第三章金屬結構設計計算基礎2013

1、第三章 金屬結構設計計算基礎 本章內容:金屬結構計算載荷的分類 載荷組合各種載荷的計算金屬結構設計計算方法金屬結構設計的特點金屬結構設計的特點連接設計計算是金屬結構設計的一個重要內容局部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性對結構的承載能力起控制作用結構自身重量遠遠超過工作載荷作用在金屬結構上的載荷復雜，計算工況多第一節(jié) 金屬結構計算載荷的分類分類依據(jù)：根據(jù)載荷不同特點與出現(xiàn)的頻繁程度一、基本載荷： 始終和經(jīng)常作用在金屬結構上的載荷，即正常工作時必然出現(xiàn)的載荷，包括：自重載荷PG工作載荷PQ水平慣性載荷PH（起重機）二、附加載荷：正常工作狀態(tài)下結構所承受的非經(jīng)常性作用的載荷。包括：工作狀態(tài)下的風載荷PW ,i機械

2、運行時產(chǎn)生的水平側向力PS（有軌起重機） 根據(jù)實際情況決定需要考慮的溫度載荷、冰雪載荷及某些工藝載荷 三、特殊載荷：在非工作狀態(tài)或試驗狀態(tài)時結構可能承受的最大載荷，或在工作狀態(tài)下結構偶然承受的不利載荷，包括： 非工作狀態(tài)下的風載荷PW ,0 試驗載荷 根據(jù)實際情況決定需加以考慮的安裝載荷、地震載荷及某些工藝性載荷 工作狀態(tài)下結構偶然可能承受的碰撞載荷PC 工作狀態(tài)下結構偶然可能承受的帶剛性起升導架的小車 的傾翻水平力PSL 帶反軌輪 第二節(jié) 機構不穩(wěn)定運動時的沖擊動力載荷一、起升沖擊系數(shù)1起升質量突然離地起升或下降制動時，自重載荷將產(chǎn)生沿其加速度相反方向的沖擊作用，考慮這種工況時，應將自重載荷

3、乘以起升沖擊系數(shù) ，考慮自重載荷的重力變化，一般取 ，結構計算時，常取 。11 . 19 . 011 . 10 . 11二、起升載荷動載系數(shù)2起升質量突然離地起升或下降制動時，對承載結構和傳動機構將產(chǎn)生附加的動載荷作用，從而引起結構振動，增大起升載荷的靜力值，通常將起升載荷乘以大于1的系數(shù) 。2 不僅與起升速度和操作情況有關，而且與結構的剛度和質量、起升滑輪組的剛度和起升質量有關2)1 ()(11012ygb操作系數(shù)，吊鉤起重機取0.5，對工作級別較高的起重機和抓斗起重機取0.8； 結構在吊重懸掛點，起升載荷引起的靜變位 起升滑輪組在起升載荷作用下的靜變位。 對臂架結構，可用簡化公式：0021

4、gya與起升高度有關的系數(shù) 與臂架形式有關的系數(shù) 對于常用的動臂起重機， 可足夠精確地取0.35。00/gya201121yymm2的其它估算方法三、突然卸載沖擊系數(shù)3當起升質量部分或全部突然卸載時，將對結構產(chǎn)生動態(tài)減載作用，將起升載荷乘以突然卸載沖擊系數(shù) ， 3)1 (133mm3系數(shù)，對抓斗起重機， ；對電磁起重機， 5 . 030 . 13四、運行沖擊系數(shù)4 當起重機或其一部分裝置（小車）沿道路運行時，由于道路或軌道不平而使運動的質量產(chǎn)生鉛錘方向的沖擊作用。計算時將自重載荷和起升載荷乘以運行沖擊系數(shù)。4h058. 01 . 14 軌道接縫處兩軌道頂面的高度差(mm)。 運行速度（m/s）

