第二章-载荷及金属结构设计计算准则

第二章载荷及金属结构设计计算准则

金属结构是承载结构，为了保证起重机工作的安全可靠和良好的使用性能，正确地分析计算结构所受的外载荷是结构设计计算的重要内容之一。§2－1载荷的种类§2－2载荷的确定与计算§2—4结构承载能力的计算方法§2—3载荷的计算组合§2—5强度设计准则及许用应力§2—6稳定性设计准则§2—7刚性的设计准则：2023/10/251物流工程学院WHUT§2－1载荷的种类《重机设计规范》GB3811－2008，依载荷的作用概率划分：基本载荷——永久或经常作用在结构上附加载荷——不常作用特殊载荷——偶然作用一、基本载荷：自重（结构、电气）；起升载；惯性载荷；动载效应系数2023/10/252物流工程学院WHUT非工作状态下的最大风载，PwⅢ；试验载；安装载；运输载及地震载等。二、附加载荷：工作状态的最大风载PwⅡ，侧向力Ps；温度载荷；冰雪载荷等三、特殊载荷：2023/10/253物流工程学院WHUT§2－2载荷的确定与计算一、自重载荷及其动载效应1、的估算方法：1）参考同类产品的自重进行类比（常用，较可靠）2）利用手册、资料的经验公式，（图、表及计算公式）3）逐步逼迫法：建立粗略的力学模型→计算内力→选截面→考虑构造系数1.3～1.4初算自重→验算→调整使估算自重与施工设计的重量误差<10%2023/10/254物流工程学院WHUT2、自重的动载效应1）起升冲击系数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。计算载荷为：φ1PG

的取值：0.9≤≤1.12023/10/255物流工程学院WHUT2）运行冲击系数

起重机或部分装置行经不平路面或轨道接头时，使运动质量产生铅垂方向的冲击作用。计算载荷为：φ4PG

的取值：有轨运行：φ4

＝1.1+0.058Vyh1/2式中：Vy——运行速度m/s

h——轨道接头处两轨面的高低差mm

一般控制h≤2mm无轨运行：运行速度20～50km/h

沥青路：＝1.5石子路：＝2.02023/10/256物流工程学院WHUT3、自重的作用方式建立力学模型时，应考虑载荷的分布情况。实腹式——按均布力来处理桁架——按节点载荷处理机、电设备重量——按集中载荷处理2023/10/257物流工程学院WHUT二、起升载荷及其动载效应1、起升载荷1）吊钩式：＝

——取物装置

——悬挂长度大于50m时起升钢丝绳重量2）抓斗式：＝

对于抓斗、电磁铁、容器式作为取物装置时，额定起重量包含2023/10/258物流工程学院WHUT2、起升载荷的动载效应1）起升载荷动载系数

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产生附加动载作用。考虑此工况的计算载荷为：

的计算：

2023/10/259物流工程学院WHUT离地起升，结构及钢丝绳滑轮组动力学模型

、——分别表示主梁及小车在悬挂处的换算质量及刚度系数

、——分别表示起升质量和钢丝绳滑轮组的刚度系数——在起升载荷作用下，起升质量悬挂点处的静挠度（位移）——在起升载荷作用下，钢丝绳滑轮组的静挠度（位移）2023/10/2510物流工程学院WHUT静位移：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：所以经过检验的修正的理论公式。说明:①此式由桥吊主梁跨中用建立力学模型，所求得用于其它复杂结构不合适②模型太粗糙忽略了质点以外其余结构的振动，计算出的往往偏小

2023/10/2511物流工程学院WHUT式中：c—操作参数由P—29.表2-1查取v—额定起升速度，m/s g—重力加速度.g=9.8m/s—对桥式起重机.L-跨度，m对门座起重机.R-最矢幅度。

