塔式起重机设计技术整理.ppt

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1、山东建筑大学 山东富友公司 王积永 塔机设计生产技术探讨 讲在开课前面的话塔机生产企业和检验人员往往对塔机设计技术不够重视 认为那时设计单位的事 其实是大错特错 不了解设计意图 设计及标准的基本要求 不可能生产出优秀甚至合格的塔机 也很难进行全面合理的检验 1 2塔式起重机金属结构设计安全系数与计算方法 结构计算的目的是保证结构在载荷作用下 安全可靠地工作 既要满足强度 刚度 稳定性等条件 又要符合经济要求 结构计算是根据拟定的机构方案和构造 按所承受的载荷进行内力计算 确定各个构件的内力 再根据所用材料的特性 对整个结构和构件及其连接进行核算 看其是否符合经济 安全 适用等方面的要求 我国钢

2、结构计算方法 在建国以来曾经有过四次变化 即建国初期到1957年 采用总安全系数的许用应力计算法 1957年到1974年 GBJ17 74 采用三系数的极限状态计算方法 1974年到1988年 GBJ17 88 采用以结构的极限状态为依据 进行多系数分析 用单一安全系数的许用应力计算法 目前新钢结构设计规范GB50017 2003 采用以概率论为基础的一次两阶矩极限状态设计法 1 2 1总安全系数的许用应力计算法考虑到各种不利因素影响 用一个总安全系数K来解决 即将钢材可以使用的最大强度 如屈服强度 除以一个笼统的安全系数 作为结构的计算时容许达到的最大应力 许用应力 这种计算方法成为许用应力

3、设计法 表达式为 式中 N 构件内力 S 构件几何特征 钢材屈服强度 K 安全系数 构件计算应力 这种总安全系数的许用应力计算法的缺点是 由于采用了一个安全系数 将使各个构件的安全度各不相同 而整个结构的安全度取决于安全度最小的构件 其优点是表达式简单 概念明确 应用方便 1 2 2三个系数的极限状态计算法根据结构使用上的要求 在结构中规定两种极限状态 即承载能力极限状态和变形极限状态 承载能力极限状态是指结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形极限状态 变形极限状态是指结构或构件达到正常使用 变形或耐久性能 的某项规定的极限状态 同时引入三个系数 载荷系数 质均系数 工作条件系数

4、 以载荷系数k1考虑载荷可能的变动 以质均系数k2考虑钢材性质的不一致 以工作条件系数k3考虑结构及构件的工作特点以及某些假定的计算模型与实际情况不完全相同等因素 这种方法比按许用应力计算法考虑的细致一些 但某些系数 如工作条件系数 的确定还缺乏客观依据和科学方法 同时它的表达式较为繁琐 其表达式为 1 2 3以结构极限状态为依据 多系数分析后用单一安全系数的许用应力计算法1974年我国正式编制 钢结构设计规范 TJ17 74 规范中采用的表达式是许用应力计算方法 但在确定安全度方面与早期许用应力计算法有所不同 它是以结构的极限状态 强度 稳定 疲劳 变形 为依据 对影响结构安全度的诸因素以数

5、理统计的方法 并结合我国建国后20年来的工程实践经验进行多系数分析 求出单一的设计安全系数 以简单的许用应力形式表达 实际上是半概率半经验的极限状态计算法 其按承载能力计算的一般表达式为 载荷系数k1是用以考虑实际载荷可能有变动而给结构留有一定安全储备的系数 根据对刚屋架 吊车梁的设计资料 按载荷统计资料 分析后得出的加权平均载荷系数 其变动范围在1 145 1 305之间 为简化起见 采用 1 23 材料系数k2是用以考虑材料强度变异的系数 按当时国家标准规定3号钢 现行标准的Q235材料 的屈服强度为235N mm2 低于此值者即为废品 在结构设计中即取此废品极限值作为3号钢的标准强度 但

6、是 钢铁公司的产品质量是不均匀的 公司之间 同一公司内不同生产厂 或车间 甚至同一生产厂 或车间 内 产品的质量也存在差异 同时 各个生产厂对产品的验收又是采用抽样检验的方式 这就不可避免地会有屈服强度小于2400kg cm2 相当于235N mm2 的钢材混杂其间 作为正式产品供应 在商品经济的今天 甚至有一些不法分子为谋取私利故意将不合格的产品混入合格产品中进行销售 根据对我国当时大中小有代表性的钢铁厂的钢材强度统计分析结果 并考虑到过去设计经验而定出的材料强度系数是 对于3号钢 k2 1 143 对于16锰钢和16锰桥钢 k2 1 175 在设计计算中 仅考虑单一的载荷系数和材料强度系数