5、h也可根據(jù)運行速度查表。第三節(jié) 金屬結構各種載荷的計算 一、自重載荷的計算 1、 計算原因：自重遠遠超過工作載荷2、 計算方法： 參照現(xiàn)有類似結構來確定自重載荷 查閱類似結構的自重表 經(jīng)驗公式，例如一些典型起重機的金屬結構的自重經(jīng)驗公式 L0上部主梁總長；最大起升高度上部主梁總長；最大起升高度12m左右左右圖33 單梁龍門起重機自重曲線L(m)圖34雙梁龍門起重機重量曲線800kN的箱形龍門起重機，上部主梁和支腿的總重的經(jīng)驗公式：Q無懸臂時 (kN) 001 . 07LQHG 有懸臂時 (kN) 001 . 05LQHG 吊鉤最大起升高度（m）；上部主梁總長度（m）。0H0L桁架式龍門起重機跨

6、內部分的主桁架自重:)(7)5(01. 0kNLQGzh)(5(01. 0kNLQGzh時當kNQ39050時當kNQ750400小車變幅的桁架式塔式起重機動臂自重：)(105 . 0)()5 . 11 (4tan1322kNLhLnEQG注：1、桁架結構的自重可視為節(jié)點載荷，作用于節(jié)點上，假定桁架的自重為G，節(jié)點數(shù)為n，則節(jié)點載荷為：1nGPjd 2、實體結構的自重視為均布載荷，用q（kN/m或N/m）表示。 二、工作載荷的計算n1、 橋式起重機的起升載荷 QGxcPPP 小車自重引起的輪壓 吊重Q和吊具G0的重量引起的輪壓 （用于靜剛度和疲勞計算） QGixcijPPP（用于強度計算和結構

7、穩(wěn)定性計算） 1423或 小車自重未知時，小車輪壓可根據(jù)起重量查表小車自重未知時，小車輪壓可根據(jù)起重量查表 4或 或 4注：起升載荷為移動載荷，計算時，應在小車位于使 結構產(chǎn)生最大應力（變位）處進行計算。例：2、小車變幅的回轉起重機計算同上3、起他方式變幅的輪式和塔式起重機 （作為集中載荷，作用于動臂端部） 0GQP（用于靜剛度和疲勞計算） )(0GQPij（用于強度計算和結構穩(wěn)定性計算） 三、水平慣性載荷的計算n1、運行慣性力HP起重機大車或小車運行機構啟動或制動時，起重機或小車的自身質量以及起升質量產(chǎn)生的水平慣性力 HPmaPH5運行部分的質量（kg）起動（制動）加速度（m/s2）參考值見

8、表35考慮起重機機構驅動力（指動力）突變時結構的動力效應， ， ma5215， 平均取5 . 15設計要求：zHPP 車輪與軌道間滑動摩擦系數(shù) 主動輪靜輪壓之和HP作用方向： HPHxPHP作用點：相應質量中心7/12、回轉和變幅運動時的水平慣性力n起升質量的水平慣性力：n在不同類別的計算中，選用不同的 值：n結構運動部分的質量產(chǎn)生的水平慣性力，等于該質量與其質量中心加速度乘積的1.5倍。 HPtanQHQPP吊重鋼絲繩相對鉛垂線的偏擺角 1.5HjPmRt四、起重機偏斜運行時的水平側向力 （大車偏斜運行時）PPs2sPP產(chǎn)生側向力一側與有效軸距有關的相應車輪靜輪壓之和側向力系數(shù)41PPP65

9、21PPPPP偏斜運行側向力作用位置偏斜運行側向力作用位置B 大車軸距；B0 有效軸距例3-1：已知一臺冶金起重機的橋架質量mG=70t，小車質量mx=30t，起重量mQ=100t，L=31.5m，大車軸距B=5.2m，車輪組兩輪距離C1=1m，g=9.8m/s2求Ps 五、風載荷的計算考慮水平方向的載荷，只考慮靜力作用 工作狀態(tài)風載荷非工作狀態(tài)風載荷計算公式： qACKPhw1、 風振系數(shù) ：對于常用起重機取0 . 12、 計算風壓 ：與空氣密度和風速有關q2613. 0q用于選擇電動機功率選擇電動機功率的阻力計算及機構零部件的疲勞和發(fā)熱零部件的疲勞和發(fā)熱計算計算風壓 的取值q用于計算機構零

