣性載荷—包括旋轉，運行，變幅時產生的水平慣性力.1.運行慣性力:=1.5m·am—運行部分的質量，（起升載）kg;a—運行起，(制)動的平均加速度，a=v—額定運行速度，m/st—起（制）動時間，s1.5—考慮猛烈起，制動的動載效應系數(shù)。（a,t可查附錄表2），對于自動式運動機構：≤μ(粘著力)，μ—車輪逆向的滑動摩擦系數(shù)；μ=0.129（室內）～0.15（室外）Pz—主動輪的靜輪壓之和，N.Pi的作用位置和分布方式—與相應質量的重力載荷相同。2023/10/2515物流工程學院WHUT2.回轉運動慣性力

（以門座起重機為例）回轉引起：起升質量象鼻梁，大拉桿，鼻架，對重，平衡梁，小拉桿，人字架，轉臺，機電設備,產生（1）法向（2）切向質量的處理方式：·起升質量、活對重、機電設備—按集中質量考慮·其余構件—計算自身內力時，按均布質量考慮，否則按集中質量考慮·格構式構件—按分布于各節(jié)點的集中質量考慮。2023/10/2516物流工程學院WHUT1）集中質量慣性力：法向：=m··r(N)ω—角速度ω=其中n為四桿速度.轉/分切向：=m·ω·r(N)ξ—平均角加速度.ξ=說明：（1）通常不忽略法向慣性力（2）起升質量的慣性力不能單獨計算，化起升繩偏擺角中考慮2023/10/2517物流工程學院WHUT2）均布質量慣性力.（以臂架為例）任意截面Ⅰ—Ⅰ處單位長的質量：—臂架重量該處的單位長度質量慣性力：

說明：·通?？珊鲎ⅲ簩τ谘b設極限的力矩聯(lián)軸器的回轉機構，計算回轉部分的最大慣性主矩時，受打滑條件的限制：∑·r≤MeMe—換算到起重機回轉軸上的極限摩擦力矩。2023/10/2518物流工程學院WHUT3.變幅運動慣性力1）用小車變幅時，小車和起升質量慣性力計算與運動慣性力相似；2）用臂架變幅時，臂架的慣性力一般可以忽略；起升質量的水平慣性力在起升繩偏擺角中考慮。2023/10/2519物流工程學院WHUT4.碰撞載荷Pc及其動載效應.

有軌運動起重機（或小車），尤其是高速運動小車，為安全起見，常在軌道終端處裝設緩沖器；在同一軌道上工作的多臺起重機為避免相互間的碰撞也裝有緩沖器。

碰撞型式：（1）小車←→緩沖器或大車←→緩沖器.（緩沖器固定）（2）起重機（大車）←→起重機2023/10/2520物流工程學院WHUT緩沖器種類：（1）碰撞力為線性特性.如：橡膠彈簧.（2）碰撞力為常力特性.如：液壓2023/10/2521物流工程學院WHUT1)小車（或大車）碰撞緩沖器，假定起重機（小車）為全剛性，不考慮彈性變形，根據(jù)能量原理.運動質量的動能=緩沖器（壓縮）所做功

E W↓↓1/2（）= 1/2（?s?n）(線特性) ?s?n(常力特性)2023/10/2522物流工程學院WHUT注：n為同時撞擊的緩沖器的個數(shù)

2/ns(線特性)=/ns(常力特性)2)兩起重機相向碰撞2023/10/2523物流工程學院WHUT根據(jù)碰撞理論，而運動質量.相向碰撞時緩沖器的最大。壓縮量發(fā)生在碰撞過程中兩運動質量達到同步運動的瞬間。對m1、m2分別應用動量原理：

ft=mv物體所受外力的沖量等于物體動量的增加(f1與v的方向相反)①②①+②.并整理得：

碰撞后兩運動質量同步移動速度2023/10/2524物流工程學院WHUT碰撞時的總動能-碰撞后還存在的動能動能的改變量（緩沖器實際吸收的動能）

緩沖器做功：

線特性：

由有：3)碰撞載荷是動載效應：考慮運動機構的轉動動能及起升質量動能影響和結構彈性振動而僅碰撞力增大.

