起重機械金屬結構(第四章)

1、第四章軸心受力構件n軸心受力構件是起重機結構的基本構件之一。實際工程結構中很多都是如此。n本章學習的重點1）軸心受力構件的構造特點 2）軸心壓桿的穩(wěn)定性計算3）構件截面的選擇、驗算和構建長度的確定。 4.1種類及應用一，應用舉例 1.桁架中的弦桿和腹桿2.人字架3.八撐桿門架的八撐桿二，分類按受力性質：受拉（軸心拉桿） 受壓（軸心壓桿或柱） 按構造分：實腹式 格構式4.2軸心受拉構件的設計計算 一、軸心受拉構件安全工作條件滿足強度（靜強度，疲勞強度）條件 滿足剛度條件靜強度：= N/Aj 剛度：= lc /r lc 計算長度lc =l l幾何長度, 支座系數P178r = 截面回轉半徑 A構件

2、毛截面積 I毛截面慣性矩 AI4.2軸心受拉構件的設計計算注意：有的構件兩個方向的支承條件不相同，如臂架（鋼繩變幅）在擺動平面內為兩端鉸支；在回轉平面內為一端固定，一端自由，x y 計算流程初選截面形式、確定截面尺寸；選截面形式，初定截面尺寸的方法方法（1）：參考同產品選定 （2）：由強度，剛度條件初定驗算強度、剛度；滿意結束；不滿意，調整截面尺寸。返回到第二步，重新驗算。4.2軸心受拉構件的設計計算 計算舉例，已知：載荷N,構件的幾何長度l 1，初選截面形式，確定幾何尺寸初定選用工字鋼，（選什么型號？）應滿足：N/Aj ,求A需。 型鋼表中由：A，Ix，Iy，rx，ry x= lx /rx（

3、xl）/ rx ，求rx需。 y= ly /ry（yl）/ ry ，求ry需。AN/() ：截面削弱系數，0.80.85rx需l / ，ry需l / 由A需，rx需，ry需查表選工字鋼。 4.2軸心受拉構件的設計計算 若初定選用工字形組合截面（焊接），計算A需，rx需，ry需后，還需確定截面主要尺寸h,bhrx需/= r/0.43來源老教材P376b= ry需/= r/0.24由A需，h，b確定h,b,t, 2，驗算：強度：N/A 疲勞：N/ A N 由組合工計算的最大軸力剛度：lc /r 取x，y兩者中的大值。4.3軸心受壓構件的整體穩(wěn)定性軸心受壓構件的安全工作條件滿足強度條件滿足剛度條件滿

4、足整體穩(wěn)定性條件滿足局部穩(wěn)定性條件一，壓桿穩(wěn)定性概念 類穩(wěn)定性問題由于結構失穩(wěn)造成事故的例子：（1）1907年，加拿大圣勞斯河上建造一座鋼橋魁北克橋，建好了邊跨后，用懸臂法架設中跨橋架時，由于懸臂桿架受壓最大的下弦桿（在橋墩附近）喪失穩(wěn)定性，致使橋梁倒塌，9000噸鋼結構頃刻間變成一對廢鐵，正在橋上工作的86人中傷亡達75人。（2）1925年，原蘇聯(lián)的莫茲爾橋在試車時由于橋架的桁架壓桿失穩(wěn)發(fā)生事故。（3）美國華盛頓一座劇院（鎳克爾卜克爾劇院）于1922年的一場大雪中，由于屋頂結構中的一根梁失穩(wěn)，使柱和其它構件移動而導致整個劇院倒塌，事故中死亡98人，受傷100多人。 43軸心受壓構件的整體穩(wěn)定

5、性二，軸心受壓構件的臨界力與臨界應力以兩端簡支的軸壓構件為例由材力，撓曲線微分方程：d2y/dz2=M(z)/EI= （N*y）/(EI)y+(N/EI)*y=0 y+ k2y=0 (N/EI=k2)解以上二階常系數線性齊次方程得通解：y=Asinkz+Bcoskz2.2載荷的確定和計算系數A、B由邊界條件：當z=0時,y=0,求得B=0 y=Asinkz又當z=l時，y=0,有：0Asinkl討論：若A=0,0=0無意義若有sinkl0， kl=n （n=0,1,2）時，sinkl=0 k= (n)/l k2=(n22)/ l2=N/EI N=(n22EI)/ l2 4.4軸心受壓構件的局部

