STRU-08-第八章箱形龙门起重机金属结构的设计计算

1、第三篇铁路和港口常用起重运输机金属结构的设计计算第八章 偏轨箱形龙门起重机的金属结构 第一节 偏轨箱形龙门起重机金属结构的形式第二节 偏轨箱形主梁的内力分析第三节 薄壁箱形梁的约束扭转和约束弯曲第四节 偏轨箱形主梁的设计计算第五节 偏轨箱形龙门起重机支腿的设计计算第八章 作业第一节 偏轨箱形龙门起重机金属结构的形式 龙门起重机金属结构由龙门起重机金属结构由主梁主梁和和支腿支腿两大部分组成。两大部分组成。 按主梁数目按主梁数目龙门起重机龙门起重机可分为：可分为： 单主梁龙门起重机单主梁龙门起重机 双主梁龙门起重机双主梁龙门起重机 1. 1. 带悬臂的单主梁龙门起重机带悬臂的单主梁龙门起重机 结构

2、型式结构型式 L型单主梁龙门起重机 C型单主梁龙门起重机 单主梁龙门起重机一、单主梁龙门起重机一、单主梁龙门起重机 L型单主梁龙门起重机 C型单主梁龙门起重机 二支点小车二支点小车：适用于适用于 Q = 5Q = 520t20t的起重机的起重机。 三支点小车三支点小车：适用于适用于 Q Q = 20 = 2050t50t的起重机。的起重机。 起重小车起重小车 2. 2. 无悬臂的单主梁龙门起重机无悬臂的单主梁龙门起重机无悬臂单主梁龙门起重机 1. 1. 无马鞍双梁龙门起重机无马鞍双梁龙门起重机 O型双梁龙门起重机型双梁龙门起重机 U型双梁龙门起重机型双梁龙门起重机 二、双梁龙门起重机二、双梁龙

3、门起重机 U型双主梁龙门起重机 马鞍的作用马鞍的作用： 防止两根主梁向中间并，提高桥架的水平刚度。防止两根主梁向中间并，提高桥架的水平刚度。 2. 2. 带马鞍双梁龙门起重机带马鞍双梁龙门起重机 带马鞍双梁龙门起重机 偏轨箱形梁的特点： 不需设置短横向加劲板不需设置短横向加劲板; ;但要设置支承悬伸翼缘的三角筋板。但要设置支承悬伸翼缘的三角筋板。 三、偏轨箱形梁三、偏轨箱形梁跨度跨度L：标准跨度系列标准跨度系列 18m、22、26、30、35m 有效悬臂长有效悬臂长：=(0.30.4)L L 或由使用要求决定。或由使用要求决定。 起升高度起升高度H：H=(812)m ，或由使用要求决定或由使用

4、要求决定大车轴距大车轴距B： LB）6141(（由过腿空间决定）（由过腿空间决定）四、龙门起重机的主要参数四、龙门起重机的主要参数第二节 偏轨箱形主梁的内力分析 主梁的计算简图 主梁的最不利计算简图是按两端简支的外伸主梁的最不利计算简图是按两端简支的外伸梁计算，不因其结构型式和支承情况而改变。梁计算，不因其结构型式和支承情况而改变。主梁上的作用载荷主梁上的作用载荷 主梁的危险截面主梁的危险截面 小车在跨中时的跨中截面：小车在跨中时的跨中截面：计算计算MMZ Z 、Q QZ Z 小车在悬臂端极限位置时的支座截面：小车在悬臂端极限位置时的支座截面：计算计算MMAA、Q QAA 按按CH3 表表3-

5、14或表或表3-15的载荷组合。的载荷组合。一、垂直平面内的载荷引起的主梁内力一、垂直平面内的载荷引起的主梁内力 RbPa21RbPa12221baa若P1 = P2 ，则：R 距P1、P2的距离 ：1移动载荷引起的主梁内力移动载荷引起的主梁内力一根主梁上总的小车轮压为一根主梁上总的小车轮压为nQGRixci设小车车轮轮压为P1和P2，R= P1+P2 ，当P1P2时， 小车在主梁跨间运行时小车在主梁跨间运行时 轮轮1下的弯矩方程式为：下的弯矩方程式为：ZLaZLRZRMA11 得得02111LaLZRdZdM211aLZ 即即主梁最大弯矩发生在距跨中截面主梁最大弯矩发生在距跨中截面21aLa

