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1、,第三章 载荷与载荷组合,第一节 载荷的分类 第二节 载荷的计算 第三节 金属结构的设计方法、,第一节 载荷的分类,一、按其作用性质、工作特点和发生频度划分,(1)常规载荷 在起重机正常工作时始终和经常发生的载荷，包括由重力产生的载荷，由驱动机构或制动器的作用使起重机加(减)速运动而产生的载荷，及因起重机结构的位移或变形引起的载荷。 (2)偶然载荷 在起重机正常工作时不经常发生而是偶然出现的载荷，包括由工作状态的风、雪、冰、温度变化、坡道及偏斜运行引起的载荷。,(3)特殊载荷 在起重机非正常工作时或不工作时的特殊情况下才发生的载荷，包括由起重机试验、受非工作状态风、缓冲器碰撞及起重机(或其一部
2、分)发生倾翻、起重机意外停机、传动机构失效及起重机基础受到外部激励等引起的载荷。,二、按其作用效果与时间变化相关性划分,(1)静载荷 对结构产生静力作用而与时间变化无关的载荷，如自重载荷与起升载荷的静力作用。 (2)动载荷 对结构产生动力作用而与时间变化相关的载荷，如由于机械装备不稳定运动，各种质量产生的惯性力和由于机械装备工作时产生的碰幢、冲击作用等。,第二节 载荷的计算,一、载荷计算原则,1)起重机的载荷计算与载荷组合，主要用于验证起重机结构件的防强度失效、防弹性失稳和防疲劳失效的能力，以及起重机的抗倾覆稳定性和抗风防滑移安全性。 2)起重机能力验算时应注意计算模型与实际情况的差异。 3)
3、如某载荷不可能出现，则应在验算中略去(如室内起重机不考虑风载荷)。 4)结构设计方法有两种：许用应力设计法或极限状态设计法。,二、载荷计算方法,(一)常规载荷的计算,1.自重载荷PG,(1)自重载荷的估算 在结构设计之前，结构自重尚未知，必须预先估算。,图3-1 结构自重的作用方式 a)桁架结构 b)实体结构,(2)自重振动载荷1PG 当物品起升离地时，或将悬吊在空中的部分物品突然卸除时，或悬吊在空中的物品下降制动时，起重机本身(主要是其金属结构)的自重将因出现振动而产生脉冲式增大或减小的动力响应。,2.额定起升载荷PQ,(1)起升动载荷2PQ 当物品无约束地起升离开地面时，物品的惯性力将会使
4、起升载荷出现动载增大的作用。 (2)起升状态级别 由于起升机构驱动控制型式的不同，物品起升离地时的操作方法会有较大的差异，由此表现出起升操作的平稳程度和物品起升离地的动力特性也会有很大的不同。,图3-2 起升动载系数,表3-1 B1和B2值,表3-2 某些起重机的起升状态级别举例,(3)起升动载系数2 当从地面加速起升载荷时，载荷惯性力增大了起升载荷的静力值，并使金属结构产生弹性振动，计算结构时考虑铅垂惯性力和振动作用的起升载荷称为起升动载荷Pd。,图3-3 物品刚离地后结构及钢丝绳绕组的动力学模型,图3-4 突然卸载冲击系数,4.运行冲击载荷,(2)在轨道上运行的起重机 起重机带载或空载运行
5、于具有一定弹性、接头处有间隙或高低错位的钢质轨道上时，发生的垂直冲击动力效应取决于起重机的构造型式(质量分布、起重机的弹性和(或)悬挂、支承方式)、运行速度和车轮直径及轨道接头的状况等，应根据经验、试验或选用适当的起重机和轨道的模型进行估算。,5.变速运动引起的载荷,图3-5 机构驱动加速动载系数,表3-5 加速时间和加速度值,图3-6 起重机回转、变幅时起升绳的偏摆角,6.位移和变形引起的载荷,应考虑由位移和变形引起的载荷，如由预应力产生的结构件变形和位移引起的载荷，由结构本身或安全限制器准许的极限范围内的偏斜，以及起重机其它必要的补偿控制系统初始响应产生的位移引起的载荷等。 还要考虑由其它
