第三章金属结构设计计算基础2013

1、第三章 金属结构设计计算基础 本章内容:金属结构计算载荷的分类 载荷组合各种载荷的计算金属结构设计计算方法金属结构设计的特点金属结构设计的特点连接设计计算是金属结构设计的一个重要内容局部稳定性和整体稳定性对结构的承载能力起控制作用结构自身重量远远超过工作载荷作用在金属结构上的载荷复杂，计算工况多第一节 金属结构计算载荷的分类分类依据：根据载荷不同特点与出现的频繁程度一、基本载荷： 始终和经常作用在金属结构上的载荷，即正常工作时必然出现的载荷，包括：自重载荷PG工作载荷PQ水平惯性载荷PH（起重机）二、附加载荷：正常工作状态下结构所承受的非经常性作用的载荷。包括：工作状态下的风载荷PW ,i机械

2、运行时产生的水平侧向力PS（有轨起重机） 根据实际情况决定需要考虑的温度载荷、冰雪载荷及某些工艺载荷 三、特殊载荷：在非工作状态或试验状态时结构可能承受的最大载荷，或在工作状态下结构偶然承受的不利载荷，包括： 非工作状态下的风载荷PW ,0 试验载荷 根据实际情况决定需加以考虑的安装载荷、地震载荷及某些工艺性载荷 工作状态下结构偶然可能承受的碰撞载荷PC 工作状态下结构偶然可能承受的带刚性起升导架的小车 的倾翻水平力PSL 带反轨轮 第二节 机构不稳定运动时的冲击动力载荷一、起升冲击系数1起升质量突然离地起升或下降制动时，自重载荷将产生沿其加速度相反方向的冲击作用，考虑这种工况时，应将自重载荷

3、乘以起升冲击系数 ，考虑自重载荷的重力变化，一般取 ，结构计算时，常取 。11 . 19 . 011 . 10 . 11二、起升载荷动载系数2起升质量突然离地起升或下降制动时，对承载结构和传动机构将产生附加的动载荷作用，从而引起结构振动，增大起升载荷的静力值，通常将起升载荷乘以大于1的系数 。2 不仅与起升速度和操作情况有关，而且与结构的刚度和质量、起升滑轮组的刚度和起升质量有关2)1 ()(11012ygb操作系数，吊钩起重机取0.5，对工作级别较高的起重机和抓斗起重机取0.8； 结构在吊重悬挂点，起升载荷引起的静变位 起升滑轮组在起升载荷作用下的静变位。 对臂架结构，可用简化公式：0021

4、gya与起升高度有关的系数 与臂架形式有关的系数 对于常用的动臂起重机， 可足够精确地取0.35。00/gya201121yymm2的其它估算方法三、突然卸载冲击系数3当起升质量部分或全部突然卸载时，将对结构产生动态减载作用，将起升载荷乘以突然卸载冲击系数 ， 3)1 (133mm3系数，对抓斗起重机， ；对电磁起重机， 5 . 030 . 13四、运行冲击系数4 当起重机或其一部分装置（小车）沿道路运行时，由于道路或轨道不平而使运动的质量产生铅锤方向的冲击作用。计算时将自重载荷和起升载荷乘以运行冲击系数。4h058. 01 . 14 轨道接缝处两轨道顶面的高度差(mm)。 运行速度（m/s）

5、h也可根据运行速度查表。第三节 金属结构各种载荷的计算 一、自重载荷的计算 1、 计算原因：自重远远超过工作载荷2、 计算方法： 参照现有类似结构来确定自重载荷 查阅类似结构的自重表 经验公式，例如一些典型起重机的金属结构的自重经验公式 L0上部主梁总长；最大起升高度上部主梁总长；最大起升高度12m左右左右图33 单梁龙门起重机自重曲线L(m)图34双梁龙门起重机重量曲线800kN的箱形龙门起重机，上部主梁和支腿的总重的经验公式：Q无悬臂时 (kN) 001 . 07LQHG 有悬臂时 (kN) 001 . 05LQHG 吊钩最大起升高度（m）；上部主梁总长度（m）。0H0L桁架式龙门起重机跨

6、内部分的主桁架自重:)(7)5(01. 0kNLQGzh)(5(01. 0kNLQGzh时当kNQ39050时当kNQ750400小车变幅的桁架式塔式起重机动臂自重：)(105 . 0)()5 . 11 (4tan1322kNLhLnEQG注：1、桁架结构的自重可视为节点载荷，作用于节点上，假定桁架的自重为G，节点数为n，则节点载荷为：1nGPjd 2、实体结构的自重视为均布载荷，用q（kN/m或N/m）表示。 二、工作载荷的计算n1、 桥式起重机的起升载荷 QGxcPPP 小车自重引起的轮压 吊重Q和吊具G0的重量引起的轮压 （用于静刚度和疲劳计算） QGixcijPPP（用于强度计算和结构