(H—起升高度)δ—结构质量影响参数.:对桥式起重机；取为小车质量木桥质量的一半；对臂架式起重机；取为臂架质量的1/3:额定起升质量；kg;2023/10/2512物流工程学院WHUT说明：①当计算出＞2时，应在控制方面采取措施，降低货物的离地速度，并且取=2；②若标出＜1.1，则取=1.1。③初步设计时，也可按P29.表2—2推荐的公式计算④可由理论分析和实验研究的结果选用。构件名称桥式门式装卸桥门座起重机建筑用塔吊汽车吊轮胎吊有缓冲无缓冲桥架、端梁1.05-1.3(1.5-2.0)桥架、支腿、下横梁1.1-1.3(1.5)1.5(1.8)-2.01.5(0.8)1.0(2.2)象鼻梁、拉杆、人字架、门架，臂架1.05(1.2)1.05(1.25)1.25(1.45)1.3(1.5)1.2(1.35)1.3(1.55)1.5(1.85)2.0(2.5)起重臂，塔顶、塔中段、平衡臂、塔根1.251.41.55臂架、人字架、转盘1.21.3注：括号外用于吊钩式，括号内用于抓斗式。2023/10/2513物流工程学院WHUT2）运行冲击系数考虑运行不平过轨道接头工况的起升载荷计算载荷数：3）突然卸载冲击系数物理意义：起升质量部分或全部卸载时，对结构产生的动态减载作用.考虑此工况的起升载荷计算载荷数：式中：

—系数：抓斗起重机=0.5

电磁起重机=1.02023/10/2514物流工程学院WHUT三、惯性载荷Pi及其动载效应惯性载荷—包括旋转，运行，变幅时产生的水平惯性力.1.运行惯性力:=1.5m·am—运行部分的质量，（起升载）kg;a—运行起，(制)动的平均加速度，a=v—额定运行速度，m/st—起（制）动时间，s1.5—考虑猛烈起，制动的动载效应系数。（a,t可查附录表2），对于自动式运动机构：≤μ(粘着力)，μ—车轮逆向的滑动摩擦系数；μ=0.129（室内）～0.15（室外）Pz—主动轮的静轮压之和，N.Pi的作用位置和分布方式—与相应质量的重力载荷相同。2023/10/2515物流工程学院WHUT2.回转运动惯性力

（以门座起重机为例）回转引起：起升质量象鼻梁，大拉杆，鼻架，对重，平衡梁，小拉杆，人字架，转台，机电设备,产生（1）法向（2）切向质量的处理方式：·起升质量、活对重、机电设备—按集中质量考虑·其余构件—计算自身内力时，按均布质量考虑，否则按集中质量考虑·格构式构件—按分布于各节点的集中质量考虑。2023/10/2516物流工程学院WHUT1）集中质量惯性力：法向：=m··r(N)ω—角速度ω=其中n为四杆速度.转/分切向：=m·ω·r(N)ξ—平均角加速度.ξ=说明：（1）通常不忽略法向惯性力（2）起升质量的惯性力不能单独计算，化起升绳偏摆角中考虑2023/10/2517物流工程学院WHUT2）均布质量惯性力.（以臂架为例）任意截面Ⅰ—Ⅰ处单位长的质量：—臂架重量该处的单位长度质量惯性力：

说明：·通常可忽注：对于装设极限的力矩联轴器的回转机构，计算回转部分的最大惯性主矩时，受打滑条件的限制：∑·r≤MeMe—换算到起重机回转轴上的极限摩擦力矩。2023/10/2518物流工程学院WHUT3.变幅运动惯性力1）用小车变幅时，小车和起升质量惯性力计算与运动惯性力相似；2）用臂架变幅时，臂架的惯性力一般可以忽略；起升质量的水平惯性力在起升绳偏摆角中考虑。2023/10/2519物流工程学院WHUT4.碰撞载荷Pc及其动载效应.

有轨运动起重机（或小车），尤其是高速运动小车，为安全起见，常在轨道终端处装设缓冲器；在同一轨道上工作的多台起重机为避免相互间的碰撞也装有缓冲器。

碰撞型式：（1）小车←→缓冲器或大车←→缓冲器.（缓冲器固定）（2）起重机（大车）←→起重机2023/10/2520物流工程学院WHUT缓冲器种类：（1）碰撞力为线性特性.如：橡胶弹簧.（2）碰撞力为常力特性.如：液压2023/10/2521物流工程学院WHUT1)小车（或大车）碰撞缓冲器，假定起重机（小车）为全刚性，不考虑弹性变形，根据能量原理.运动质量的动能=缓冲器（压缩）所做功

