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1、船舶重大件貨物平安系固-集裝箱橋吊海上運(yùn)輸主動(dòng)力計(jì)算分析廖建清中華人民共和國福州海事局,福州 350015摘 要 集裝箱橋吊海上運(yùn)輸屬特殊重大件貨物海上運(yùn)輸。本文應(yīng)用IMO?貨物系固手冊編制指南?的編制原理,結(jié)合集裝箱橋吊海上運(yùn)輸實(shí)踐,推導(dǎo)出集裝箱橋吊海上運(yùn)輸過程中整體及重要部位受力分析公式,為這一特殊領(lǐng)域的貨物系固和有關(guān)強(qiáng)度核算打下理論根底。關(guān)鍵詞 橋吊 海上運(yùn)輸 受力分析1 引言集裝箱橋吊海上運(yùn)輸具有專業(yè)性強(qiáng)、技術(shù)要求高、風(fēng)險(xiǎn)大的特點(diǎn),它需要專業(yè)的運(yùn)輸船舶或?qū)I(yè)的運(yùn)輸駁船,專門的積載和系固,專業(yè)的技術(shù)人員,涉及船舶穩(wěn)性和強(qiáng)度以及專業(yè)運(yùn)輸管理等方面技術(shù),保證其足以抵御海上的一般風(fēng)險(xiǎn),從而實(shí)現(xiàn)
2、這種特殊的重大件貨物的海上運(yùn)輸。目前國內(nèi)外在這方面的技術(shù)處于業(yè)務(wù)壟斷和技術(shù)保密狀態(tài),理論研究分析不多。平常航海人員通常采用設(shè)計(jì)好的固定堆垛方式或用粗略估計(jì)、非語言式思維和模糊控制理論等方式處理一般貨物組件的船上積載。但對于重大件非標(biāo)準(zhǔn)貨物海上運(yùn)輸,一定要做到心中有數(shù),一定要用數(shù)學(xué)思維、量化分析處理船舶穩(wěn)性和強(qiáng)度等問題。在整個(gè)運(yùn)輸過程中,要考慮種種因素,預(yù)先制定出一整套運(yùn)輸方案,且在每一個(gè)運(yùn)輸環(huán)節(jié)還要反復(fù)考察論證方案的正確性。所以本文先從橋吊在船上積載和主動(dòng)力計(jì)算兩方面入手,歸納兩點(diǎn)理論的主動(dòng)力計(jì)算方法,為這一特殊運(yùn)輸領(lǐng)域的船舶穩(wěn)性、強(qiáng)度核算、海上拖帶、風(fēng)險(xiǎn)控制提供參考。2 集裝箱橋吊海上運(yùn)輸?shù)?/p>
3、積載2.1 橋吊海上運(yùn)輸要求專門的船舶 首先船舶要有適當(dāng)?shù)某叨群妥銐虻膹?qiáng)度,以抵御海上的一般風(fēng)險(xiǎn),其次船舶要有能夠調(diào)節(jié)穩(wěn)性和吃水系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)門對門運(yùn)輸。本文只討論第一局部的主動(dòng)力計(jì)算問題。此外船上要裝備起重、頂壓、氣割、焊接等安裝設(shè)備。2.2 運(yùn)輸船舶尺度要求 一是寬度要根本與橋吊的橫向門跨度相一致,或偏寬、偏窄誤差在23m之內(nèi),長度那么要大大于橋吊的縱向門跨度,甲板是連續(xù)甲板,船體的橫梁和肋板要對應(yīng)在橋吊側(cè)腿支點(diǎn)的正下方,如果不剛好的話,在船體上要加焊強(qiáng)力肋骨和肋板,使之處于橋吊側(cè)腿支點(diǎn)的正下方,以滿足船體局部強(qiáng)度的要求。2.3 橋吊積載考慮的因素橋吊的橫向跨度與甲板寬度大致相同,由于橋吊的自
