载荷计算及结构设计准则

1、第二章载荷计算及结构设计准则n结构 金属结构的重要作用就是骨架作用。所以保证机械工作安全、可靠和良好的工作性能是结构设计的终极目标，合理分析和计算载荷、确定设计计算准则就是首先关注的问题。n本章学习的重点1）载荷计算 2）载荷组合3）强度、刚度和稳定性设计总则 2.1载荷计算与载荷系数一，载荷分类 载荷分类是载荷组合的依据 1.常规载荷（自身重量、起升货物的重量、惯性载荷）2.偶然载荷（偏斜运动侧向载荷、工作风载荷等） 3.特殊载荷（非工作风载荷，碰撞载荷、试验载荷等）4.其他载荷（运输安装载荷、工艺、走台载荷等）2.1.1自重载荷的确定和计算一、自重载荷PG及其动载效应1. PG的估算（设计

2、前无法知道）1）参考技术参数相近的同类产品2）利用手册、样本、参考书和文献中的经验公式3）逐步逼近法（初步内力计算、选择截面、计算重量）2. 其动载效应1）起升冲击系数1描述起升质量突然离地起升或下降制动时自重载荷产生的沿其加速度相反方向的冲击作用。（ 0.911.1)2）运行冲击系数4起重机或部分质量路径不平路面或轨道接头时，使自重质量产生沿铅垂方向的冲击作用。2.1.1自重载荷的确定和计算可根据经验、试验和采取适当理论模型分析得到。也可按照以下数据计算：1）对于轮胎式和汽车式起重机运行速度0.4m/s，4=1.3;2）对于履带式起重机；运行速度0.4m/s，4=1.13）对于轨道式起重机轨

3、道接头状态良好，4=1.0；轨道接头状态一般，Vy运行速度，单位m/s；h轨道接头处的高度差，单位mm； hvy058. 01 . 142.1.2起升载荷的确定和计算二，起升载荷PQ及其动载效应1.PQ的计算吊钩式：PQQ+Ghe+Gr Ghe取物装置的重量； Gr 悬挂长度大于50m时起升钢丝绳重量； Q起升货物的额定重量； 抓斗式：PQQ+Gr 对于抓斗、电磁吸盘或容器式等作为取物装置时，Q中包含有Ghe。2.2载荷的确定和计算2.起升载荷的动载效应1）起升载荷的动载系数2起升质量离地起升或下降制动过程中的动载效应。其理论分析的简化模型：2.2载荷的确定和计算nm1、k1分别表示主梁及小车

4、在悬挂处的换算质量及刚度系数nm2、k2分别表示起升质量和钢丝绳滑轮组的刚度系数ny0在起升载荷作用下，起升质量悬挂点处的静挠度（位移）n0在起升载荷作用下，钢丝绳滑轮组的静挠度（位移）2.2在起重机械中的应用n静位移：ys=y0+0n动位移，则由简化后的动力学模型并考虑操作因素的影响后求得：nC操作参数 ;结构质量影响参数. 1+n2的定义计算的2=y/ys=1+yd/ys=1+cvgycvyd)(00)(100yg20021)(yymm2.2载荷的确定和计算规范推荐的计算方法：n2min、2与起升状态级别有关的系数；取值见表10（P10）n起升状态级别分为HC1、HC2、HC3、HC4四个

5、级别，规范附录C（P132）。nVq稳定起升速度；取值见表11（P11）n对于建筑塔式起重机和港口臂架起重机不超过2.2，其他起重机不超过2.0. qv2min222.1.2起升载荷的确定和计算2）运行冲击系数4考虑运行机构路径不平路面或轨道接头时所造成的起升载荷的动载效应。与自重载荷4的相同处理方法。3）突然卸载冲击系数起升质量部分或全部脱卸时、对结构产生的动态减载作用。 3=1-nm突然脱卸质量；nm起升质量；n3类别系数：抓斗起重机3=0.5 电磁起重机3=1.0 )1(3mm2.1.3惯性载荷的确定和计算三，惯性载荷Pi及其动载效应指运行、旋转和变幅机构作刚体变速运动或刚体回转运动所产

6、生的水平惯性力。1，运行惯性力m运行部分的质量；a运行起、制动的平均加速度；5为考虑猛烈起制动的动载效应；对于自行式的运行机构，运动惯性力的最大值不大于主动轮与轨道之间的静摩擦力；maPi52.1.3惯性载荷的确定和计算对于自行式的运行机构，运动惯性力的最大值不大于主动轮与轨道之间的静摩擦力；Pz运行机构主动轮的总静态轮压；静摩擦系数；室外：=0.12室内：=0.15轨道抛沙：=0.25ziPP2.1.3惯性载荷的确定和计算2.1.3惯性载荷的确定和计算以上是计算法向惯性力和切向惯性力的通式。所有法向惯性力的合力称为法向惯性力的主矢。其大小等于总质量与其质心法向加速度的积；切向惯性力的主矢等于

