第05章 金属结构设计原则

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1、 1-5-1 第五章 金属结构设计原则 第一节 概述 金属结构是由型材、 板材和铸锻件等金属制件通过一定的连接手段所制成并满足一 定使用要求的工程结构。 起重机的金属结构是起重机的重要组成部分。它是整台起重机的骨架，用以装置起 重机的机械、电器设备，支持被起吊的重物，承受和传递作用在起重机上的各种载荷。 起重机依靠金属结构的支架作用而形成一定的作业空间； 依靠金属结构外形的变化形成 不同的机型以满足使用要求；依靠金属结构构件所组成的机构实现预定的运动规律。 起重机金属结构的工作特点是受力复杂、自重大、消耗材料多，对于港口大型起重 机械，金属结构的自重往往是整机重量的 70以上，成本比例也较高。

2、因此，在满足总 体要求和性能要求的前提下，充分利用材料、减轻自重、简化工艺、降低成本，成为起 重机金属结构设计制造的共同发展与研究方向。近年来，国内外对金属结构进行了大量 的研究工作， 出现了许多新的结构型式， 使用了新的设计方法， 创造了先进的制造工艺， 使金属结构的设计和制造取得很大成就。 新版起重机设计规范（GB3811XXXX）规定“起重机结构设计计算可采用许 用应力法或极限状态法。当结构在外载荷作用下产生很大变形，内力和载荷呈非线性关 系时，宜采用极限状态法。”但是长期以来，起重机金属结构设计中一直使用许用应力 计算法。而在建筑行业，从上世纪 80 年代开始就已规定,“除疲劳计算外，

3、结构设计采 用以概率理论为基础的极限状态方法，用分项系数设计表达式进行计算。”极限状态法 更准确地考虑了载荷作用性质，材料性能及结构工作特点等因素，使计算准确，能够充 分地利用材料，与许用应力法相比较，能更好地反映结构（尤其是非线性结构）各构件 或连接的实际安全度，因而能更好地保证所设计结构的合理性和可靠性。现行的许用应 力设计法，仅有使用方便、计算简单、有一定的准确性和合理性，且在起重机金属结构 设计中被长期广泛采用。但其缺点也是明显的，即对不同用途，不同性质的金属结构采 用相同的安全系数，使其实际结构在可靠度意义下的安全性不是偏大就是偏小。有些算 法不能反映实际状态或不完善，因此，应进一步

4、研究的主要内容有： 1） 焊接结构疲劳强度计算法 2） 具有初始缺陷构件的稳定性计算法 3） 带筋薄板的承载能力计算法 4） 以断裂力学为基础的结构断裂计算方法 5） 金属结构动力分析与优化设计研究等 此外，随着计算机三维设计的普及与有限元分析手段的提高，应加强起重机金属结 构的参数化设计、标准数据库建设和 CADCAECAM 的综合应用研究。 1-5-2 第二节 设计的基本要求 起重机（特别是港口起重机）是一种工作条件十分繁重的重型机械设备。其载荷复 杂多变，动态性质显著，所以作为整台起重机骨架的金属结构，其设计制造质量的好坏 将直接影响整个起重机的技术经济指标， 即起重机的可靠性， 适用性

5、和制造、 运转成本。 为保证起重机良好的技术经济性，起重机金属结构应满足以下基本设计要求。 1、满足总体设计要求 金属结构是起重机的一个组成部分，必须符合起重机整体设计的要求。首先应满足 总体对工作幅度、跨度、前伸距、后伸距、起升高度等作业空间的要求；其次应满足总 体提出的机构学上要求，如门座起重机为保证变幅过程物体作水平移动，对各结构件提 出的尺寸要求；其三应满足总体布置的要求，使结构件与结构件之间，结构件与机构之 间装配关系协调，在各机构工作范围内，各运动件之间互不发生干扰。 2、坚固耐用、性能良好 为保证起重机坚固耐用、安全可靠。其金属结构必须有足够的静强度、规定寿命下 的疲劳强度和各构