4、身重量很重,單件重量在千噸以上,且重量分布不一定均勻,分布在四個(gè)門腿的重量有幾百噸,積載時(shí)以下因素要認(rèn)真考慮: 1裝卸是要靠外力使橋吊從岸上移動(dòng)到船甲板上或從船甲板上移到岸上的預(yù)定位置,整個(gè)過程要平穩(wěn)有序進(jìn)行,首選的是在門腿下安裝軌道,實(shí)行軌道滑動(dòng)裝卸。 2軌道下面要有足夠的襯墊板,以保證船甲板的局部強(qiáng)度要求。 3保證橋吊的重心在船舶的中縱剖面上。所以在裝載之前一定要有橋吊的有關(guān)資料,如主要尺度、重量、重心位置、受風(fēng)面積、主要設(shè)備保護(hù)措施等資料。 4要事先選定裝卸的舷側(cè),是右舷還是左舷,以便軌道的安裝和預(yù)定的裝卸操作走向。這就要求在制定運(yùn)輸方案之前要反復(fù)考察論證。 5如果甲板寬度不夠,或者為調(diào)
5、整重心位置而需門腿向一側(cè)偏移時(shí),導(dǎo)致一側(cè)門腿超出甲板寬度,這時(shí)需在超出一側(cè)橫向加接受載底座,以滿足裝載要求。 6船體各艙要專門設(shè)計(jì)成可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)船舶重心高度、船舶吃水和防自由液面影響的隔艙,以滿足受載后船舶穩(wěn)性以及裝卸時(shí)根據(jù)潮位調(diào)整甲板與碼頭平臺的隨時(shí)水平。 7位置較低的電機(jī)、接線箱和開關(guān)箱等電器設(shè)備,以及裸露的較精密的機(jī)械零件和設(shè)備均需用油布等包裹嚴(yán)實(shí),防止海水侵蝕,造成損壞。2.4 橋吊船上積載方法2.4.1 軌道安裝方法軌道安裝方法如圖1,鋼軌的鋪設(shè)有橫向和縱向,橫向的軌距與門腿橫跨度一致,誤差應(yīng)保持在10mm內(nèi),軌道下面鋪墊強(qiáng)力鋼板,鋼板直接焊接在甲板上,軌道再焊接在強(qiáng)力鋼板上,
6、焊接要牢固,軌道之間用連接板連接定位,軌面不平時(shí),用墊板墊平。 2.4.2 橋吊腿側(cè)積載要求 由于船舶在海上航行會(huì)遇到風(fēng)浪的危險(xiǎn),船舶搖擺是造成橋吊移動(dòng)的最大危險(xiǎn),在積載上采取兩腿側(cè)輪相互垂直積載,以減少搖擺造成滑動(dòng)的危險(xiǎn)圖1為橋吊的腿輪可以90調(diào)整和安裝,安裝工藝可分別用大型千斤頂頂離軌道,脫開構(gòu)件連接螺栓,旋轉(zhuǎn)90后再對準(zhǔn)連接固定,強(qiáng)度上不變。 3 裝箱橋吊在甲板上的主動(dòng)力計(jì)算公式 受力分析是本文的中心內(nèi)容,通過受力分析,了解橋吊相對于船甲板的相對滑動(dòng)力和受壓力變形趨勢,為下一步的橋吊系固和強(qiáng)度計(jì)算提供最根底的理論依據(jù)。 31 風(fēng)浪中橋吊在甲板上的主動(dòng)力分析 海上運(yùn)輸靜態(tài)情況很少,在有風(fēng)浪
7、小傾角的情況下,即船舶傾角小于10o15o甲板邊緣開始入水情況下另外核算情況下,甲板上積載的貨物單元主要受到物體運(yùn)動(dòng)的慣性力、風(fēng)的作用力和浪打的波濺力等三種主動(dòng)力的作用,這是普遍現(xiàn)象。根據(jù)力的分解原理,三種主動(dòng)力可以分解為縱向、橫向和垂向的分力:Fx = Max + Fwx + FsxFy = May + Fwy + FsyFz = Mg Maz 式中,F(xiàn)x-縱向主動(dòng)力;Fy-橫向主動(dòng)力;Fz-垂向主動(dòng)力;M -貨物單元的質(zhì)量重量,t;ax、 ay 、az-貨物單元據(jù)其在不同貨位時(shí)縱向、橫向和垂向加速度m/s2;Fw(xy)-貨物單元所受到縱向或橫向的風(fēng)力kN;Fs(xy)-貨物單元所受到縱向