7、回转部分的总质量与质心的切向加速度的积。必须指出，切向主矢的作用点并不在质心处。因而切向惯性力对于回转轴的合力矩（主矩）并不等于切向惯性力与质心半径的乘积22cinMrmrPcitMrmrPJrmMrrPcit222.1.3惯性载荷的确定和计算计算起重机回转的下部支撑结构，知道主矢主矩就够了，而对于上部结构而言就必须惯性力的分布情况了。下面讨论工程上的实际处理方法：1）集中质量的处理方法其惯性力的计算为：注意挠性悬挂的起升质量，回转半径r的确定，应考虑在法向力作用下的偏摆影响。2201.0mrnmrPintnmrmrPit1.02.1.3惯性载荷的确定和计算2）分布质量的处理方法ynRnPPQ

8、in22-980ynRynRtnPPQit22-9809022cossammrPintsammrPitsin2.1.3惯性载荷的确定和计算2.1.4偏斜载荷的确定和计算四，偏斜运行侧向载荷偏斜运行侧向载荷,是指装有车轮的起重机或小车在作稳定状态的纵向运行或横向移动时,发生在它的导向装置(例如导向滚轮或车轮的轮缘)上,由于导向的反作用引起的一种偶然出现的载荷。产生的原因：1）车轮组的制造误差。2）车轮组的安装误差。（同轴度、垂直度和平行度）3）轨道的安装误差。（跨度不准、轨道不直）4）运行阻力不同。2.1.4偏斜载荷的确定和计算计算方法： 侧向载荷系数,与跨度S和基距B(或有效轴距c)的比值有关

9、,见下图 P起重机承受侧向载荷一侧的端梁上与有效轴距有关的相应车轮经常出现的最大轮压之和(与小车位置有关。此处 P不是“最不利轮压”“极限轮压”,而是指运行状态下的最大轮压,不考虑各种动力系数。12sPP2.1.4偏斜载荷的确定和计算各种组合车轮组轮压和的示意图2.1.6坡道载荷的确定和计算六，起重机的坡道载荷,是指位于斜坡(道、轨)上的起重机自重载荷及其额定起升载荷沿斜坡(道、轨)面的分力。坡道载荷可能是运行的阻力(上坡),也可能是运行的动力(下坡)。在运行机构、回转机构的计算以及整机抗倾覆稳定性计算时,需要考虑坡道载荷。 起重机的坡道载荷按下列规定计算:(1)流动式起重机:需要计算时,按路

10、面或地面的实际情况考虑;(2)轨道式起重机:当轨道坡度不超过0.5%时不考虑坡道载荷,否则按出现的实际坡度计算坡道载荷。2.1.7风载荷的确定和计算七，风载荷及风振对露天工作的起重机应考虑风载荷Pw的作用。 已知风速或风压条件下，风载荷的计算：q风压；V风速，m/s；C风力系数；依据物体的外形而定；A有效的迎风面积；空气的密度，单位kg/m3 标准值约为1.25kg/m3计算风速（3s时距瞬时风速）、风压和阵风风速（10min时距的平均风速）和蒲福风力等级（017共十八级）之间的关系 220.6252vqvCqAPw2.1.7风载荷的确定和计算起重机的风载荷分为工作状态风载荷和非工作状态风载荷

11、两类。风压工作风压工作中经常风压qI和允许起重机工作的最大风压qII。非工作风压不工作情况下所能承受的最大风压qIII。如考虑风压的高度变化系数，则：Kh分段计算。数值见表P48风力系数1）单片结构或构件，规范P492）多片结构，取第一片结构的风力系数，qACKPhw2.1.7风载荷的确定和计算结构挡风系数；见P0第一片结构的充实率；实体面积与结构轮廓面积之比。风振当自振周期T=0.5s时的高耸塔桅结构，增大45%；结构自振周期T与相应的风振系数参见用建筑载荷规范01121AAn2.1.8偶然载荷中的其他载荷八，冰雪载荷 对于某些地区,应当考虑雪和冰载荷。也应考虑由于冰、雪积结引起受风面积的增

12、大。见（建筑设计规范）九，温度载荷 一般情况不考虑温度载荷;但在某些地区,如果起重机在安装时与使用时温度差异很大，或者跨度较大的超静定结构(如跨度达m以上的双刚性支腿的门式起重机),则应当考虑因温度变化引起结构件膨胀或收缩受到约束所产生的载荷,本项载荷的计算可根据用户提供的有关资料进行。2.1.10碰撞载荷的确定和计算十，碰撞载荷及其动载效应计算依据：刚性假定。1，碰撞轨道终端缓冲器2，互撞情况Vc1、Vc2V理论上的碰撞力PCi1）线性特性的缓冲器21221212212222112212121mmVVmmVmmVmVmEcccccnCEnSEPccci22221ccmVE2.1.10碰撞载荷