7、还是不够完备的 例如 对活载荷所占比重较大的构件 或施工条件较差的连接构件等都与一般条件等同看待 其安全度就显得偏低 不同结构和部件失效后产生的损失和影响不同 即重要度不同 要求的可靠度也自然不同 调整系数就是用以考虑这些特殊的变异因素 载荷的特殊变异 结构受力状况和工作条件 的系数 其数据主要是根据实践经验确定的 对于3号钢 和16锰钢 一般取K3 1 05 K1 K2 K3综合确定后的安全表达式为 上式即为钢结构设计规范TJ17 74采用的许用应力设计法的表达式 例如 3号钢的 2400kg cm2 K1 1 23 K2 1 143 K3 1 0 则K 1 23 1 2 4以概率论为基础的

8、一次二阶矩极限状态设计法极限状态的概率设计法是把各种参数 载荷效应 材料抗力 作为随机变量 运用概率分析法并考虑其变异性来确定设计采用值 这种把概率分析引入结构设计的方法显然比许用应力设计法先进 近年来各国逐渐采用此种方法 设结构或构件的承载能力为R R取决于材料的抗力和构件的几何特性 这些参数都是随机变量 根据它们各自的统计数据运用概率法来确定它们的设计值 设计值确定了承载力R也就确定了 载荷效应是指各种载荷 温度变化和地震等对结构或构件的作用产生的效应 亦即同时作用于结构或构件的若干种载荷分别在结构或构件中产生的内力 这些内力的总和也就是载荷效应 用S表示 各种载荷也都是独立的随即变量 根

9、据他们各自的统计数值 用概率法确定其设计值 这些载荷的设计值确定后 总的载荷效应S也就确定了 当R S时为可靠 R S时为不可靠 R S时为结构或构件承载能力的极限状态 设计时应使R S的概率可靠度不低于某一特定数值 这就是极限状态概率设计法 1 2 5金属结构计算方法金属结构是工程机械的承载构件 而工程机械是一种短周期循环工作的机械 这一特点导致了机械实际载荷的多变性 机械工作时不仅在不同的循环中载荷不同 而且在同一循环过程中工作载荷也在变化 即使工作载荷不变化 也有带载行程和空载行程的差别 再加之每一循环过程中的多次起动 制动所引起的动载荷以及起升载荷作用位置的移动或挡风面积的变化等 都会

10、导致构件受载的改变 另外还有一些载荷 如风载荷 道路不平导致的冲击载荷等 本身具有明显的随机性 根据工程机械受载过程这个复杂的随机过程 宜采用以概率论为基础的一次二阶矩极限状态设计法 但是 由于目前对工程机械随机载荷的研究还不太充分 缺乏适用于工程机械结构的各分项系数的可靠统计数据 故我国以及绝大多数国家至今尚未采用以概率论为基础的极限状态法来设计结构 仍采用半概率半经验的极限状态计算法 即以结构极限状态为依据 多系数分析后用单一安全系数的许用应力计算法 该设计方法是通过计算承重结构或构件是否满足承载能力极限状态和正常使用极限状态要求进行的 一 承载能力的计算承载能力计算是对结构或构件的强度

11、稳定及疲劳等方面进行分析 确保结构或构件在承受各种载荷时 满足承载能力极限状态要求 一般表达式为 N 考虑各种载荷系数计算的内力S 构件几何特性 材料许用强度 二 变形计算 变形计算是从结构或构件的变形方面进行分析 确保结构或构件在承受各种载荷时 正常使用 变形 极限状态的要求 一般表达式为 式中 结构或构件在标准载荷作用下产生的最大挠度 规范规定的许用挠度 结构或构件的长细比 规范规定的许用长细比 或 1 2 5 1作用在金属结构上的载荷及其组合目前 金属结构采用的设计方法为以结构极限状态为依据 多系数分析后用单一安全系数的许用应力计算法 其安全系数取决于载荷系数 材料系数及调整系数 为更好