8、或橫向波濺力。 對集裝箱橋吊在海上運(yùn)輸而言,縱向主動(dòng)力Fx受到縱搖加速度力Max、縱向的風(fēng)力Fwx和縱向波濺力Fsx。由于橋吊主體構(gòu)架較高,浪打不到那么高,波濺力Fsx可以忽略不計(jì),所以縱向受力Fx只剩下加速度力Max和風(fēng)力Fwx。即 Fx = Max + Fwx橫向主動(dòng)力Fy受到橫搖加速度力May、橫向的風(fēng)力Fwy和橫向波濺力Fsy,同理橫向波濺力Fsy可以忽略不計(jì),所以橫向受力Fy只剩下加速度力May和風(fēng)力Fwy。即Fy = May + Fwy垂向受力Fz有自身重力Mg、波浪引起的上下垂蕩運(yùn)動(dòng)的加速度力Maz。但要說明的是,自身重力Mg永恒向下設(shè)向下為+,波浪引起的上下垂蕩運(yùn)動(dòng)的加速度力M
9、az有時(shí)向上,有時(shí)那么向下,由低位置向上做加速度運(yùn)動(dòng)時(shí),橋吊對船甲板的反作用力為正,這是我們要考慮的主要問題,所以對甲板受力的程度最大的應(yīng)考慮在船體橫傾到一側(cè)且同時(shí)由低位置轉(zhuǎn)向上運(yùn)動(dòng)的瞬間受力最大狀態(tài)。即Fz= Mg + Maz 綜上所述,橋吊整體主動(dòng)力計(jì)算公式為:Fx = Max + Fwx Fy = May + Fwy 1 Fz= Mg + Maz風(fēng)的壓力可估算:Fwx = PwA wxFwy = PwA wy式中,Pw -為估算風(fēng)壓強(qiáng),取Pw =1kN/m2 ;A wx-露天甲板上橋吊縱向受風(fēng)面積m2;A wy-露天甲板上橋吊橫向受風(fēng)面積m2;A wx和A wy-廠家應(yīng)提供的數(shù)據(jù)。公式1
10、是本文把集裝箱橋吊海上運(yùn)輸當(dāng)作整體的貨物組件進(jìn)行分析的重要結(jié)論。 3.2 幾個(gè)加速度值確實(shí)定 橋吊在運(yùn)輸過程中必須保持剛性不變,所以根據(jù)剛性物體的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理和轉(zhuǎn)動(dòng)定律,加速度: (1) 式中,l-是橋吊重心距船舶橫縱漂心的距離;M-是船舶所受的合外力矩;J-是船舶的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 合外力矩M和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J與船舶的質(zhì)量、形狀、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān),所以橋吊的加速度a分縱ax、橫ay、垂az與船舶的質(zhì)量、形狀、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。為知道縱ax、橫ay、垂az的值,本文重點(diǎn)介紹應(yīng)用IMO?貨物系固手冊編制指南?確定加速度值的原理,確定ax、 ay、 az值,所以簡捷確實(shí)定加速度值方法為: (2) 式中,a0 x-橋吊在
11、不同裝載位置時(shí)縱向根本加速度值;aoy-橋吊在不同裝載位置時(shí)橫向根本加速度值;aoz-橋吊在不同裝載位置時(shí)垂向根本加速度值;k1-船速修正系數(shù);k2-穩(wěn)性高度修正系數(shù)。 以上根本值和修正系數(shù)是IMO在標(biāo)準(zhǔn)條件下無限航區(qū)、全年航行、連續(xù)航行25d、船舶長度為100m和船舶航速15kn計(jì)算出aox 、aoy 、aoz,并以表格的形式確定具體數(shù)值提供應(yīng)使用者,充分表達(dá)了不同位置搖擺產(chǎn)生的加速度值是不一樣的,位置越高加速度值越大,離船中漂心越遠(yuǎn)加速度值越大,與實(shí)際完全吻合。修正系數(shù)k1的意義是當(dāng)實(shí)際船舶與標(biāo)準(zhǔn)船型、船速不一樣時(shí)的修正系數(shù),也表達(dá)了船速越快,急轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的加速度值越大,船型越短急轉(zhuǎn)向時(shí)盤旋