6、穩(wěn)定性一，局部穩(wěn)定性概念當實腹式軸心受壓構件在未產生整體失穩(wěn)前，薄板在壓應力作用下產生局部屈曲現象成為軸心受壓構件的局部失穩(wěn)。局部失穩(wěn)后，屈曲部分退出工作，使受壓構件整體承載能力下降，并可能引起整體破壞。二，軸心受壓構件局部穩(wěn)定性控制條件：（根據GBJ17-88）使局部穩(wěn)定性不低于構件的整體穩(wěn)定性，即crcr 表明局部穩(wěn)定性承載能力大于整體穩(wěn)定性承載能力，即局部失穩(wěn)在整體失穩(wěn)后4.4軸心受壓構件的局部穩(wěn)定性其中：E板的歐拉應力t板厚b板寬-板支承邊的彈性約束系數k-彈性屈曲系數 Exkcr板 211222btEE)()0248. 01 (1013. 022fEEss4.4軸心受壓構件的局部穩(wěn)定

7、性整體桿件的失穩(wěn)條件其中： 當不考慮初始缺陷時，所以： 由于要求：所以：帶入各種板的支撐條件等相關條件，即可得各種具體的條件ANskcrnscrscr桿1kn桿板crcrsbtExk2)1(12)(224.4軸心受壓構件的局部穩(wěn)定性1，對于工字型和T字型截面的翼緣板和T字型的腹板可視為三邊簡支，一邊自由的兩邊受均勻壓力的板，則：=1；K=0.425 或當=100時，取100構件的最大長細比。setb235)1 . 010(sh235)1 . 010(4.4軸心受壓構件的局部穩(wěn)定性2，對于工字型截面的腹板視為四邊簡支，兩邊受均勻的壓力，則=1.3，K=43，對于箱型截面的翼緣板和腹板，均視為四邊

8、簡支，兩邊受均勻壓力，則=1.0，K=4滿足以上條件的寬厚比或高厚比，則局部穩(wěn)定性不會失穩(wěn)。sho235)5 . 025(shotbo23540)(或4.4軸心受壓構件的局部穩(wěn)定性三，局部穩(wěn)定性的控制措施如不滿足以上控制條件，則應采取以下措施1，對于工字型截面的翼緣板增加板厚t直至滿足寬厚比要求；加鑲邊。2，對于工字型截面的腹板或箱型截面的翼緣板和腹板，采取加縱筋；對由縱筋分割的區(qū)域，驗算是否滿足寬厚比或高厚比的要求，直到滿足條件為止。4.4軸心受壓構件的局部穩(wěn)定性四、構造要求：1、縱筋：(1)當采用扁鋼時：縱筋寬：， -被控制的板厚縱筋厚：(2)縱筋對新控制板厚中心線的慣性矩應滿足：腹板縱筋

9、： 且翼緣板縱筋10zb10z32)45. 05 . 2(hoahoazI35 . 1hoIz32)09. 064. 0 (tmIboaboaz2.2載荷的確定和計算式中： ，t-分別為腹板和翼板厚 a-橫筋間距 h0-腹板寬 b0 -翼板寬(兩腹板間的凈距離) m-翼板上的縱筋數。2、橫筋： 1)、對任何實腹式軸心受力構件，均需加橫筋(可控制焊接變形，和運輸安裝的變形，保持截面的幾何形狀，提高整體剛性)。 2)、對于不需要加縱筋的構件，每隔46m應加橫筋1件，且每一運送單元不少于2件。 3)、對于有縱筋的構件(橫筋除有以上作用外，還作為縱筋的支承，減少縱筋的計算長度，保證縱筋自身的穩(wěn)定性)，