6、LRLZaLZZRM42111211max1 由由 处处max1MMZP近似取近似取跨中截面弯矩跨中截面弯矩小车在主梁跨间运行时，剪力方程为小车在主梁跨间运行时，剪力方程为LbLZPLZPQ1121LbPPPQ221max当当Z = 0时时 小车在主梁悬臂段运行时 )(21PPQAP支承支承A处的弯矩：处的弯矩： 支承支承A处的剪力处的剪力：0201maxblPlPMMAP2 2固定载荷引起的主梁内力固定载荷引起的主梁内力 匀布固定载荷引起的主梁内力匀布固定载荷引起的主梁内力0LGqzi)2(800maxLLqLMMZq22qlMAqqlQAq自重均布载荷：自重均布载荷：跨中截面弯矩跨中截面弯

7、矩支座截面弯矩支座截面弯矩支座截面剪力支座截面剪力集中固定载荷引起的主梁内力集中固定载荷引起的主梁内力 司机室重力司机室重力Pcs=i iGs引起的引起的跨中截面弯矩跨中截面弯矩： 端梁重力端梁重力P Pd d= =i iG Gd d引起的主梁支座截面的弯矩及剪力为：引起的主梁支座截面的弯矩及剪力为： CPMcsZcs21lPMdAddAdPQlPMdZd端梁重力端梁重力P Pd d= =i iG Gd d引起的引起的跨中截面弯矩跨中截面弯矩： 3.3.移动载荷与固定载荷在主梁危险截面引起的内力和移动载荷与固定载荷在主梁危险截面引起的内力和 ZdZcsZqZPZxMMMMMAdAqAPAxMM

8、MMAdAqAPAQQQQ跨中截面跨中截面 弯矩：弯矩：支座截面支座截面弯矩弯矩：剪力剪力：4 4小车制动惯性力小车制动惯性力PPHxHx引起的主梁内力引起的主梁内力 HPMHxZHx21LHPQHxZHx跨中截面跨中截面弯矩：弯矩：跨中截面跨中截面剪力：剪力： KGGgamaPH55惯性力惯性力0LGKqZH)(1QGnKRRxcjHsHsKGP小车惯性力小车惯性力dHdKGP 端梁惯性力端梁惯性力 二、水平载荷引起的主梁内力二、水平载荷引起的主梁内力1大车制动惯性力引起的主梁内力大车制动惯性力引起的主梁内力司机室惯性力司机室惯性力 桥架惯性力桥架惯性力qH 惯性载荷引起的主梁危险截面的水平

9、弯矩为：惯性载荷引起的主梁危险截面的水平弯矩为： 跨中截面跨中截面水平弯矩：水平弯矩： 支座截面支座截面水平弯矩：水平弯矩： ZHdZHcsZHqZHPZHsMMMMMAHdAHqAHPAHsMMMM2 2风载荷引起的主梁内力风载荷引起的主梁内力 跨中截面弯矩：跨中截面弯矩：0/ LqACKqzhwnPPRWxcWhWhhWhqACKPxchWxcqACKP 主梁均布风载荷：主梁均布风载荷：shWsqACKP风载荷引起的主梁危险截面的水平弯矩为风载荷引起的主梁危险截面的水平弯矩为ZWcsZWqZWPZWsMMMMAWqAWPAWsMMM 支座截面弯矩支座截面弯矩： 小车及货物风载荷：小车及货物