12、半徑越小,離心加速度值越大。修正系數(shù)k2的意義是穩(wěn)性高度修正值,表達(dá)了初穩(wěn)性高度越大,船舶搖擺的劇烈程度越厲害,加速度值也越大。以上5個(gè)數(shù)值均可在各船旗國政府認(rèn)可的每艘船舶?貨物系固手冊?中隨時(shí)查到,是可查數(shù)據(jù),而且考慮到最不利因素的影響,也就是說實(shí)際的數(shù)值比表列的數(shù)值要小,所以根據(jù)表列數(shù)值計(jì)算的結(jié)果是平安的。 4 主動(dòng)力計(jì)算公式1和2結(jié)論分析 4.1 主動(dòng)力對橋吊自身構(gòu)件的影響 以上橋吊的主動(dòng)力計(jì)算公式1和2是建立在把橋吊整體當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)來分析的,這種分析方法可以使復(fù)雜問題簡單化,只要橋吊整體剛性保持不變,這種按質(zhì)點(diǎn)的分析方法是科學(xué)的,滿足客觀了解事物的要求。但在風(fēng)浪中要保證橋吊整體剛性不變,就
13、得要求對橋吊自身各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行綁扎以滿足海上運(yùn)輸?shù)囊话泔L(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)本文分析的目的在于認(rèn)識整體橋吊在海上運(yùn)輸中產(chǎn)生主動(dòng)力情況,而對橋吊自身各個(gè)構(gòu)件的受力不作詳細(xì)分析。 4.2 橋吊主動(dòng)力對船舶穩(wěn)性、強(qiáng)度影響的定性定量分析 4.2.1 橋吊主動(dòng)力對船舶穩(wěn)性的影響 橋吊整體重量一般在1200t以上,且重心位置高離甲板30m以上,如果一船同時(shí)運(yùn)送幾臺橋吊,那么對船舶載重、船舶初穩(wěn)心高度GM0和船舶傾覆力矩Mh將產(chǎn)生重大影響。根據(jù)船舶原理,載一個(gè)用下面公式3計(jì)算初穩(wěn)性高度變動(dòng)值;當(dāng)裝載多個(gè)集裝箱橋吊Pi10%時(shí),穩(wěn)心高度新值KM1及船舶重心高度新值KG1的計(jì)算式為:GM1= KM1-KG1mKG1=KG0P
14、iZi/1 mGM= GM1 GM0m式中,KM1 -根據(jù)排水量新值11=+Pi由靜水力曲線圖重新查??;Pi-每件橋吊的重量t,裝載時(shí)取+,卸載時(shí)取-;Zi- 每件橋吊的相應(yīng)重心距基線高度m。 下面舉例分析: 例1:某船排水量D0為38806.18t并非滿載,船長200m,甲板寬度32m,型深14m,KM0=15.113m,KG0=12.73m,單臺橋吊重量為1200t,橋吊重心高度距甲板36.9m,設(shè)橋吊裝在0.6L處,船速12kn,橫向受風(fēng)Y方向受風(fēng)面積1156.3m2,Y方向受風(fēng)作用高度Zm=36.84m。求1裝船后對初穩(wěn)性高度影響;2在風(fēng)浪中對動(dòng)穩(wěn)性的影響有多大。解:1近似的計(jì)算方法是
15、:在只裝卸一個(gè)橋吊時(shí),一般Pi10%,忽略了KM值的少量變化,把KM值看作不變,僅僅看作是船舶重心高度變化的結(jié)果。也就是可以假設(shè),只裝一個(gè)橋吊時(shí),先將橋吊重量P裝在船舶原重心G0位置上,再將橋吊重量P自G0位置垂直上移至實(shí)際裝載位置Zi,橋吊的垂移距離為Z G0-Z i ,船舶重心也由G0移至G1。根據(jù)平行力移動(dòng)原理,船舶重心移動(dòng)距離為G0 G1,即初穩(wěn)性高度變動(dòng)值GM可按下式計(jì)算:因?yàn)镻 iZ G0-Z i =+PiGM所以 GM= P iZ G0-Z i /+Pi或 3計(jì)算得:GM=1200(12.7336.914)/(38806.181200)=1.1449(m)由公式3計(jì)算得穩(wěn)性高度降