7、稳定性计算） 1423或 小车自重未知时，小车轮压可根据起重量查表小车自重未知时，小车轮压可根据起重量查表 4或 或 4注：起升载荷为移动载荷，计算时，应在小车位于使 结构产生最大应力（变位）处进行计算。例：2、小车变幅的回转起重机计算同上3、起他方式变幅的轮式和塔式起重机 （作为集中载荷，作用于动臂端部） 0GQP（用于静刚度和疲劳计算） )(0GQPij（用于强度计算和结构稳定性计算） 三、水平惯性载荷的计算n1、运行惯性力HP起重机大车或小车运行机构启动或制动时，起重机或小车的自身质量以及起升质量产生的水平惯性力 HPmaPH5运行部分的质量（kg）起动（制动）加速度（m/s2）参考值见

8、表35考虑起重机机构驱动力（指动力）突变时结构的动力效应， ， ma5215， 平均取5 . 15设计要求：zHPP 车轮与轨道间滑动摩擦系数 主动轮静轮压之和HP作用方向： HPHxPHP作用点：相应质量中心7/12、回转和变幅运动时的水平惯性力n起升质量的水平惯性力：n在不同类别的计算中，选用不同的 值：n结构运动部分的质量产生的水平惯性力，等于该质量与其质量中心加速度乘积的1.5倍。 HPtanQHQPP吊重钢丝绳相对铅垂线的偏摆角 1.5HjPmRt四、起重机偏斜运行时的水平侧向力 （大车偏斜运行时）PPs2sPP产生侧向力一侧与有效轴距有关的相应车轮静轮压之和侧向力系数41PPP65

9、21PPPPP偏斜运行侧向力作用位置偏斜运行侧向力作用位置B 大车轴距；B0 有效轴距例3-1：已知一台冶金起重机的桥架质量mG=70t，小车质量mx=30t，起重量mQ=100t，L=31.5m，大车轴距B=5.2m，车轮组两轮距离C1=1m，g=9.8m/s2求Ps 五、风载荷的计算考虑水平方向的载荷，只考虑静力作用 工作状态风载荷非工作状态风载荷计算公式： qACKPhw1、 风振系数 ：对于常用起重机取0 . 12、 计算风压 ：与空气密度和风速有关q2613. 0q用于选择电动机功率选择电动机功率的阻力计算及机构零部件的疲劳和发热零部件的疲劳和发热计算计算风压 的取值q用于计算机构零

10、部件和金属结构的强度、刚度和稳定性强度、刚度和稳定性，验算驱动装驱动装置的过载能力置的过载能力及整机工作状态下的抗倾覆稳定性抗倾覆稳定性。非工作状态下的计算风压。 IqIIqIIIq无轨起重机，臂长小于50m时， ，大于50m时，按使用要求决定。为简化计算将风压按内陆、沿海和台湾、南海三个地区划分。有轨起重机取值见表3-7 211/125mNq 当起重机需要在大风下继续工作时，211450 500/qN m3、 风压高度变化系数 hK工作状态下的 =1。 hK非工作状态，以离地10m高处为基准计算， 其中10hKh海上陆地2 . 03 . 04、 风力系数C：与金属结构的外形、几何尺寸等有关，

11、查表3-9。5、 迎风面积A的计算：取决于结构的类型和几何轮廓尺寸（1）单片金属结构的迎风面积为 lAA 金属结构充实率（表3-10） 轮廓面积（m2）（2）两片并列等高、形式相同的金属结构：图3-821AAA111lAA222lAA前排对后排的挡风折减系数（查表3-11） （3）并列箱形结构(图3-9)的挡风折减系数图3-9 并列箱形结构与a/h有关（4）n片并列等高、形式相同的金属结构（图3-10）若每排间 隔相等，在纵向风力作用下，总的迎风面积为：115111112)10511(11)1 (llnlnAnAAA（5）物品的迎风面积 吊运物品的轮廓尺寸不明确时，可按表3-13查取例2 一台

12、双梁龙门起重机的箱型主梁长45m，高1.8m，两梁相距2.2m，置于高13m的支腿上，工作地点在上海宝山钢铁公司后方货场，试确定工作和非工作状态下作用在主梁上的风载荷六、缓冲器的碰撞载荷六、缓冲器的碰撞载荷Pc七、其他特殊载荷七、其他特殊载荷1、冰雪载荷它取决于碰撞质量和碰撞速度，按缓冲器所吸收的动能计算。SvmmPpGc2)(222寒冷地区取雪压5001000N/m22、温度载荷0ttt 结构的温度变位t结构的温度应力注：移动式起重机结构和跨度小于35m的超静定结构，不考虑温度载荷3、地震载荷4、工艺载荷5、安装载荷6、试验载荷动载试验静载试验61.1dtQPP1.25stQPP第四节 金属