10、部件和金屬結構的強度、剛度和穩(wěn)定性強度、剛度和穩(wěn)定性，驗算驅動裝驅動裝置的過載能力置的過載能力及整機工作狀態(tài)下的抗傾覆穩(wěn)定性抗傾覆穩(wěn)定性。非工作狀態(tài)下的計算風壓。 IqIIqIIIq無軌起重機，臂長小于50m時， ，大于50m時，按使用要求決定。為簡化計算將風壓按內陸、沿海和臺灣、南海三個地區(qū)劃分。有軌起重機取值見表3-7 211/125mNq 當起重機需要在大風下繼續(xù)工作時，211450 500/qN m3、 風壓高度變化系數(shù) hK工作狀態(tài)下的 =1。 hK非工作狀態(tài)，以離地10m高處為基準計算， 其中10hKh海上陸地2 . 03 . 04、 風力系數(shù)C：與金屬結構的外形、幾何尺寸等有關，

11、查表3-9。5、 迎風面積A的計算：取決于結構的類型和幾何輪廓尺寸（1）單片金屬結構的迎風面積為 lAA 金屬結構充實率（表3-10） 輪廓面積（m2）（2）兩片并列等高、形式相同的金屬結構：圖3-821AAA111lAA222lAA前排對后排的擋風折減系數(shù)（查表3-11） （3）并列箱形結構(圖3-9)的擋風折減系數(shù)圖3-9 并列箱形結構與a/h有關（4）n片并列等高、形式相同的金屬結構（圖3-10）若每排間 隔相等，在縱向風力作用下，總的迎風面積為：115111112)10511(11)1 (llnlnAnAAA（5）物品的迎風面積 吊運物品的輪廓尺寸不明確時，可按表3-13查取例2 一臺

12、雙梁龍門起重機的箱型主梁長45m，高1.8m，兩梁相距2.2m，置于高13m的支腿上，工作地點在上海寶山鋼鐵公司后方貨場，試確定工作和非工作狀態(tài)下作用在主梁上的風載荷六、緩沖器的碰撞載荷六、緩沖器的碰撞載荷Pc七、其他特殊載荷七、其他特殊載荷1、冰雪載荷它取決于碰撞質量和碰撞速度，按緩沖器所吸收的動能計算。SvmmPpGc2)(222寒冷地區(qū)取雪壓5001000N/m22、溫度載荷0ttt 結構的溫度變位t結構的溫度應力注：移動式起重機結構和跨度小于35m的超靜定結構，不考慮溫度載荷3、地震載荷4、工藝載荷5、安裝載荷6、試驗載荷動載試驗靜載試驗61.1dtQPP1.25stQPP第四節(jié) 金屬

13、結構的載荷組合及許用應力n一、載荷組合：按照各種載荷出現(xiàn)的頻繁程度和結構的重要性，根據(jù)機械的實際工況，考慮最不利的情況進行合理的組合。載荷組合I: 用于疲勞強度校核載荷組合II：用于強度、剛度、穩(wěn)定性校核載荷組合III：用于強度、剛度、穩(wěn)定性及整機穩(wěn)定校核載荷組合I：基本載荷的組合Ia： 121HQGPPP，Ib： 144HQGPPP，Ic： 23HQGPPP，Id： 121HQGPPP，載荷組合II：基本載荷+附加載荷IIa:iwHQGPPPP,121，IIb:siwHQGPPPPP，,224IIc:iwHQGPPPP,231，IIIa： owGPP,，IIIb： ciwQGPPPP，,II

14、Ic： SLQGPPP，IIId： dtSHGPPPP611，IIIe： stGPP ，IIIf： GP4載荷組合III：基本載荷+特殊載荷 基本載荷+附加載荷+特殊載荷1、 結構件材料的許用應力（1）基本許用應力7 . 0bsisin當 時，基本許用應力7 . 0bsibsin35. 05 . 0當 時，基本許用應力n二、許用應力IIIIIIi,（2）剪切許用應力和端面承壓許用應力3 5 . 1cd2、連接材料的許用應力（1）焊接許用應力（2）鉚釘、螺栓和銷軸連接的許用應力（見表3-17）注：注：Q235沸騰鋼，型鋼厚度大于15mm和鋼板厚度大于20mm的許用應力應乘以0.95。表表3-16