16、低約1.1449m,初穩(wěn)性高度降為:GM1= KM0-KG0 -GM,=15.113-12.73-1.1449=1.2381m也就是說裝完一個(gè)橋吊后GM值降為1.2381m。 2對動(dòng)穩(wěn)性方面,橫向受力由公式1和.2計(jì)算橫向主動(dòng)力Fy得:Fy= May + Fwy ay = aoyk1k2經(jīng)查 aoy =6.8 ,k1=0.56 ,k2=1 ay=6.80.561=3.8m/s2那么Fy=12003.81156.31=5716.3kn。增加傾覆力矩M ah:Mah= May36.9 型深Fwy(Zm型深) =12003.8(36.914)1156.3 (36.8414)=290959.67kno
17、m 定量算出橋吊的增加傾覆力矩M ah,根據(jù)船舶的穩(wěn)性報(bào)告書,計(jì)算風(fēng)對船體上部產(chǎn)生的傾覆力矩Mw ,總的傾覆力矩Mh就可以計(jì)算出來。經(jīng)過核算就可分析是否滿足船舶動(dòng)穩(wěn)性要求,見動(dòng)穩(wěn)性曲線圖圖2。根據(jù)動(dòng)穩(wěn)性平衡原理,面積a=面積b,2要小于進(jìn)水角。以上分析只說明橋吊運(yùn)輸對船舶穩(wěn)性影響相當(dāng)大,所有的量化計(jì)算結(jié)果均應(yīng)滿足?IMO穩(wěn)性規(guī)那么?要求,這里不作重點(diǎn)說明。 4.2.2 腿側(cè)受力對船體局部強(qiáng)度的影響 從橋吊主動(dòng)力計(jì)算公式1中,還說明力來自縱、橫、垂三個(gè)方向,并隨著船舶的縱搖、橫搖和垂蕩橋吊各腿側(cè)的受力各不相同,但作為海上運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測,必須考慮最大危險(xiǎn)存在的情況。下面通過船舶橫風(fēng)橫浪向右橫傾15o
18、時(shí)小傾角中的最大角橋吊受力在腿側(cè)處分解的分析,知道腿側(cè)支點(diǎn)處受壓力有多大,從而進(jìn)一步知道橋吊腿側(cè)壓力對船體局部強(qiáng)度的影響有多大。 考慮風(fēng)力作用中心與重心不很接近,那么分開分解后落到甲板,再疊加,可推導(dǎo)出以下公式4,公式如下:Zt右壓=1/2F1F2cos+ F3cos Zt左壓=1/2F2-F1cos + F3cos Yt各個(gè)滑=1/4(F1F2)sin+( F2-F1) sin+ 4F3sin+ F3 sin式中,Zt右壓-右側(cè)腿壓力;Zt左壓-左側(cè)腿壓力;Yt各個(gè)滑-每個(gè)側(cè)腿的平均橫向滑動(dòng)力;-橋吊重心所在縱剖面與橋吊重心和右側(cè)腿支點(diǎn)連線的夾角;-橋吊重心所在縱剖面與橋吊重心和左側(cè)腿支點(diǎn)連
19、線的夾角;-橫向風(fēng)力作用中心所在縱剖面與風(fēng)力作用中心和左側(cè)腿支點(diǎn)連線的夾角;-橫向風(fēng)力作用中心所在縱剖面與風(fēng)力作用中心和右側(cè)腿支點(diǎn)連線的夾角;F1-Fz在橋吊重心和右側(cè)腿支點(diǎn)連線上的分力;F2-橫向加速度力Fay在橋吊重心和右側(cè)腿支點(diǎn)連線上的分力;F1- Fz在橋吊重心和左側(cè)腿支點(diǎn)連線上的分力;F2-橫向加速度力Fay在橋吊重心和左側(cè)腿支點(diǎn)連線上的分力;F3-橫向風(fēng)力Fwy在風(fēng)力作用中心和左側(cè)腿支點(diǎn)連線上的分力;F3-橫向風(fēng)力Fwy在風(fēng)力作用中心和右側(cè)腿支點(diǎn)連線上的分力。以上公式4是本文集裝箱橋吊海上運(yùn)輸對腿側(cè)支點(diǎn)處局部受力分析的結(jié)論。本例題的參數(shù)在表1中列出,按公式4計(jì)算的結(jié)果見表2。 表1