的計算載荷為：—碰撞載荷動載系數(shù).查P36.表2—3.2023/10/2525物流工程學院WHUT5.風載荷與風振

風載荷對露天工作的起重機影響很大，尤其是還上作業(yè)，沿海一帶內路段高大的起重機風載影響不可忽視。例：武鋼發(fā)生合龍門吊被吹跑；75年南京鎮(zhèn)江發(fā)生整臺起重機被風吹入長江；上海港務局機修廠100t門機被風吹跑，上海楊浦燃料站一臺裝卸橋交接班時沒有把防風裝置鎖緊，突遇大風，整機被風吹跑，一腿騰空，幸好撞到終點水泥樁，險些彈入江中，但造成30多處裂縫。天津港發(fā)生臂架非工作時被風吹斷。2023/10/2526物流工程學院WHUT:①—工作狀態(tài)的最大風載荷②非工作狀態(tài)的最大載荷1）風載荷的計算：式中（1）q—風壓，q的取值：①根據(jù)使用地區(qū)的統(tǒng)計風速計算.

ρ為密度

取平均重度

②根據(jù)地域，工作狀態(tài)等由p37表2-4及表下注明中選取。

2023/10/2527物流工程學院WHUT（2）c—風力系數(shù)（體型系數(shù)）

定義：

ρ—空氣密度.ρ=γ(重度)/g:—由模型（風洞）實驗獲得，與構造形狀，尺寸等有關c查p39.表2-82023/10/2528物流工程學院WHUT(3)kh—風壓高度變化系數(shù).實際工作狀態(tài)風載時：=1計算工作狀態(tài)風載時，kh查p38表2-5或按下式計算：=(h/10)0.3(陸上) =（h/10）0.2(海上及海島)（4）A—垂直方向的通風面積.（按最不利的通風方位計算）①單片結構：Φ—充實率，依結構類型查表2-6；—結構外輪廓面積②兩片結構：（并列，等高）;η—擋風系數(shù)，根據(jù)萬片結構的Φ及a/h查表2-9。注：多片結構：矩形面格結構式塔架結構，三角形截面寬間架結構的風載計算詳見P40-41.2023/10/2529物流工程學院WHUT2)風振：（高聳塔桅結構）(1）突發(fā)陣風的脈沖頻率等于或接近結構發(fā)固有頻率時產生的順風前后的共振現(xiàn)象。β—風振系數(shù)，查下表：β的近似值結構的自振頻率f(Hz)4210.660.50.30.2塔型鋼結構，鋼支架1.251.451.551.621.651.701.75

定常氣流繞過結構物的表面，在結構物兩側產生渦流，當渦流交替出現(xiàn)的頻率等于或接近結構固有頻率時產生垂直于風方向的共振現(xiàn)象—卡曼風振。2023/10/2530物流工程學院WHUT例：40年代美國的一座大型懸牽橋固此而導致災難性的毀壞

原西德的一座煙窗因此而重建上海港機廠60年代制造了一臺援馬爾他的門座式起重機也發(fā)現(xiàn)了比較嚴重的的渦振現(xiàn)象同濟大學李國豪教授采取了以下措施得以解決：2023/10/2531物流工程學院WHUT6.偏斜運動側向力Ps(有軌)引起偏斜運動的原因：（1）兩側電機為同步；（2）車輪，四支點的制造，安裝誤差；（3）軌道不直、不平。由于影響因素多，定量分析難，通常采用下面的經驗公式計算：Ps=(λ∑P)/2,式中；λ—側向力系數(shù)，由L/B表查P42，圖2-16B—基距，當裝有水平輪時，B取水平輪的間距∑P—受側向力一側車輪的最大總輪壓（由和引起，不計動在系數(shù)）2023/10/2532物流工程學院WHUT7.運輸，安裝載荷視具體情況確定（參考P43）8.實驗載荷：見P43.9.溫度，冰雪，地震載荷一般不考慮。10.作用于起升質量上各種水平力的綜合簡化計算—