15、 安全系數(shù)和許用應力安全系數(shù)和許用應力第五節(jié)第五節(jié) 設計計算方法設計計算方法n一、現(xiàn)代設計方法簡介1、 有限元法2、 優(yōu)化設計3、 可靠性計算法4、 極限狀態(tài)設計法二、極限狀態(tài)計算法基礎：基礎：在起重機使用條件下對金屬結構的受載情況進行統(tǒng)計 分析；對金屬結構材料性能的均勻程度進行統(tǒng)計研究。特點：特點：不采用安全系數(shù)。結構應滿足的兩種極限狀態(tài)：結構應滿足的兩種極限狀態(tài)：1、承載能力極限狀態(tài)：對應于結構或構件達到最大承載能力或出 現(xiàn)不適于繼續(xù)承載的變形。2、正常使用的極限狀態(tài)：由于過大的彈性變形或振動，影響工程 機械的作業(yè)和工作人員的安全，導致其 不能正常使用。特點：特點：根據(jù)各種載荷發(fā)生時，對構

16、件的影響程度，確定超載系數(shù)。考慮了各個構件的重要性、構件在使用、運轉、安裝過程中可能出現(xiàn)的損壞以及計算不完善的情況第一種極限狀態(tài)和第II類或第III類載荷組合的計算：0iiiNP n 由相應的額定載荷P0i計算組合得超載系數(shù)超載系數(shù)P0i=1時構件的軸向力時構件的軸向力iiMM n sIIttMRm Rmk材料的屈服極限材料的屈服極限材料的可靠性材料的可靠性(低碳鋼:1.05,低合金鋼:1.1)123tmm m m構件的重要性可能出現(xiàn)的損壞考慮計算的不完善(10.75)(1.00.8)第一種極限狀態(tài)和第I類載荷組合的計算：0eePP等效載荷Pe: 10()nmiimeiiPZPZetm R01

17、/kMRkk材料的不均勻性系數(shù)材料的可靠性系數(shù)材料的無限壽命耐久限9 . 00k第二種極限狀態(tài)和第I類載荷組合/ ssfLfLtt或三、按許用應力法計算結構的靜強度三、按許用應力法計算結構的靜強度特點：簡單方便缺點：安全系數(shù)取為定值表達式： ， imaximaxisin四、按許用應力法計算結構的疲勞強度四、按許用應力法計算結構的疲勞強度進行疲勞校核的原因進行疲勞校核的原因：承受動載荷動載荷及應力集中應力集中會降低結構和焊縫的強度。A5級以上的金屬結構，必須進行疲勞強度計算。級以上的金屬結構，必須進行疲勞強度計算。引起疲勞破壞的原因：引起疲勞破壞的原因：桿件應力大小、應力種類、應力循環(huán)特性、應力

18、循環(huán)次數(shù)、應力集中的程度。1、 應力循壞特性r的計算只承受正應力時： maxminr 只承受剪應力時： maxminr同時承受正應力和剪應力： maxminxxxrmaxminyyyrmaxminxyxyxyr2、 疲勞許用應力計算 r越小，則疲勞強度越低，金屬結構常以應力對稱循壞的疲勞強度極限 為基準。 1A、 由材料的疲勞試驗得到，疲勞許用應力基本值1n11對非焊接件，應力集中情況分為W0、W1、W2三個等級。對焊接件，應力集中情況分為K0、K1、K2、K3四個等級。1根據(jù)應力集中情況查表3-23B、 非對稱循壞的疲勞許用應力 以 為基準r10rrrt67. 0167. 11rrc1 21拉伸 壓縮 0rrbrt)45. 01 (167. 111拉伸 rbrc)45. 01 (