10、橫筋間距為=(2.53)h0 ，h0(-腹板高度) 4.4軸心受壓構件的局部穩(wěn)定性 4)、有橫向集中力作用處應加支承橫筋 5)、橫筋尺寸要求： 工字形截面橫筋寬： 箱形截面中間開孔的橫筋伸出邊be20 橫筋厚大于 橫筋截面對腹板厚度中心線的慣性矩應滿足4030hobeseb2351533hoIz4.5實腹式受壓構件的截面設計2.2載荷的確定和計算五，風載荷及風振已知風速或風壓條件下，風載荷的計算：q風壓；C風力系數；依據物體的外形而定；A有效的迎風面積；空氣的密度； 22625.02vgvqCqAPw2.2載荷的確定和計算風壓工作風壓允許起重機工作的風壓非工作風壓不工作情況下承受的最大風壓。如

11、考慮風壓的高度變化系數，則：Kh分段計算。數值見表P21風力系數1）單片結構或構件，規(guī)范P182）多片結構，取第一片結構的風力系數，qACKPhw2.2載荷的確定和計算結構擋風系數；見P20第一片結構的充實率；實體面積與結構輪廓面積之比。風振當自振周期T=0.5s時的高聳塔桅結構，增大45%；結構自振周期T與相應的風振系數參見工業(yè)與民用建筑載荷規(guī)范01121AAn2.2載荷的確定和計算六，溫度載荷和冰雪載荷僅產生于超靜定結構內，除用戶特別要求外，一般不予考慮。冰雪載荷無任何規(guī)定，需要時參見相應歸家規(guī)范。七，地震載荷不予考慮。八，偏斜運行側向力Ps引起偏斜運行的原因：1）兩側電機不同步；2）車輪

12、四支點的制造安裝誤差；3）軌道不直、不平等。2.2載荷的確定和計算定量分析難度大，采用以下的經驗公式：側向力系數；取值參見P134.P受側向力一側相關車輪的最大輪壓之和；參見P133.九，安裝運輸載荷十，試驗載荷靜態(tài)試驗載荷：125%額定載荷；動態(tài)載荷：110%額定載荷，試驗風速8.3m/sPPs212.3載荷的計算組合起重機的基本載荷、附加載荷和特殊載荷不可能同時起重機結構上，那些載荷同時出現的概率與起重機的種類、使用場合和工作情況有關。所以載荷組合的原則就是：根據起重機的實際使用工況，將同一工況下可能同時出現的載荷進行組合，以此作為結構設計的依據。一，載荷組合的種類a）A無風工作情況；b）

13、B有風工作情況；c）C受特殊載荷使用的工作情況和非工作情況；每類載荷情況中，與可能出現的使用情況相對應，又有若干個可能的具體載荷組合。2.3載荷的計算組合二，載荷組合表1，如何應用載荷組合表。根據所設計起重機的工況要求的實際情況，按照規(guī)范表20或附錄G中的相應載荷組合，進行計算。2，結構的疲勞強度應按照A1A4計算；只有在某些特殊的應用實例中，才考慮一些偶然的載荷及特殊載荷；強度和穩(wěn)定性按照B類和C類載荷組合計算。3，當高危險度系數為1時，安全系數就是強度系數fi。2.4結構承載能力的計算方法一，結構安全工作的條件強度條件穩(wěn)定性條件剛度條件前兩項是安全工作條件，也是結構承載能力的表現；后一項是

14、使用要求條件，可以理解為使用性能指標。2.4結構承載能力的計算方法二，承載能力的計算方法1，許用應力法的示意圖2.4結構承載能力的計算方法2，極限狀態(tài)設計法示意圖2.4結構承載能力的計算方法3，兩種方法的比較1）許用應力法采用單一的系數考慮安全裕度；極限狀態(tài)設計法采用分項系數考慮安全裕度。2）許用應力法中的安全系數，可理解為np載荷安全系數；nm材料安全系數；nn結構重要安全系數；nmpnnnn2.4結構承載能力的計算方法在許用應力法中nn、np歸入了抗力項；而在許用應力法中兩者歸入了載荷項。這種處理在線性結構中沒有多大的差異，但在非線性結構中卻有本質的區(qū)別。2.5強度設計準則及許用應力一，靜

