起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)(第四章)

1、第四章軸心受力構(gòu)件n軸心受力構(gòu)件是起重機(jī)結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件之一。實際工程結(jié)構(gòu)中很多都是如此。n本章學(xué)習(xí)的重點1）軸心受力構(gòu)件的構(gòu)造特點 2）軸心壓桿的穩(wěn)定性計算3）構(gòu)件截面的選擇、驗算和構(gòu)建長度的確定。 4.1種類及應(yīng)用一，應(yīng)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(zhì)：受拉（軸心拉桿） 受壓（軸心壓桿或柱） 按構(gòu)造分：實腹式 格構(gòu)式4.2軸心受拉構(gòu)件的設(shè)計計算 一、軸心受拉構(gòu)件安全工作條件滿足強(qiáng)度（靜強(qiáng)度，疲勞強(qiáng)度）條件 滿足剛度條件靜強(qiáng)度：= N/Aj 剛度：= lc /r lc 計算長度lc =l l幾何長度, 支座系數(shù)P178r = 截面回轉(zhuǎn)半徑 A構(gòu)件

2、毛截面積 I毛截面慣性矩 AI4.2軸心受拉構(gòu)件的設(shè)計計算注意：有的構(gòu)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(nèi)為兩端鉸支；在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)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(chǎn)品選定 （2）：由強(qiáng)度，剛度條件初定驗算強(qiáng)度、剛度；滿意結(jié)束；不滿意，調(diào)整截面尺寸。返回到第二步，重新驗算。4.2軸心受拉構(gòu)件的設(shè)計計算 計算舉例，已知：載荷N,構(gòu)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(yīng)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(shù)，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(gòu)件的設(shè)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(qiáng)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(gòu)件的整體穩(wěn)定性軸心受壓構(gòu)件的安全工作條件滿足強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)頃刻間變成一對廢鐵，正在橋上工作的86人中傷亡達(dá)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(jié)構(gòu)中的一根梁失穩(wěn)，使柱和其它構(gòu)件移動而導(dǎo)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(gòu)件的整體穩(wěn)定

5、性二，軸心受壓構(gòu)件的臨界力與臨界應(yīng)力以兩端簡支的軸壓構(gòu)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(shù)線性齊次方程得通解：y=Asinkz+Bcoskz2.2載荷的確定和計算系數(shù)A、B由邊界條件：當(dāng)z=0時,y=0,求得B=0 y=Asinkz又當(dāng)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(gòu)件的局部

6、穩(wěn)定性一，局部穩(wěn)定性概念當(dāng)實腹式軸心受壓構(gòu)件在未產(chǎn)生整體失穩(wěn)前，薄板在壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生局部屈曲現(xiàn)象成為軸心受壓構(gòu)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(gòu)件整體承載能力下降，并可能引起整體破壞。二，軸心受壓構(gòu)件局部穩(wěn)定性控制條件：（根據(jù)GBJ17-88）使局部穩(wěn)定性不低于構(gòu)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(gòu)件的局部穩(wěn)定性其中：E板的歐拉應(yīng)力t板厚b板寬-板支承邊的彈性約束系數(shù)k-彈性屈曲系數(shù) Exkcr板 211222btEE)()0248. 01 (1013. 022fEEss4.4軸心受壓構(gòu)件的局部穩(wěn)定

7、性整體桿件的失穩(wěn)條件其中： 當(dāng)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(guān)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(gòu)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(dāng)=100時，取100構(gòu)件的最大長細(xì)比。setb235)1 . 010(sh235)1 . 010(4.4軸心受壓構(gòu)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(gòu)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(yīng)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(gòu)件的局部穩(wěn)定性四、構(gòu)造要求：1、縱筋：(1)當(dāng)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(yīng)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(shù)。2、橫筋： 1)、對任何實腹式軸心受力構(gòu)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(gòu)件，每隔46m應(yīng)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(gòu)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(gòu)件的局部穩(wěn)定性 4)、有橫向集中力作用處應(yīng)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(yīng)滿足4030hobeseb2351533hoIz4.5實腹式受壓構(gòu)件的截面設(shè)計2.2載荷的確定和計算五，風(fēng)載荷及風(fēng)振已知風(fēng)速或風(fēng)壓條件下，風(fēng)載荷的計算：q風(fēng)壓；C風(fēng)力系數(shù)；依據(jù)物體的外形而定；A有效的迎風(fēng)面積；空氣的密度； 22625.02vgvqCqAPw2.2載荷的確定和計算風(fēng)壓工作風(fēng)壓允許起重機(jī)工作的風(fēng)壓非工作風(fēng)壓不工作情況下承受的最大風(fēng)壓。如