6、件的整体和局部稳定性。 为了使起重机具有良好的实用性能和动态性 能，其金属结构应具有足够的静态刚度性和动态刚度性。 3、重量轻、材料省 重量是起重机的一个很重要的技术经济指标。 起重机金属结构的重量通常占整体重 量的 6070。对具有大型结构件的起重机，如各类装卸船，这一比例可上升到 85 90。 降低金属结构的重量不仅能节约结构本身的钢材， 而且对减轻机构和码头的负荷， 降低整机和码头的造价均有重要意义。 4、构造合理、工艺性好 金属结构的构造型式既应该适应结构的受力特点，使传动路径短、力流平顺，又应 保证结构具有良好的工艺性，使制造、运输、安装和维修方便。根据工厂和工地的设备 和技术条件，

7、尽量采用先进的施工工艺。运送单元的尺寸应遵守运输界限尺寸的限制， 吊装单元的大小和重量应与吊装设备的能力相适应。 5、造型美观 起重机既是机械又是建筑，应该从建筑艺术的观点出发体现其造型美。起重机的造 型主要取决于金属结构的造型。 第三节 材料及许用应力 一、金属结构对材料的要求和常用材料 结构材料的性能，不仅影响结构的承载能力和自重，而且关系到产品的安全可靠性 和成本。 起重机金属结构所用的材料， 目前主要是结构钢， 有时也用些铸钢和铝合金等。 港口起重机经常处于繁重的工作状态，其结构直接承受振动和冲击载荷的作用，因 1-5-3 此，结构材料应满足下面性能要求： 1较高的屈服点 s 和抗拉强

8、度 b 材料的屈服点 s 高可以减轻结构自重，节省材料，降低成本。抗拉强度 b 高可以 增加结构的安全储备。 2较高的伸长率 伸生长率是表示材料塑性的重要指标之一，伸长率越高，材料的塑性就越好，材料 的安全度也越高。这是因为结构的局部应力集中可以通过塑性变形得到缓解，避免引起 结构的局部破坏。此外，即使由于某种偶然因素，使结构出现了较大的残余塑性变形， 人们也会立即觉察到，并及时采取措施，避免机毁人亡事故的发生。 3保证一定的冲击韧性 材料的冲击韧性值指 V 形缺口试件， 在冲击试验机上用摆锤击断时其吸收的冲击功 kV A（单位J）表示。对于经常承受动载荷的结构是很重要的质量指标。对于在低温条

9、 件下工作的结构，应保证有足够的负温冲击韧性 kV A值，以提高结构抵抗冷脆性破坏的 能力。 4较好的工艺性能 结构材料的工艺性能主要包括冷弯性和可焊性能。 良好的工艺性能不仅能简化结构 的制造工艺，而且不会因为工艺因素而使结构的强度、塑性、冲击韧性等性能受到明显 的不利影响。因此材料的工艺性能不但直接影响结构生产的效率和成本，而且影响结构 使用的可靠性。 在满足上述性能的前提下，还应根据具体情况考虑材料的供应与价格等问题。 根据目前我国金属结构材料的生产和供应情况， 普通结构钢是比较安全可靠而又经 济合理的材料。普通结构钢的力学和工艺性能比较好，一般都能满足使用上的要求，钢 材的品种和规格比

10、较齐全，容易保证供应，价格又比较便宜，因此应用的最为普遍。 铸钢通常仅用于形状比较复杂的支座部件，以简化结构的工艺，但其力学性能不如 结构钢，故重量要增加些。 与普通结构钢相比，铝合金的重要特征之一就是轻（比重约为钢材的三分之一）， 而强度又接近。因此，在国内外有些工程机械结构和起重机结构已采用铝合金来制造， 已达到减轻结构自身重量的目的。但是，由于铝合金存在以下几个主要缺点，故目前还 不能得到广泛的采用。 1）铝合金的弹性模量较低，仅为钢材的三分之一，使结构和构件的静力和动力变 位增大。此外，受压构件的临界载荷也较低。 2）铝合金的线膨胀系数较大，约为钢材的两倍，使结构由于温度变化所引起的变

11、 形增量大。 3）铝合金的可焊性较差，铝合金不但焊接工艺要求高，且焊接接头的强度和其它 性能均明显的低于原材料。 4）铝合金的价格昂贵（比钢材贵 1015 倍），且目前生产和供应均有限，主要面 向国防和宇航工业，故一般工业部门还很少采用。 由我国 起重机设计规范 （GB3811-5-XX） 和 钢结构设计规范 （GB50017-2003） 1-5-4 推荐采用的结构材料，主要有 Q235 钢、Q345 钢、Q390 钢和 Q420 钢，其质量应分别 符合现行国家标准碳素结构钢GB/T700 和低合金高强度结构钢GB/T1591 的规 定。其次还有铸钢（GB979-67）等。 二、结构钢的分类和