10、风载荷：司机室风载荷：司机室风载荷：水平轮压水平轮压3 3大车偏斜运行侧向力引起的主梁内力大车偏斜运行侧向力引起的主梁内力 侧向力引起的主梁跨中截面的水平弯矩为侧向力引起的主梁跨中截面的水平弯矩为 PPS2BPMSZS2侧向力计算式：侧向力计算式：1. 1. 外扭矩外扭矩 垂直载荷引起的扭矩垂直载荷引起的扭矩 )(e21eBQBGMixcinceRMnc单梁：单梁：0212Be三、主梁承受的扭矩三、主梁承受的扭矩 双梁双梁：对偏轨箱形梁对偏轨箱形梁 水平载荷引起的扭矩水平载荷引起的扭矩 2)(hRRMWHnsnsncnMMM 总外扭矩总外扭矩2 2扭矩在主梁上的分布扭矩在主梁上的分布 小车在跨

11、间运行小车在跨间运行两刚性支腿时 BAnMMMnAnBnAMLZMMMMLZLM 2LZ 2nBAMMM由由时，时，一条刚性腿（支腿A）一条柔性腿时0BnAMMM 起重小车在悬臂端运行时起重小车在悬臂端运行时 支腿A为刚性腿时，有 BAnMMM 0BnAMMM由由 1.小车在跨中时，跨中截面的内力小车在跨中时，跨中截面的内力 ZdZcsZqZPZxMMMMM垂直载荷引起的弯矩：垂直载荷引起的弯矩：ZSZWsZHsZyMMMM2nZnMMnZnMM（两刚性腿时）（两刚性腿时）（一刚一柔时）（一刚一柔时）以载荷组合以载荷组合b b为例为例： 4 4P PGG、 2 2P PQQ、P PHH、P P

12、W,iW,i、P PS S 扭矩：扭矩：四、主梁危险截面的内力总和四、主梁危险截面的内力总和水平水平载荷引起的弯矩：载荷引起的弯矩：2 2小车在悬臂端时，支座截面的内力小车在悬臂端时，支座截面的内力 垂直载荷引起的弯矩：垂直载荷引起的弯矩： 垂直载荷引起的剪力：垂直载荷引起的剪力： 水平载荷引起的弯矩：水平载荷引起的弯矩： 扭矩：扭矩： AdAqAPAxMMMMAdAqAPAQQQQAWsAHsAyMMMnAnMM第三节第三节 薄壁箱形梁的约束扭转和约束弯曲薄壁箱形梁的约束扭转和约束弯曲一、薄壁箱形梁的约束扭转一、薄壁箱形梁的约束扭转1 1约束扭转正应力约束扭转正应力 IB0 . 18 . 0

13、 hbW%)5%2(6 . 04 . 0 hbW%8对宽翼缘箱形梁对宽翼缘箱形梁对窄翼缘箱形梁对窄翼缘箱形梁式中W自由弯曲正应力。 约束扭转正应力的简化计算约束扭转正应力的简化计算：二、薄壁箱形梁的约束弯曲正应力二、薄壁箱形梁的约束弯曲正应力 约束弯曲正应力约束弯曲正应力 的简化计算的简化计算： 对窄翼缘箱形梁对窄翼缘箱形梁：三、跨中截面的总应力三、跨中截面的总应力 约束弯曲和约束扭转正应力之和可近似取为约束弯曲和约束扭转正应力之和可近似取为 所以跨中截面总应力为所以跨中截面总应力为 171141LbW%10501301LbW%6Ww%15WwW15. 1对宽翼缘箱形梁对宽翼缘箱形梁第四节 偏

14、轨箱形主梁的设计计算一、确定计算载荷及其组合一、确定计算载荷及其组合（见第三章）。 二、主梁的内力计算二、主梁的内力计算（见本章第二节）。三、主梁的截面选择三、主梁的截面选择（见第六章）。四、主梁的强度校核四、主梁的强度校核 满载小车在跨中时的满载小车在跨中时的跨中截面跨中截面满载小车在有效悬臂端时的满载小车在有效悬臂端时的支座截面支座截面危险截面危险截面工作级别工作级别A6时，按载荷组合时，按载荷组合I校核校核疲劳强度疲劳强度 按载荷组合按载荷组合II校核校核静强度静强度;工作级别工作级别A6时，按载荷组合时，按载荷组合II校核校核静强度静强度。1 1满载小车位于跨中时主梁跨中截面强度校核满