E W↓↓1/2（）= 1/2（•s•n）(线特性) •s•n(常力特性)2023/10/2522物流工程学院WHUT注：n为同时撞击的缓冲器的个数

2/ns(线特性)=/ns(常力特性)2)两起重机相向碰撞2023/10/2523物流工程学院WHUT根据碰撞理论，而运动质量.相向碰撞时缓冲器的最大。压缩量发生在碰撞过程中两运动质量达到同步运动的瞬间。对m1、m2分别应用动量原理：

ft=mv物体所受外力的冲量等于物体动量的增加(f1与v的方向相反)①②①+②.并整理得：

碰撞后两运动质量同步移动速度2023/10/2524物流工程学院WHUT碰撞时的总动能-碰撞后还存在的动能动能的改变量（缓冲器实际吸收的动能）

缓冲器做功：

线特性：

由有：3)碰撞载荷是动载效应：考虑运动机构的转动动能及起升质量动能影响和结构弹性振动而仅碰撞力增大.

的计算载荷为：—碰撞载荷动载系数.查P36.表2—3.2023/10/2525物流工程学院WHUT5.风载荷与风振

风载荷对露天工作的起重机影响很大，尤其是还上作业，沿海一带内路段高大的起重机风载影响不可忽视。例：武钢发生合龙门吊被吹跑；75年南京镇江发生整台起重机被风吹入长江；上海港务局机修厂100t门机被风吹跑，上海杨浦燃料站一台装卸桥交接班时没有把防风装置锁紧，突遇大风，整机被风吹跑，一腿腾空，幸好撞到终点水泥桩，险些弹入江中，但造成30多处裂缝。天津港发生臂架非工作时被风吹断。2023/10/2526物流工程学院WHUT:①—工作状态的最大风载荷②非工作状态的最大载荷1）风载荷的计算：式中（1）q—风压，q的取值：①根据使用地区的统计风速计算.

ρ为密度

取平均重度

②根据地域，工作状态等由p37表2-4及表下注明中选取。

2023/10/2527物流工程学院WHUT（2）c—风力系数（体型系数）

定义：

ρ—空气密度.ρ=γ(重度)/g:—由模型（风洞）实验获得，与构造形状，尺寸等有关c查p39.表2-82023/10/2528物流工程学院WHUT(3)kh—风压高度变化系数.实际工作状态风载时：=1计算工作状态风载时，kh查p38表2-5或按下式计算：=(h/10)0.3(陆上) =（h/10）0.2(海上及海岛)（4）A—垂直方向的通风面积.（按最不利的通风方位计算）①单片结构：Φ—充实率，依结构类型查表2-6；—结构外轮廓面积②两片结构：（并列，等高）;η—挡风系数，根据万片结构的Φ及a/h查表2-9。注：多片结构：矩形面格结构式塔架结构，三角形截面宽间架结构的风载计算详见P40-41.2023/10/2529物流工程学院WHUT2)风振：（高耸塔桅结构）(1）突发阵风的脉冲频率等于或接近结构发固有频率时产生的顺风前后的共振现象。β—风振系数，查下表：β的近似值结构的自振频率f(Hz)4210.660.50.30.2塔型钢结构，钢支架1.251.451.551.621.651.701.75

定常气流绕过结构物的表面，在结构物两侧产生涡流，当涡流交替出现的频率等于或接近结构固有频率时产生垂直于风方向的共振现象—卡曼风振。2023/10/2530物流工程学院WHUT例：40年代美国的一座大型悬牵桥固此而导致灾难性的毁坏

原西德的一座烟窗因此而重建上海港机厂60年代制造了一台援马尔他的门座式起重机也发现了比较严重的的涡振现象同济大学李国豪教授采取了以下措施得以解决：2023/10/2531物流工程学院WHUT6.偏斜运动侧向力Ps(有轨)引起偏斜运动的原因：（1）两侧电机为同步；（2）车轮，四支点的制造，安装误差；（3）轨道不直、不平。由于影响因素多，定量分析难，通常采用下面的经验公式计算：Ps=(λ∑P)/2,式中；λ—侧向力系数，由L/B表查P42，图2-16B—基距，当装有水平轮时，B取水平轮的间距∑P—受侧向力一侧车轮的最大总轮压（由和引起，不计动在系数）2023/10/2532物流工程学院WHUT7.运输，安装载荷视具体情况确定（参考P43）8.实验载荷：见P43.9.温度，冰雪，地震载荷一般不考虑。10.作用于起升质量上各种水平力的综合简化计算—