11、考慮風(fēng)壓的高度變化系數(shù)，則：Kh分段計算。數(shù)值見表P21風(fēng)力系數(shù)1）單片結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，規(guī)范P182）多片結(jié)構(gòu)，取第一片結(jié)構(gòu)的風(fēng)力系數(shù)，qACKPhw2.2載荷的確定和計算結(jié)構(gòu)擋風(fēng)系數(shù)；見P20第一片結(jié)構(gòu)的充實率；實體面積與結(jié)構(gòu)輪廓面積之比。風(fēng)振當(dāng)自振周期T=0.5s時的高聳塔桅結(jié)構(gòu)，增大45%；結(jié)構(gòu)自振周期T與相應(yīng)的風(fēng)振系數(shù)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(chǎn)生于超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)，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(yīng)歸家規(guī)范。七，地震載荷不予考慮。八，偏斜運行側(cè)向力Ps引起偏斜運行的原因：1）兩側(cè)電機(jī)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(jīng)驗公式：側(cè)向力系數(shù)；取值參見P134.P受側(cè)向力一側(cè)相關(guān)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(fēng)速8.3m/sPPs212.3載荷的計算組合起重機(jī)的基本載荷、附加載荷和特殊載荷不可能同時起重機(jī)結(jié)構(gòu)上，那些載荷同時出現(xiàn)的概率與起重機(jī)的種類、使用場合和工作情況有關(guān)。所以載荷組合的原則就是：根據(jù)起重機(jī)的實際使用工況，將同一工況下可能同時出現(xiàn)的載荷進(jìn)行組合，以此作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)。一，載荷組合的種類a）A無風(fēng)工作情況；b）

13、B有風(fēng)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(xiàn)的使用情況相對應(yīng)，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(yīng)用載荷組合表。根據(jù)所設(shè)計起重機(jī)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(yīng)載荷組合，進(jìn)行計算。2，結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度應(yīng)按照A1A4計算；只有在某些特殊的應(yīng)用實例中，才考慮一些偶然的載荷及特殊載荷；強(qiáng)度和穩(wěn)定性按照B類和C類載荷組合計算。3，當(dāng)高危險度系數(shù)為1時，安全系數(shù)就是強(qiáng)度系數(shù)fi。2.4結(jié)構(gòu)承載能力的計算方法一，結(jié)構(gòu)安全工作的條件強(qiáng)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(jié)構(gòu)承載能力的表現(xiàn)；后一項是

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

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

16、x2. 5強(qiáng)度準(zhǔn)則及計算方法C）應(yīng)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(yīng)的連接型式，參見規(guī)范P201。需要說明的是各種接頭的應(yīng)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(biāo)記0.31）、剪切（0.51）應(yīng)力等級是K0；而橫向拉壓（1.2）應(yīng)力等級卻是K1。2. 5強(qiáng)度準(zhǔn)則及計算方法Q235和Q345兩種材料的-1見規(guī)范（P55）C）疲勞強(qiáng)度的設(shè)計準(zhǔn)則正應(yīng)力時：maxr剪切應(yīng)力時：maxr同時承受正應(yīng)力和剪切應(yīng)力的： 1 . 12maxmaxmax2max2maxxyrxyyrxryxytyxrx2. 5強(qiáng)度準(zhǔn)則及計算方法5，疲勞強(qiáng)度

17、計算示例箱型截面橋式起重機(jī)主梁驗算部位：受拉下翌緣橫向?qū)附涌p及附近全體金屬同時受較大正應(yīng)力，剪應(yīng)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(qiáng)度。 2. 5強(qiáng)度準(zhǔn)則及計算方法n疲勞強(qiáng)度計算小結(jié)：2. 6穩(wěn)定性設(shè)計準(zhǔn)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(dāng)外載荷達(dá)到一定數(shù)值時，構(gòu)件存在兩種平衡形式，一種是保持原先變形性質(zhì)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(gòu)件；2）平面彎曲構(gòu)件或平面壓彎構(gòu)件的空間彎扭失穩(wěn)；3）薄板實腹構(gòu)件或柱殼局部失穩(wěn)；2. 6穩(wěn)定性設(shè)計準(zhǔn)則設(shè)計原則： c

18、r/ncrcr臨界應(yīng)力；ncr穩(wěn)定性安全系數(shù)2. 6穩(wěn)定性設(shè)計準(zhǔn)則a.軸心壓桿的整體水平條件： 為軸心壓桿穩(wěn)定系數(shù) b.平面彎曲構(gòu)件的整體穩(wěn)定性條件： w w受彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定性系數(shù)c.受壓應(yīng)力1，剪應(yīng)力，局部壓應(yīng)力m的平板局部穩(wěn)定性條件： )(3121板局部穩(wěn)定性許用應(yīng)力crmmzs 2. 6穩(wěn)定性設(shè)計準(zhǔn)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(zhì)突變。其極限載荷為壓潰載荷。對這類構(gòu)件應(yīng)采取幾何非線性構(gòu)件的二階應(yīng)力理論來控制最大應(yīng)力不超過強(qiáng)度的許用應(yīng)力2. 6穩(wěn)定性設(shè)計準(zhǔn)則設(shè)計準(zhǔn)則： + s/nm考慮設(shè)計原則 一階應(yīng)力 二階應(yīng)力 強(qiáng)度許用應(yīng)力 （用二階應(yīng)力的強(qiáng)度來代替穩(wěn)定問題）彈性設(shè)計準(zhǔn)則：不允許構(gòu)件截面有塑性擴(kuò)展2. 7剛性設(shè)計準(zhǔn)則結(jié)構(gòu)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(shè)計準(zhǔn)則：1.橋式類型起重機(jī)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(yīng)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(shù)）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(shè)計準(zhǔn)則 2.流動起重機(jī)的箱形伸縮臂： yLyL yL及yL詳見P563.軸心受力構(gòu)件： 構(gòu)件的長細(xì)比，=