6、因素导致的起重机发生在规定极限范围内的位移或变形引起的载荷，例如由于轨道的间距变化引起的载荷，或由于轨道及起重机支承结构发生不均匀沉陷引起的载荷等。,1.偏斜运行时的水平侧向载荷PS,(1)计算方法 影响偏斜运行水平侧向载荷的因素较多，准确计算比较困难。,图3-7 偏斜运行水平侧向载荷计算模型,(二) 偶然载荷的计算,(2)最大轮压 最大轮压为起重机运行作业中不计动力效应、不规定额定起升载荷位置的最大“静轮压”。 (3)有效轴距,图3-8 有效轴距及相应车轮轮压,1)当一侧端梁上装有两个或四个大车车轮时，有效轴距取端梁两端最外边车轮轴的间距，见图3-8a、b。 2)当一侧端梁上的车轮不超过八个
7、时，有效轴距取两端最外边两个车轮中心线的间距，见图3-8c、d。 3)当一侧端梁上的车轮超过八个时，有效轴距取端梁两端最外边三个车轮中心线的间距，见图3-8e。 4)当端梁用球铰连接多车轮台车时，有效轴距为两铰链点的间距(偏斜运行水平侧向载荷按一侧端梁全部车轮最大轮压之和计算)。,5)当端梁装有水平导向轮时，有效轴距取端梁两端最外边两个水平导向轮轴的间距。,图3-9 偏斜运行水平侧向载荷系数,2.坡道载荷,1)对流动式起重机，当道路(路面)坡度不超过1.53时不考虑坡道载荷，否则按路面或地面的实际坡度计算坡道载荷。 2)对轨道式起重机(含铁路起重机)，当轨道坡度不超过0.5%时不考虑坡道载荷，
8、否则按出现的实际坡度计算坡道载荷。,3.气候影响引起的载荷,表3-7 计算风压p、3s时距平均瞬时风速、10min时距平均风速与风力等级的对应关系,1.非工作状态风载荷PW,表3-13 非工作状态计算风压和计算风速, 非工作状态计算风压的取值，内陆的华北、华中和华南地区宜取小值，西北、西南、东北和长江下游等地区宜取大值；沿海以上海为界，上海可取800N/m2，上海以北取小值，以南取大值。,(三)特殊载荷的计算,在特定情况下，按用户要求，可根据当地气象资料提供的离地10m高处50年一遇10min时距年平均最大风速换算得到作为计算风速的3s时距的平均瞬时风速vs(但不大于50m/s)和计算风压p；
9、若用户还要求计算风速超过50m/s时，则可作非标准产品订货进行特殊设计。 在海上航行的起重机，可取p=1800N/m2，但不再考虑风压高度变化，即取Kh=1。 沿海地区、台湾省及南海诸岛港口大型起重机抗风防滑系统及锚定装置的设计，所用的计算风速vs不应小于55m/s。,表3-14 风压高度变化系数,图3-13 高耸结构各质点水 平位移计算模型,1)对装有终点行程限位开关及能可靠起减速作用的控制系统的起重机，按减速后的实际碰撞速度(但不小于50%的额定运行速度，k=0.5)来计算各运动部分的动能，由此算出缓冲器吸收的动能，从而算出起重机金属结构上的缓冲碰撞力。 2)对未装可靠的自动减速限位开关的
10、起重机，碰撞时的计算速度：大车(起重机)取85%的额定运行速度，k=0.85，小车取额定运行速度，以此来计算缓冲器所吸收的动能，并按该动能来计算起重机金属结构上的缓冲碰撞力。,3)在计算缓冲碰撞力时，对于物品被刚性吊挂或装有刚性导架以限制悬吊的物品水平移动的起重机，要将物品质量的动能考虑在内；对于悬吊的物品能自由摆动的起重机，则不考虑物品质量动能的影响。 4)缓冲碰撞力在起重机上的分布，取决于起重机(对装有刚性导架限制悬吊物品摆动的起重机，还包括物品)的质量分布情况。,图3-16 带刚性升降导架的起重机的倾翻水平力 a)小车无反滚轮 b)小车有反滚轮,5.试验载荷,(1)静态试验载荷 试验时起
11、重机静止不动，静态试验载荷作用于起重机最不利位置，且应平稳无冲击地加载。 1)对于流动式起重机，P为有效起重量与可分及固定吊具质量总和的重力。 2)对于其它起重机，P为额定起重量的重力，此额定起重量不包括作为起重机固有部分的任何吊具的质量。 (2)动态试验载荷 试验时起重机需完成各种运动和组合运动，动态试验载荷应作用于起重机最不利位置。,(3)特殊情况 1)有特殊要求的起重机，其试验载荷可以取与上述不同而更高的值，应在订货合同或有关的产品标准中规定。 2)如静态试验和动态试验载荷的数值高于上述的规定，则应按实际试验载荷值验算起重机的承载能力。,6.意外停机引起的载荷,应考虑意外停机瞬间的最不利