15、载小车位于跨中时主梁跨中截面强度校核 yyxxWMWMyyxxWMWM15.1或或正应力正应力1502ymhP 1 . 13222mm yyxxWMWM 10212)(AMISQnxxx 1 . 1322剪应力剪应力复合应力复合应力正应力正应力2. 满载小车位于悬臂端时主梁支承处截面强度校核满载小车位于悬臂端时主梁支承处截面强度校核平均挤压应力平均挤压应力复合应力复合应力五、主梁的局部稳定性校核（见第六章）。五、主梁的局部稳定性校核（见第六章）。六、主梁的刚度校核六、主梁的刚度校核 1 1主梁的静刚度校核主梁的静刚度校核 支腿一刚一柔支腿一刚一柔：按简支外伸梁计算：按简支外伸梁计算跨中、悬臂端

16、挠度；跨中、悬臂端挠度；二刚性腿、小车在跨中二刚性腿、小车在跨中：按简支外伸梁计算：按简支外伸梁计算跨中挠度；跨中挠度；二刚性腿、小车在悬臂端二刚性腿、小车在悬臂端：按一次超静定计算：按一次超静定计算悬臂端挠度。悬臂端挠度。满载小车在跨中时的满载小车在跨中时的跨中重直静挠度；跨中重直静挠度；满载小车在有效悬臂端时，满载小车在有效悬臂端时，有效悬臂处重直静挠度有效悬臂处重直静挠度按静定简支外伸梁计算静挠度按静定简支外伸梁计算静挠度 满载小车位于跨中时的跨中挠度满载小车位于跨中时的跨中挠度 fCEILPPf2321482222211122143212143214LaLaRPLaLaRPC,21PP

17、 ,221baa,2121RPRP1212222lbLaLaL75.012212121flLEIlPPf(8-66)(8-65)式中式中 f静刚度容许值，见第三章表静刚度容许值，见第三章表3-24。则当令式中式中 满载小车位于有效悬臂端时悬臂端的挠度满载小车位于有效悬臂端时悬臂端的挠度 )(3)(3221fClLlEIPPflLllblLlbPPPC3212321231350lf (8-68)式中式中f主梁有效悬臂端的许用挠度，取主梁有效悬臂端的许用挠度，取 按一次超静定龙门架简图计算静挠度按一次超静定龙门架简图计算静挠度 小车位于有效悬臂端时，悬臂端挠度为小车位于有效悬臂端时，悬臂端挠度为

18、fkkLlEIClPPf12838323221LhIIk12(8-73)式中2 2横向框架抗扭刚度校核横向框架抗扭刚度校核 横向框架抗扭刚度用两竖杆相对错移量横向框架抗扭刚度用两竖杆相对错移量D D来表示：来表示： 043002120002. 0001. 0111196bIIbhIIEbMnD3 3主梁的动刚度校核主梁的动刚度校核 GB/T3811-83起重机设计规范起重机设计规范：“起重机作为振动系统起重机作为振动系统的动态刚性，以满载情况下钢丝绳绕组的下放悬吊长度相当的动态刚性，以满载情况下钢丝绳绕组的下放悬吊长度相当于额定起升高度时，系统在垂直方向的最低阶固有频率（简于额定起升高度时，系

19、统在垂直方向的最低阶固有频率（简称为满载自振频率）来表征。称为满载自振频率）来表征。”其中 m1桥架换算质量与小车质量之和，见表3-1； m2吊重质量。 Hzfygf2121011201121yymm式中第五节 偏轨箱形龙门起重机支腿的设计计算一、确定计算载荷及其组合（见第三章）一、确定计算载荷及其组合（见第三章）二、支腿的内力分析二、支腿的内力分析1 1支腿的计算简图支腿的计算简图龙门架平面龙门架平面跨度L35m时：两刚性腿, 按一次超静定计算简图；跨度L35m时：支腿为一 刚一柔，按静定计算简图。 柔性支腿的作用：柔性支腿的作用： 消除温度和吊重引起的横推力。消除温度和吊重引起的横推力。支