13、的确定和计算2， 常力特性碰撞速度的确定1）无可靠限速和减速安全装置时，85%的大车速度，100%小车速度。2）实际碰撞速度50%的额定速度动载效应系数7：对于具有线性特性的缓冲器(如弹簧缓冲器), 7的值取为1.25;对于具有矩形特性的缓冲器(如液压缓冲器),7的值取为1.6;nSEPcci2.1.11其他特殊载荷的确定和计算十一，试验载荷静态试验载荷：125%额定载荷；动态载荷：110%额定载荷，试验风速8.3m/s 注意：在验算超载动态工况时，应再乘以下式给出的动载系数：十二，意外停机载荷十三，机构和部件失效载荷十四，基础外部激励载荷十五，安装拆卸和运输载荷620.5 12.1.12其他

14、载荷1，工艺性载荷 起重机在工作过程中为完成生产工艺需要进行的动作而产生的载荷称为工艺性载荷,由起重机用户或买方提出。一般将它作为偶然载荷或特殊载荷进行考虑。2，走台、平台和其他通道上的载荷 这些载荷都是局部载荷,只作用在起重机结构的这些局部部位及直接支承它们的构件上。这些载荷的大小与结构的用途和载荷的作用位置有关,如在走台、平台、通道等处应考虑下述载荷: (1)在堆放物料处:3000N/m2; (2)在只作为走台或通道处:1500N/m2; (3)在栏杆上作用的水平力:不小于300N。2.2载荷的计算组合起重机的基本载荷、附加载荷和特殊载荷不可能同时起重机结构上，那些载荷同时出现的概率与起重

15、机的种类、使用场合和工作情况有关。所以载荷组合的原则就是：根据起重机的实际使用工况，将同一工况下可能同时出现的载荷进行组合，以此作为结构设计的依据。一，载荷组合的种类a）A无风工作情况；b）B有风工作情况；c）C受特殊载荷使用的工作情况和非工作情况；每类载荷情况中，与可能出现的使用情况相对应，又有若干个可能的具体载荷组合。2.2载荷的计算组合A类载荷组合共四种工况（A1A4）A1起重机在正常工作状态下,无约束地起升地面的物品,无工作状态风载荷及其他气候影响产生的载荷，此时只应与正常操作控制下的其他驱动结构(不包括起升机构)引起的驱动加速力相组合。A2起重机在正常工作状态下,突然卸除部分起升质量

16、,无工作状态风载荷及其他气候影响产生的载荷,此时应与载荷组合A1中的驱动加速力组合。B类载荷组合共五种工况（B1B5）B1起重机在正常工作状态下,元约束地起升地面的物品,有工作状态风载荷及其他气候影响产生的载荷。此时只应与正常操作控制下的其他驱动结构(不包括起升机构)引起的驱动加速力相组合。C类载荷组合共五种工况（C1C9）C5起重机在正常工作条件下,作用有挂舱载荷,即吊具或吊钩以最大起升速度起升的过程中突然被船舱内的栅格卡住,或者偶然的由于角件未脱出导致集装箱吊具同时起吊两个锁紧的集装箱,致使起升钢丝绳承受突加的特殊载荷。2.2载荷的计算组合二，载荷组合表1，如何应用载荷组合表。根据所设计起

17、重机的工况要求的实际情况，按照规范表20或附录G中的相应载荷组合，进行计算。2，结构的疲劳强度应按照A1A4计算；只有在某些特殊的应用实例中，才考虑一些偶然的载荷及特殊载荷；强度和稳定性按照B类和C类载荷组合计算。3，当高危险度系数为1时，安全系数就是强度系数fi。2.4结构承载能力的计算方法结构设计的目的是:在可靠地满足结构功能的前提下,使所设计的结构经济合理。对起重机金属结构的要求有: （l）结构应能承受在正常工作状态(包括无风工作情况和有风工作情况)和非工作状态下可能出现的各种载荷,而不发生强度失效和结构失稳。（2）在正常工作状态下,结构应具有良好的工作性能,满足正常的使用要求,如不发生

18、影响正常工作的过大变形等（3）在正常维护下,结构应具有足够的耐久性能,如不发生严重的锈蚀和疲劳损伤而影响结构的使用寿命等。上述三项功能,可归纳为安全性、适用性和耐久性。2.4结构承载能力的计算方法一，结构安全工作的条件强度条件（静强度、疲劳强度）稳定性条件刚度条件前两项是安全工作条件，也是结构承载能力的表现；后一项是使用要求条件，可以理解为使用性能指标。所谓结构可靠性是关于结构安全性、适用性和耐久性的概称。所谓经济合理,是指使所设计的结构具有用料省,重量轻,易于制造、运输和安装,建造工期短,造价低和综合使用维修成本低。2.4结构承载能力的计算方法二，结构设计方法的发展影响结构可靠性的载荷效应和