12、的理解和选用安全系数 要认真分析作用在金属结构上的载荷组成及组合 一 载荷种类工程机械结构或构件承受的载荷多种多样 且并非始终作用在结构上 根据作用于结构上的概率可划分为 基本载荷 附加载荷 特殊载荷和其它载荷 基本载荷 正常工作时始终或经常作用在机械上的载荷 包括自重载荷 工作载荷 各种动载荷和离心力 附加载荷 正常工作时不经常作用机械上的载荷 包括工作状态下的风载 温度载荷 特殊载荷 指偶然作用在机械上的载荷 包括非工作状态下的风载 试验载荷 工作状态下的碰撞载荷 其它载荷 其它载荷包括安装载荷 工作平台和通道所受的载荷 运输载荷 二 载荷组合载荷的组合方法与计算形式及目的有关 不同产品的

13、载荷情况各不相同 计算形式及目的也不相同 载荷组合自然不同 塔式起重机设计采用的是半概率半经验的极限状态计算法 确保结构或构件 1 能承受在正常使用时可能出现的各种作用力 2 在正常使用时具有良好的工作性能 3 具有足够的耐久性 4 在偶然事件发生时及发生后 能保持必需的整体稳定性 根据 塔式起重机设计规范 中规定的载荷 进行结构设计计算时 应按塔式起重机的构造形式 使用方式和计算目的在表1 28中选取可能出现的载荷组合情况 组合A 正常工作载荷的组合 组合A也称疲劳 耐久性 计算载荷 它只考虑基本载荷的各种组合 除计算电动机功率外 一般不考虑风载荷 此种载荷组合用于结构件及其连接的强度 弹性

14、稳定性和疲劳计算 组合B 工作最大载荷的组合 组合B也称强度计算载荷 考虑基本载荷与附加载荷的各种组合 它包括塔式起重机在容许的最繁重的使用条件下的各种最大载荷 其中包括有自重载荷 起升载荷 猛烈起动或制动时产生的惯性载荷 工作状态下的最大风载荷 水平侧向载荷等 此种载荷组合用于结构件及其连接的强度和弹性稳定性计算 组合C 非工作最大载荷的组合 组合C也称验算载荷 考虑基本载荷 附加载荷与特殊载荷的各种组合 它是指起重机处于非工作状态下可能出现的最大载荷 包括自重载荷 非工作状态下的最大风载荷 路 轨 面坡度等所引起的载荷以及试验载荷等 此种载荷组合用于结构件及其连接的强度和弹性稳定性计算 具

15、体设计计算时 各种载荷的数值 方向和作用位置应按对所校核的结构及连接为最不利的情况进行组合 1 2 5 2许用应力许用应力是指机械结构或构件在载荷组合作用下结构或构件中容许产生的最大应力 载荷系数k1是用以考虑实际载荷可能有变动而留给结构一定安全储备的系数 是根据载荷统计资料 分析后得出的加权平均系数 材料系数k2是用以考虑材料强度变异的系数 是根据对我国当时大中小有代表性的钢铁厂的钢材强度统计分析结果 并考虑到过去设计经验而定出的 调整系数k3是用以考虑特殊的变异因素 载荷的特殊变异 结构受力状况 重要程度和工作条件等 的系数 其数据主要是根据实践经验确定的 按 起重机设计规范 规定 结构件

16、材料的拉伸 压缩 弯曲许用应力以及剪切 端面承压许用应力按相应载荷组合而定 可从表1 29中选取 1 2 5 2金属结构计算的研究工程机械受载过程是一个复杂的随机过程 宜采用以概率论为基础的一次二阶矩极限状态设计法 只是由于目前对工程机械随机载荷的研究还不太充分 缺乏适用于工程机械结构的各分项系数的可靠统计数据 我国以及绝大多数国家至今尚未采用以概率论为基础的极限状态法来设计结构 仍采用以结构极限状态为依据 多系数分析后用单一安全系数的半概率半经验的极限状态计算法即现行许用应力计算法 如 起重机设计规范 GB3811 2008 塔式起重机设计规范 GB13752 92 结构工程技术人员进行设计时 首先应该执行现行国家标准 保证产品的结构要求 在保证产品安全可靠的前提下 引进先进技术降低成本也是工程技术人员天职 在现行国家标准没有采用以概率论为基础的一次二阶矩极限状态设计法之前 我们认真研究以概率论为基础的一次二阶矩极限状态设计法 将其思想和理念应用于机械金属结构设计 在保证产品安全可靠的前提下最大限度的降低产品生产成本是必要的 以概率论为基础的一次二阶矩极限状态设计法中的载荷效应基本组