20、腿平面支腿平面支腿平面计算简图按静定简图计算。带悬臂的龙门起重机：带悬臂的龙门起重机：小车位于有效悬臂端。小车位于有效悬臂端。 不带悬臂的龙门起重机不带悬臂的龙门起重机：小车靠近一条支腿处。小车靠近一条支腿处。 支腿最不利计算工况2支腿计算工况支腿计算工况3 3龙门架平面的支腿内力龙门架平面的支腿内力 计算载荷：计算载荷： i iGGj j 桥架结构自重；桥架结构自重；R小车轮压小车轮压；PHx小车制动惯性载荷小车制动惯性载荷；PWx小车和货物引起的风载荷小车和货物引起的风载荷；qW支腿承受的均匀风载荷支腿承受的均匀风载荷。 横推力横推力H、支反力支反力V及最大弯矩及最大弯矩MC的计算的计算见

21、表见表8-5。按等强度原则按等强度原则龙门架平面支腿形式为龙门架平面支腿形式为上大下小上大下小。 危险截面危险截面：支腿上端支腿上端4.4.支腿平面的支腿内力支腿平面的支腿内力 计算载荷：计算载荷：VA主梁上的垂直载荷引起主梁上的垂直载荷引起 的支腿顶部的作用力；的支腿顶部的作用力；MA主梁上的扭矩引起的支主梁上的扭矩引起的支 腿顶部的力矩；腿顶部的力矩；PH主梁自重及满载小车引主梁自重及满载小车引 起的水平惯性力；起的水平惯性力；PW主梁自重及满载小车引主梁自重及满载小车引 起的风载荷；起的风载荷；qH支腿自身质量引起的均支腿自身质量引起的均 布水平惯性载荷布水平惯性载荷；qW支腿所受的均布

22、风载。支腿所受的均布风载。 支腿截面内力：支腿截面内力：轴力轴力N、弯矩弯矩M、扭矩扭矩Mn按表按表8-6计算。计算。按等强度原则按等强度原则支腿平面支腿形式为支腿平面支腿形式为上小下大上小下大。 危险截面危险截面：支腿下端支腿下端带马鞍龙门起重机带马鞍龙门起重机支腿平面的计算简图为：支腿平面的计算简图为：一次超静定一次超静定按等强度原则，支腿在两个平面都做按等强度原则，支腿在两个平面都做成上大下小的结构形式。成上大下小的结构形式。三、支腿截面选择三、支腿截面选择龙门架平面：支腿上宽下窄，龙门架平面：支腿上宽下窄， 支腿平面：支腿上窄下宽。支腿平面：支腿上窄下宽。 bs=b cs=(1.381

23、.8)bs 带马鞍的龙门起重机带马鞍的龙门起重机：根据受力情况，支腿的两个：根据受力情况，支腿的两个平面内都制成上宽下窄。其尺寸宽差率为平面内都制成上宽下窄。其尺寸宽差率为 mm700400 xcxxcb7 . 39 . 27 . 0sxsbbb7 . 0sxsccc四、强度校核四、强度校核 1 1支腿的强度校核支腿的强度校核龙门架平面：龙门架平面：支腿上端截面支腿上端截面 支腿平面：支腿平面：支腿下端截面支腿下端截面式中V支腿的轴向压力，由垂直载荷和水平载荷引起的支 腿垂直支反力(V = V A或V A ）；M计算截面的弯矩；A计算截面的支腿截面积；W计算截面的支腿截面抗弯模数； WMAV支

24、腿中间截面：支腿中间截面： 应力由轴力及二个方向的弯矩产生：（V 按表8-5，但应加上iGj/2） zyzyzxzxzWMWMAV2 2下横梁的强度校核下横梁的强度校核 BRRAPMBb2确定支腿支承点C的位置则：下横梁简图下横梁简图根据 下横梁的计算载荷下横梁的计算载荷： 支腿平面内支腿承受的载荷及相应的载荷组合。支腿平面内支腿承受的载荷及相应的载荷组合。 下横梁的强度校核包括：下横梁的强度校核包括：最大弯矩所在截面的弯曲强度最大弯矩所在截面的弯曲强度弯矩较大而截面有削弱处的弯曲强度弯矩较大而截面有削弱处的弯曲强度圆弧圆弧f f- -h h区段的疲劳强度区段的疲劳强度疲劳强度按下式校核疲劳强