19、结构构件抗力的基本变量都具有不定性,是随机的,因此比较科学的方法是采用统计数学来处理。但限于数学的发展水平和人们认识的局限性,长期以来,结构设计的不定性问题是用定值(确定性)方法来处理的。1，传统的许用应力设计法2，半概率极限状态设计法3，一次二阶矩极限状态设计法（随机变量平均值和方差、非线性结构功能函数用泰勒级数展开，取一次幂项近似变为线性的）4，全概率法起重机设计规范GB/T3811 2008所列极限状态设计法也主要依据二阶矩极限状态设计法。为了设计使用方便,设计表达式采用分项系数极限状态表达方法,但分项系数是在结构可靠度一致条件下求出的。2.4结构承载能力的计算方法二，承载能力的计算方法

20、1，许用应力法的示意图2.4结构承载能力的计算方法2，极限状态设计法示意图2.4结构承载能力的计算方法3，两种方法的比较1）许用应力法采用单一的系数考虑安全裕度；极限状态设计法采用分项系数考虑安全裕度。2）许用应力法中的安全系数，可理解为np载荷安全系数；nm材料安全系数；nn结构重要安全系数；nmpnnnn2.4结构承载能力的计算方法在许用应力法中n、p归入了抗力项；而在极限状态设计法中两者归入了载荷项。这种处理在线性结构中没有多大的差异，但在非线性结构中却有本质的区别。2.5强度设计准则及许用应力一，静强度准则弹性设计准则：除集中轮压和构件端面挤压引起的局部应力外，结构件内部允许有塑性延展

21、。二，疲劳设计准则结构件的疲劳强度取决于结构的工作级别、材料种类、结构件的应力集中等级以及交变应力的循环特性。1，应力循环特性应力比对疲劳强度的影响，采用等寿命曲线换算（规范P34） nszs;maxminr2. 5强度准则及计算方法2，结构的工作级别衡量结构工作繁重程度的指标。共分8个级别（E1E8）。根据应力状态和应力循环等级划分。a）应力状态由应力谱系数确定分为四个等级S1S4b）应力循环等级从1.0104到8106共分为B0B1011个级别两项指标组合起来成为E1E8的结构工作级别。ciTisnnKmax2. 5强度准则及计算方法C）应力集中等级非焊接件：W0W2三个等级；焊接件：K0

22、K4五个等级；各种等级所对应的连接型式，参见规范P201。需要说明的是各种接头的应力集中等级是与街头所受载荷型式而定的。如：贴脚焊缝的纵向拉压（接头标记0.31）、剪切（0.51）应力等级是K0；而横向拉压（1.2）应力等级却是K1。2. 5强度准则及计算方法Q235和Q345两种材料的-1见规范（P55）C）疲劳强度的设计准则正应力时：maxr剪切应力时：maxr同时承受正应力和剪切应力的： 1 . 12maxmaxmax2max2maxxyrxyyrxryxytyxrx2. 5强度准则及计算方法5，疲劳强度计算示例箱型截面桥式起重机主梁验算部位：受拉下翌缘横向对焊接缝及附近全体金属同时受较

23、大正应力，剪应力的腹极受拉区，验算横向加劲助下端焊缝附近腹极的疲劳强度。 2. 5强度准则及计算方法n疲劳强度计算小结：2. 6稳定性设计准则一，稳定性问题分类1，第一类稳定性问题（具有分支平衡点的稳定性问题）特点：当外载荷达到一定数值时，构件存在两种平衡形式，一种是保持原先变形性质的平衡形式；另一种丧失原先变形的平衡形式。前一种平衡形式为不稳定的平衡形式。属于这种稳定性的问题有：1）轴心受压构件；2）平面弯曲构件或平面压弯构件的空间弯扭失稳；3）薄板实腹构件或柱壳局部失稳；2. 6稳定性设计准则设计原则： cr/ncrcr临界应力；ncr稳定性安全系数2. 6稳定性设计准则a.轴心压杆的整体水平条件： 为轴心压杆稳定系数 b.平面弯曲构件的整体稳定性条件： w w受弯构件的整体稳定性系数c.受压应力1，剪应力，局部压应力m的平板局部稳定性条件： )(3121板局部稳定性许用应力crmmzs 2. 6稳定性设计准则2，第二类稳定性问题（没有分支平衡点的稳定性问题）特点：没有变形平衡状态的性质突变。其极限载荷为压溃载荷。对这类构件应采取几何非线性构件的二阶应力理论来控制最大应力不超过强度的许用应力2. 6稳定性设计准则设计准则： + s/nm考虑设计原则 一阶应力 二阶应力 强度许用应力 （用二