1、2022-8-9物流工程学院 WHUT1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。21 载荷的种类22 载荷的确定与计算24 结构承载能力的计算方法23 载荷的计算组合25 强度设计准则及许用应力26 稳定性设计准则27 刚性的设计准则：2022-8-9物流工程学院 WHUT221载荷的种类重机设计规范GB38112008，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G
2、PiQPiP2022-8-9物流工程学院 WHUT3非工作状态下的最大风载，Pw；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Pw，侧向力Ps；温度载荷；冰雪载荷等三、特殊载荷：2022-8-9物流工程学院 WHUT422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1.31.4初算自重验算调整使估算自重与施工设计的重量误差10%GPGP2022-8-9物流工程学院 WHUT52、自重的动载效应1）起升
3、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：1PG 的取值：0.9 1.1 1112022-8-9物流工程学院 WHUT62）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：4PG 的取值：有轨运行：4 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h2mm无轨运行：运行速度2050km/h 沥青路：1.5石子路：2.044442022-8-9物流工程学院 WHUT73、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
4、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2022-8-9物流工程学院 WHUT8二、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QPQPQPQPrGrQGQheGrheQGGheG2022-8-9物流工程学院 WHUT92、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：2QP2 的计算：22022-8-9物流工程学院 WHUT10离地起升，结构及钢丝绳滑轮组动力学模型 、分别表示
5、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）1m2m2k1k0y02022-8-9物流工程学院 WHUT11静位移：00syy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：00(dycvyg20011()cvg y 所以 经过检验的修正的理论公式。说明: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 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 QP22022-8-9物流工程学院 WHUT12式中：c操作参数 由
6、 P29.表2-1查取 v额定起升速度，m/sg重力加速度.g=9.8m/s 对桥式起重机.0()7001000LLy 0yL-跨度，m 对门座起重机.0()200250RRy R-最矢幅度。21000.0029mH(H起升高度)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;210200ymym1m2m2022-8-9物流工程学院 WHUT13说明：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；若标出 1.1，则取 =1.1。初步设计时，也可按P29.表22推荐的公式计算 可由理论分析和实验研
7、究的结果选用。222222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1.25 1.4 1.55臂架、人字架、转盘1.2 1.3注：括号外用于吊钩式，括号内用于抓斗式。2022-8-9物流工程学院 WHUT142）运行冲击系数
8、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：23321(1)mm 系数：抓斗起重机 =0.5 电磁起重机 =1.033333P4P42022-8-9物流工程学院 WHUT15三、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:=1.5mam运行部分的质量，（起升载）kg;a运行起，(制)动的平均加速度，a=2,smtviPv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），GQ
9、mmmiPzP对于自动式运动机构：(粘着力)，车轮逆向的滑动摩擦系数；=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。2022-8-9物流工程学院 WHUT162.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。inPinP2022-8-9物流工程学院 WHUT17 1）集中质量惯
10、性力：法向：=m r (N)角速度 =602 n其中n为四杆速度.转/分切向：=mr (N)平均角加速度.=t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2winPitP2022-8-9物流工程学院 WHUT182）均布质量惯性力.（以臂架为例）任意截面处单位长的质量：臂架重量该处的单位长度质量惯性力：bmglGbG21.5inmwPr1.5inmPrinPinP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：rMe Me换算到起重机回转轴上的极限摩擦力矩。2022-8-9物流工程学院 WHU
11、T193.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。2022-8-9物流工程学院 WHUT204.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2022-8-9物流工程学院 WHUT21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 20
12、22-8-9物流工程学院 WHUT221)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（sn）(线特性)sn (常力特性)2cmvcPcP2022-8-9物流工程学院 WHUT23注：n为同时撞击的缓冲器的个数cP 2 /ns (线特性)=/ns (常力特性)cEcE2)两起重机相向碰撞 21 2()ccEm2022-8-9物流工程学院 WHUT24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：vmtf