25、度按下式校核 rQRQRQRrhkk1 . 132220QR0Q0R kkkQR切应力切向正应力径向正应力五、支腿的整体稳定性校核五、支腿的整体稳定性校核 刚性支腿是双向压弯构件刚性支腿是双向压弯构件，柔性支腿是单向压弯构件柔性支腿是单向压弯构件，按下面的简化计算式验算：按下面的简化计算式验算：式中 Mx、My龙门架平面和支腿平面的计算弯矩（常取距 支腿小端0.45h处截面的弯矩）； A、Wx、Wy计算截面的断面积和截面抗弯模量； 轴心压杆稳定系数，根据支腿长细比 查表。 yyxxWMWMANmin21 rh六、支腿的局部稳定性校核六、支腿的局部稳定性校核 轴心受压时轴心受压时 偏心受压时偏心

26、受压时 1 . 0235501 . 0235502010sscbmax20max10100100cb腹板腹板翼缘板翼缘板式中系数，根据 值，按表8-7查取。 其中 max、min 腹板计算高度（或翼缘板计算宽度）两边缘上的最大、最小应力。 若局部稳定不满足要求，应设纵向加劲肋。若局部稳定不满足要求，应设纵向加劲肋。 加劲肋尺寸要求：加劲肋尺寸要求： 纵向加劲肋应成对布置，其宽度 ，厚度 。横向加劲肋间距通常为（2.5 3）b0（或c0），如图；横向加劲肋宽度横向加劲肋宽度 maxminmax10lb43lmm4030mm403000cbbbll或厚度15llb支腿加劲肋布置简图七、双梁龙门起重

27、机桥架水平刚度校核七、双梁龙门起重机桥架水平刚度校核 控制水平刚度目的：控制水平刚度目的：防止两根主梁向中间并拢，防止两根主梁向中间并拢，避免小车发生卡轨现象。避免小车发生卡轨现象。 计算工况计算工况：满载小车位于有效悬臂端：满载小车位于有效悬臂端。计算载荷计算载荷：静移动载荷：静移动载荷R Rj j，不计动力系数。不计动力系数。 2QGRxcjRj引起VA及扭矩Mn R Rj j引起的支腿上端的垂直压力引起的支腿上端的垂直压力V VA A为：为： RjRj偏心使主梁产生的扭矩为偏心使主梁产生的扭矩为 支反扭矩为 MA+ MB =Mn 平面框架水平支反力平面框架水平支反力HHA A、HHB B

28、LlLGQVxcA)(21eQGeRMxcjn2AAAhAAttAhHMbVEIbBhhHMEIhf2312122支腿上端的水平变位为支腿上端的水平变位为平面框架在支腿平面框架在支腿A处的水平变位为处的水平变位为 根据 ,求出HA。将HA代入 ,求出 。式中bc小车车轮踏面宽度；bg小车轨道头部宽度。 AAABzAkAHxHLxHHEILHf2012203132322AAABHxHLxHHK201kAtAfftAftAfgctAbbfD桥架水平刚度校核：桥架水平刚度校核：八、支腿与主梁及下横梁的连接计算八、支腿与主梁及下横梁的连接计算( (见第四章见第四章) )九、变截面支腿的折算惯性矩九、变截面支腿的折算惯性矩I It t 和长度系数和长度系数 2 1 1变截面支腿的折算惯性矩变截面支腿的折算惯性矩I It t 计算计算It 的原则的原则：用折算惯性矩所在截面位置用折算惯性矩所在截面位置L Lt t求求I It t 32tLLttmaxminZZII式中t由 查表8-8。 初步计算时可取近似值：初步计算时可取近似值： 带马鞍的桁架式和箱形龙门起重机：带马鞍的桁架式和箱形龙门起重机：不带马鞍的龙门起重机：不带马鞍的龙门起重机：72. 0t 用辛普生数值积分公式求折算惯性矩用辛普生数值积分公式求