15、強度準則彈性設計準則：除集中輪壓和構件端面擠壓引起的局部應力外，結構件內部允許有塑性延展。二，疲勞設計準則結構件的疲勞強度取決于結構的工作級別、材料種類、結構件的應力集中等級以及交變應力的循環(huán)特性。1，應力循環(huán)特性應力比對疲勞強度的影響，采用等壽命曲線換算（規(guī)范P34） nszs;maxminr2. 5強度準則及計算方法2，結構的工作級別衡量結構工作繁重的指標。共分8個級別（E1E8）。根據應力狀態(tài)和應力循環(huán)等級劃分。a）應力狀態(tài)由應力譜系數確定分為四個等級S1S4b）應力循環(huán)等級從1.0104到8106共分為B0B1011個級別兩項指標組合起來成為E1E8的結構工作級別。ciTisnnKma

16、x2. 5強度準則及計算方法C）應力集中等級非焊接件：W0W2三個等級；焊接件：K0K4五個等級；各種等級所對應的連接型式，參見規(guī)范P201。需要說明的是各種接頭的應力集中等級是與街頭所受載荷型式而定的。如：貼腳焊縫的縱向拉壓（接頭標記0.31）、剪切（0.51）應力等級是K0；而橫向拉壓（1.2）應力等級卻是K1。2. 5強度準則及計算方法Q235和Q345兩種材料的-1見規(guī)范（P55）C）疲勞強度的設計準則正應力時：maxr剪切應力時：maxr同時承受正應力和剪切應力的： 1 . 12maxmaxmax2max2maxxyrxyyrxryxytyxrx2. 5強度準則及計算方法5，疲勞強度

17、計算示例箱型截面橋式起重機主梁驗算部位：受拉下翌緣橫向對焊接縫及附近全體金屬同時受較大正應力，剪應力的腹極受拉區(qū)，驗算橫向加勁助下端焊縫附近腹極的疲勞強度。 2. 5強度準則及計算方法n疲勞強度計算小結：2. 6穩(wěn)定性設計準則一，穩(wěn)定性問題分類1，第一類穩(wěn)定性問題（具有分支平衡點的穩(wěn)定性問題）特點：當外載荷達到一定數值時，構件存在兩種平衡形式，一種是保持原先變形性質的平衡形式；另一種喪失原先變形的平衡形式。前一種平衡形式為不穩(wěn)定的平衡形式。屬于這種穩(wěn)定性的問題有：1）軸心受壓構件；2）平面彎曲構件或平面壓彎構件的空間彎扭失穩(wěn)；3）薄板實腹構件或柱殼局部失穩(wěn)；2. 6穩(wěn)定性設計準則設計原則： c

18、r/ncrcr臨界應力；ncr穩(wěn)定性安全系數2. 6穩(wěn)定性設計準則a.軸心壓桿的整體水平條件： 為軸心壓桿穩(wěn)定系數 b.平面彎曲構件的整體穩(wěn)定性條件： w w受彎構件的整體穩(wěn)定性系數c.受壓應力1，剪應力，局部壓應力m的平板局部穩(wěn)定性條件： )(3121板局部穩(wěn)定性許用應力crmmzs 2. 6穩(wěn)定性設計準則2，第二類穩(wěn)定性問題（沒有分支平衡點的穩(wěn)定性問題）特點：沒有變形平衡狀態(tài)的性質突變。其極限載荷為壓潰載荷。對這類構件應采取幾何非線性構件的二階應力理論來控制最大應力不超過強度的許用應力2. 6穩(wěn)定性設計準則設計準則： + s/nm考慮設計原則 一階應力 二階應力 強度許用應力 （用二階應力的強度來代替穩(wěn)定問題）彈性設計準則：不允許構件截面有塑性擴展2. 7剛性設計準則結構剛性（剛度）：抗變形能力靜剛度；抗振動能力動剛度；一、靜剛度設計準則：1.橋式類型起重機主架： yLyL yL滿載小車位于跨中和懸臂段工作位置時，主梁對應截面在移動載荷（額定起升載荷和小車自重載荷之和，不計動力系數）作用下的擾度值。 yL許用擾度值，見P56.表215.（新規(guī)范P43）2. 7剛性設計準則 2.流動起重機的箱形伸縮臂： yLyL yL及yL詳見P563.軸心受力構件： 構件的長細比，=