20、 求解參數(shù) Fwy橫向作用高度mY方向支點(diǎn)間距離 mFwy橫向作用中心縱剖面距左腿側(cè)支點(diǎn)的距離(m)F1(t)F2(t)F1(t)F2(t)F3(t)F3(t)368432215.1722.1224.722.3824.81352579.9262.2591.4158.5118.0表2 各門腿對支點(diǎn)壓力和滑動(dòng)力值 Z ttYt(t)門腿右1956.8245.4門腿右2956.8245.4門腿左1223.0245.4門腿左2223.0245.4SUM1467.6981.6同理也可以對船舶在迎風(fēng)、迎浪情況下進(jìn)行計(jì)算,但這里就不作重復(fù)了。 根據(jù)以上表2計(jì)算結(jié)果,可以清楚看出: 1當(dāng)船舶在風(fēng)浪中航行時(shí),橋
21、吊的各腿側(cè)對支點(diǎn)處的壓力左右是不一樣的,當(dāng)船舶右傾時(shí),右邊的支點(diǎn)受壓力增大,左邊支點(diǎn)受壓力減少,反之亦然,但由于May 和Fwy方向不同,壓力和滑動(dòng)力稍有差異, 所以按公式4計(jì)算結(jié)果作為風(fēng)險(xiǎn)控制是平安的。 2壓力的增大勢必對船體的局部強(qiáng)度產(chǎn)生影響,對船體的局部強(qiáng)度要以特殊的方式進(jìn)行加固。 3腿側(cè)的垂躍和滑動(dòng)是集裝箱橋吊運(yùn)輸最不利的主動(dòng)力,必須使用約束反力進(jìn)行平安系固,所以橋吊海上運(yùn)輸非同一般的大件貨物運(yùn)輸,它需要專業(yè)的船舶、特殊的工藝、特殊的結(jié)構(gòu)布置,但所有的依據(jù)都是要建立在力的分析的根底上,本文中通過上述有關(guān)主動(dòng)力分析,得出兩點(diǎn)結(jié)論,即公式1和公式4,是橋吊海上運(yùn)輸受力分析的根本理論根底,在
22、海上運(yùn)輸實(shí)踐中或有關(guān)部門平安檢查、風(fēng)險(xiǎn)評估中都可加以應(yīng)用。 4.3 橋吊受力會(huì)引起垂躍和滑動(dòng),必須平安系固 按公式4分析,在最大向右橫搖15時(shí),各門腿的橫向平均滑動(dòng)力高達(dá)245.4t,水平滑動(dòng)力大,向左橫傾15時(shí),受力大小稍為減小,方向向左。所以,為了有效防止橋吊滑動(dòng),必須進(jìn)行有效的橫向系固,同時(shí)在搖擺過程中,當(dāng)重心偏離一側(cè)以及搖擺的慣性力作用,會(huì)引起橋吊腿側(cè)垂躍運(yùn)動(dòng),也必須進(jìn)行有效的垂向系固,否那么將導(dǎo)致船舶傾覆。所以怎樣評估系固的平安性,系固設(shè)備的約束力要大于橋吊產(chǎn)生的縱橫垂主動(dòng)力,也就是本文進(jìn)行主動(dòng)力分析的目的。 4.4.1 滑動(dòng)輪的平安系固 為了防止橫向的滑動(dòng),直接用弧型肘板墊住所有橋吊滑動(dòng)輪,并用電焊焊牢,固定在裝卸軌道上,如圖3。并用垂直撐桿連接滑動(dòng)輪機(jī)架下橫梁和船甲板,使滑動(dòng)輪牢固在設(shè)定的位置上。 4.4.2 腿側(cè)的三維系固如圖1所示 1用橫向內(nèi)撐桿按上述例題分析的數(shù)值需要直徑609mm,管壁厚度10mm的管材作為撐桿連接橋吊機(jī)架下橫梁和甲板上
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