13、结构的载荷组合及许用应力n一、载荷组合：按照各种载荷出现的频繁程度和结构的重要性，根据机械的实际工况，考虑最不利的情况进行合理的组合。载荷组合I: 用于疲劳强度校核载荷组合II：用于强度、刚度、稳定性校核载荷组合III：用于强度、刚度、稳定性及整机稳定校核载荷组合I：基本载荷的组合Ia： 121HQGPPP，Ib： 144HQGPPP，Ic： 23HQGPPP，Id： 121HQGPPP，载荷组合II：基本载荷+附加载荷IIa:iwHQGPPPP,121，IIb:siwHQGPPPPP，,224IIc:iwHQGPPPP,231，IIIa： owGPP,，IIIb： ciwQGPPPP，,II

14、Ic： SLQGPPP，IIId： dtSHGPPPP611，IIIe： stGPP ，IIIf： GP4载荷组合III：基本载荷+特殊载荷 基本载荷+附加载荷+特殊载荷1、 结构件材料的许用应力（1）基本许用应力7 . 0bsisin当 时，基本许用应力7 . 0bsibsin35. 05 . 0当 时，基本许用应力n二、许用应力IIIIIIi,（2）剪切许用应力和端面承压许用应力3 5 . 1cd2、连接材料的许用应力（1）焊接许用应力（2）铆钉、螺栓和销轴连接的许用应力（见表3-17）注：注：Q235沸腾钢，型钢厚度大于15mm和钢板厚度大于20mm的许用应力应乘以0.95。表表3-16

15、 安全系数和许用应力安全系数和许用应力第五节第五节 设计计算方法设计计算方法n一、现代设计方法简介1、 有限元法2、 优化设计3、 可靠性计算法4、 极限状态设计法二、极限状态计算法基础：基础：在起重机使用条件下对金属结构的受载情况进行统计 分析；对金属结构材料性能的均匀程度进行统计研究。特点：特点：不采用安全系数。结构应满足的两种极限状态：结构应满足的两种极限状态：1、承载能力极限状态：对应于结构或构件达到最大承载能力或出 现不适于继续承载的变形。2、正常使用的极限状态：由于过大的弹性变形或振动，影响工程 机械的作业和工作人员的安全，导致其 不能正常使用。特点：特点：根据各种载荷发生时，对构

16、件的影响程度，确定超载系数。考虑了各个构件的重要性、构件在使用、运转、安装过程中可能出现的损坏以及计算不完善的情况第一种极限状态和第II类或第III类载荷组合的计算：0iiiNP n 由相应的额定载荷P0i计算组合得超载系数超载系数P0i=1时构件的轴向力时构件的轴向力iiMM n sIIttMRm Rmk材料的屈服极限材料的屈服极限材料的可靠性材料的可靠性(低碳钢:1.05,低合金钢:1.1)123tmm m m构件的重要性可能出现的损坏考虑计算的不完善(10.75)(1.00.8)第一种极限状态和第I类载荷组合的计算：0eePP等效载荷Pe: 10()nmiimeiiPZPZetm R01

17、/kMRkk材料的不均匀性系数材料的可靠性系数材料的无限寿命耐久限9 . 00k第二种极限状态和第I类载荷组合/ ssfLfLtt或三、按许用应力法计算结构的静强度三、按许用应力法计算结构的静强度特点：简单方便缺点：安全系数取为定值表达式： ， imaximaxisin四、按许用应力法计算结构的疲劳强度四、按许用应力法计算结构的疲劳强度进行疲劳校核的原因进行疲劳校核的原因：承受动载荷动载荷及应力集中应力集中会降低结构和焊缝的强度。A5级以上的金属结构，必须进行疲劳强度计算。级以上的金属结构，必须进行疲劳强度计算。引起疲劳破坏的原因：引起疲劳破坏的原因：杆件应力大小、应力种类、应力循环特性、应力

18、循环次数、应力集中的程度。1、 应力循坏特性r的计算只承受正应力时： maxminr 只承受剪应力时： maxminr同时承受正应力和剪应力： maxminxxxrmaxminyyyrmaxminxyxyxyr2、 疲劳许用应力计算 r越小，则疲劳强度越低，金属结构常以应力对称循坏的疲劳强度极限 为基准。 1A、 由材料的疲劳试验得到，疲劳许用应力基本值1n11对非焊接件，应力集中情况分为W0、W1、W2三个等级。对焊接件，应力集中情况分为K0、K1、K2、K3四个等级。1根据应力集中情况查表3-23B、 非对称循坏的疲劳许用应力 以 为基准r10rrrt67. 0167. 11rrc1 21拉伸 压缩 0rrbrt)45. 01 (167. 111拉伸 rbrc)45. 01 (