12、驱动状态(即意外停机时的突然制动力或加速力与最不利的载荷相组合)，按前文所述(5.变速运动引起的载荷)估算意外停机引起的载荷，动载系数5取值见表3-4。,7.机构(或部件)失效引起的载荷,在各种特殊情况下都可用紧急制动作为对起重机有效的保护措施，因此机构或部件突然失效时的载荷都可按出现了最不利的状况而采取紧急制动时的载荷来考虑。 当为安全原因采用两套(双联)机构时，若任一机构的任何部位出现失效，就应认为该机构发生了失效。 对上述两种情况，均应按前文所述估算此时所引起的载荷，并考虑力的传递过程中所产生的冲击效应。,8.起重机基础受到外部激励引起的载荷,1)如这类载荷将构成重大危险时(如核电站起重
13、机或在其它特殊场合工作的重要起重机)，则考虑此类载荷。 2)如政府颁布法规或技术规范对此有明确的要求，则应根据相应的法规或技术规范考虑此类载荷。 3)如用户向制造商提出此项要求，并提供当地相应的地震谱等信息以供设计使用时，则考虑此类载荷，否则可不予考虑。,表3-18 震级与震中烈度的关系,9.安装、拆卸和运输引起的载荷,应该考虑在安装、拆卸过程中的每一个阶段发生的作用在起重机上的各项载荷，其中包括由8.3m/s的风速或规定的更大风速引起的风载荷。对于一个构件或部件，在各种情况下都应进行在这项重要载荷作用下的承载能力验算。 在某些情况下，还需要考虑在运输过程中对机械装备结构产生的载荷。不能用载荷
14、所属的类别来判断它是否是重要的或关键的载荷，因为有相当多的事故仍发生在这些情况下，所以对它亦应予以特别注意。,10.其它载荷,(1)工艺性载荷 工艺性载荷是指起重机在工作过程中为完成某些生产工艺要求或从事某些杂项工作而产生的一种特殊载荷，例如脱锭和夹钳起重机的刚性导架与障碍物相碰撞产生的水平力、锻造起重机的锻锤冲击力等称工艺性载荷，由起重机用户或买方提出。 (2)走台、平台和其它通道上的载荷 这些载荷为局部载荷，作用在起重机结构的局部部位以及直接支承它们的构件上。,第三节 金属结构的设计方法、载荷情况、载荷组合,一、设计方法,1.许用应力法,2.极限状态法,3.两种方法的比较,1)极限状态法比
15、许用应力法的实际应力值和许用应力值都有所增大。 2)极限状态法更适用于结构在外载荷作用下产生较大变形，使得内力与载荷呈非线性关系的场合。,二、载荷情况,三、载荷组合,1.起重机无风工作情况下的载荷组合,1)A1起重机在正常工作状态下，无约束地起升地面的物品，无工作状态风载荷及其它气候影响产生的载荷，此时只应与按正常操作控制下的其它驱动机构(不包括起升机构)引起的驱动加速力相组合。 2)A2起重机在正常工作状态下，突然卸除部分起升质量，无工作状态风载荷及其它气候影响产生的载荷，此时应按A1的驱动加速力组合。 3)A3起重机在正常工作状态下，(空中)悬吊着物品，无工作状态风载荷及其它气候影响产生的
16、载荷，此时应考虑悬吊物品及吊具的重力与正常操作控制的任何驱动机构(包括起升机构)在其一连串运动状态中引起的加速力或减速力进行任何的组合。,4)A4在正常工作状态下，起重机在不平道路或轨道上运行，无工作状态风载荷及其它气候影响产生的载荷，此时应按A1的驱动加速力组合。,2.起重机有风工作情况下的载荷组合,1)B1B4其载荷组合与A1A4的组合相同，但应计入工作状态风载荷及其它气候影响产生的载荷。 2)B5在正常工作状态下，起重机在带坡度的不平的轨道上以恒速偏斜运行，有工作状态风载荷及其它气候影响产生的载荷，而其它机构不运动。,3.起重机受到特殊载荷情况下的载荷组合,1)C1起重机在工作状态下，用最大起升速度无约束地提升地面载荷，例如相当于电动机或发动机无约束地起升地面上松弛的钢丝绳，当载荷离地时起升速度达到最大值(使用导出的2max，其它机构不运动)。 2)C2起重机在非工作状态下，有非工