12、牌号 钢的种类繁多，根据国家标准钢分类（GBT 133041991），按化学成分分 类，可分为非合金钢、低合金钢和合金钢三类。按主要性能及使用特性分类，非合金钢 又可分为以规定最低强度或以限制碳含量等为主要特性的各种类别， 碳素结构钢即属于 前者。低合金钢则又可分为低合金高强度结构钢、低合金耐候钢等类别。适合于钢结构 采用的钢只是碳素结构钢和低合金高强度结构钢中的几种牌号， 以及性能较优的其他几 种专用结构钢（桥梁用钢、耐候钢、高层建筑结构用钢等）。 钢结构用钢的牌号，是采用国家标准碳素结构钢（GB/T 700-1988）和低合 金高强度结构钢（GB/T 1591-1994）的表示方法。它由代

13、表屈服点的字母、屈服点的 数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分按顺序组成。所采用的符号分别用下列 字母表示： Q钢材屈服点“屈”字汉语拼音首位字母； A、B、C、D、E分别为质量等级； F沸腾钢“沸”字汉语拼音首位字母； b半镇静钢“半”字汉语拼音首位字母； Z镇静钢“镇”字汉语拼音首位字母； TZ特殊镇静钢“特镇”两字汉语拼音首位字母。 在牌号组成表示方法中，“Z”与“TZ”符号予以省略。根据上述牌号表示方法， 如碳素结构钢的 Q235-AF 表示屈服点为 235N/mm2、 质量等级为 A 级的沸腾钢； Q235-B 表示屈服点为 235 N/mm2、质量等级为 B 级的镇静钢；低合

14、金高强度结构钢的 Q345-C 表示屈服点为 345 N/mm2、 质量等级为 C 级的镇静钢； Q420-E 表示屈服点为 420 N/mm2、 质量等级为 E 级的特殊镇静钢（低合金高强度结构钢全为镇静钢或特殊镇静钢，故 F、 B、Z 与 TZ 符号均省略）。 GB/T 700-1988 对碳素结构钢的牌号共分五种，即 Q195、Q215、Q235、Q255 和 Q275。其中 Q235 钢是设计规范推荐采用的钢材，它的质量等级分为 A、B、C、D 四级，各级的化学成分和机械性能相应有所不同（表 1-5-l、表 1-5-2）。另外，A、B 级 钢分沸腾钢、半镇静钢或镇静钢，而 C 级钢全为

15、镇静钢，D 级钢则全为特殊镇静钢。在 机械性能中，A 级钢保证 b 、 s 和 5 三项指标，不要求冲击韧性，冷弯试验也只在需 方有要求时才进行，而 B、C、D 级钢均保证 b 、 s 、 5 、冷弯试验和冲击韧性（温度 分别为：B 级 20、C 级 0、D 级-20）。 表 1-5-1 碳素结构钢的化学成分（GB/T 700-1988） 化学成分，% Si S P 牌号 等 级 C Mn 不大于 脱氧 方法 与 GB 700-79 对照 用途 Q195 0.060.12 0.250.50 0.30 0.0500.045F,b,Z见注 3 载荷小的零件、铁丝、垫铁、垫圈、开 1-5-5 口销、

16、拉杆、冲压件及焊接件 A 0.050A2 Q215 B 0.090.15 0.250.55 0.30 0.045 0.045F,b,Z C2 拉杆、套圈、垫圈、渗碳零件及焊接件 A 0.140.22 0.300.65 0.050A3 B 0.120.20 0.300.70 0.045 0.045F,b,Z C3 C 0.18 0.0400.040Z Q235 D 0.17 0.350.80 0.30 0.0350.035TZ 金属结构件， 心部强度要求不高的渗碳 或氰化零件，拉杆、连杆、吊钩、车钩、 螺栓、螺母、套筒、轴及焊接件，C、 D 级用于重要的焊接结构 A 0.050A4 Q255 B 0.180.28 0.400.70 0.30 0.045 0.045F,b,Z C4 转轴、心轴、吊钩、拉杆、摇杆、锲等 强度要求不高的零件，焊接性尚可 Q275 0.280.38 0.500.80 0.35 0.0500.04