13、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)111()cctfm vv 222()cctfmvv+.并整理得：212211mmvmvmvccc碰撞后两运动质量同步移动速度2022-8-9物流工程学院 WHUT252221212121 2()1 2()()ccccvvmmvmmE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）)(2)(2122121mmvvmmEccc 缓冲器做功：线特性：cwPs n 由 有：cEw2ccPEns3)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
14、荷动载系数.查P36.表23.777cP 2022-8-9物流工程学院 WHUT265.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。2022-8-9物流工程学院 WHUT27:工作状态的最大风载荷 非工作状态的最大载荷wP,w iP,w oP1）风载荷的计
15、算：whc kq AP 式中（1）q风压，q的取值：根据使用地区的统计风速计算.2N m222222qvrgvg 为密度 取平均重度 312N m30.163qv根据地域，工作状态等由p37表2-4及表下注明中选取。2022-8-9物流工程学院 WHUT28（2）c风力系数（体型系数）定义：cqq实理2(2(qqPPv理理（总）静压）动压）（）空气密度.=(重度)/g2q2vg理 :由模型（风洞）实验获得，与构造形状，尺寸等有关q实c查p39.表2-82022-8-9物流工程学院 WHUT29(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
16、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）单片结构：充实率，依结构类型查表2-6；结构外轮廓面积两片结构：（并列，等高）;挡风系数，根据万片结构的及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.h Kh Kh K1A=A1A11122 12 A=A+A=AA 2022-8-9物流工程学院 WHUT302)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。whPck qA风振系数，查下表：的近似值结构的自振频率f
17、(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。2022-8-9物流工程学院 WHUT31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：mkf212022-8-9物流工程学院 WHUT326.偏斜运动侧向力Ps(有轨)引起偏斜运动的原因：（1）两
18、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=(P)/2,式中；侧向力系数，由L/B表查P42，图2-16 B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）GPQP2022-8-9物流工程学院 WHUT337.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 起升绳偏摆角1）引起起升绳偏摆的原因：回转，变幅水平惯性力风力操作因素（如拖钩作业等）。2）水平
19、力下的计算：,起升绳摆角：工作状态最大偏角 （类偏摆角）工作状态正常偏摆角 （类偏摆角）=（0.30.5）查P328表11-3。QTP tg2022-8-9物流工程学院 WHUT3423载荷的计算组合基本：；：()附加：，i，特殊：，o，,1 GP4 GP4 QP1 QPQPGP5 iPiPwPsPwPcPstPdtP注：以上载荷不可能同时作用在结构上，它们同时作用的机率与起重机类型，使用场合，工作情况等有关。如：不同类型；有轨：回转式：Pit,Pin 无轨：桥 式：Pit,Pin 不同场合：室内：室外:sPwP2022-8-9物流工程学院 WHUT35工作状态：工作：PQ，Pw,i 非工作：
20、，Pw,o计算工况（如桥吊）：大车不动，小车运动起制动：（小车）大车运动起制动，小车不动：（大车）iPiP1.组合原则：根据起重机的实际工况，将同一工况下可 能同时作用在结构上的载荷进行组合，作为 结构设计的依据。2022-8-9物流工程学院 WHUT362.组合种类：（P44表210）说明：表210是组合总表，各类起重机组合表见下篇：例：P222 P262 P263。2022-8-9物流工程学院 WHUT3724，结构承载能力的计算方法一.结构安全工作的条件：二、承载能力的计算方法 构件或连接的标准（极限）抗力。s 或crn安全系数 pmnnnnnkR2022-8-9物流工程学院 WHUT3
21、8两种方法的主要原则：1.许用应力法采用单一的系数考虑安全度 极限状态法采用分项系数考虑安全度；2.许用应力法中，,归为抗力项 极限状态法中，,归为载荷项 本教材的压弯构件稳定性计算中引入了 “极限状态法”安全考虑情况。pnpnnnnn2022-8-9物流工程学院 WHUT3925强度设计准则及许用应力、静强度设计原则：当 时()0.7sb s(zsn）注意：1.n，与载荷组合类别相应 的值，详见表211；2.当材料的屈强比(s/b)0.7时，屈服后的强度储备减小。=nbs35.0.02022-8-9物流工程学院 WHUT40二、疲劳强度计算1.基本概念 1）疲劳破坏：结构在变化应力作用下，当
22、变化应力重复次数达到某一数值时而产生的突然断裂。2）疲劳强度：疲劳破坏前所能承受的最大应力。2.决定疲劳强度的主要因素：1）结构工作级别表征结构工作繁重程度的参数。级别划分：A1A8（级别越高越繁重）级别确定：（1）根据结构应力循环等级U0U9 （2）根据结构应力状态即名义应力谱 系数K以上数据查表2132022-8-9物流工程学院 WHUT41起重机应力循环等级应力循环等级总的应力循环次数起重机使用情况应力循环等级总的应力循环次数N起重机使用情况U01.6104U55.0105常中度使用U1U23.21046.3104不常使用U61.0106较繁忙的使用U72.0106繁忙的使用U31.25
23、105U84.0106U42.5105常轻度使用U94.0106特别繁忙的使用2022-8-9物流工程学院 WHUT42 应力谱系数 的计算式选取若已知结构实际应力变化情况，按下式计算miNn)(max =式中：第i个起升载荷产生的应力，、应力 的出现次数；N 总的应力循环次数，N=;额定起升载荷产生的应力；m 指数，对结构取m=3;akakaki1i23niinmaxin2022-8-9物流工程学院 WHUT43若不知应力变化情况，可由下表（根据经验）选取起重机结构应力状态及名义应力谱系数 应力状态名义应力谱系数构件应力说明S1小0.125通常承受很小的应力，很少受最大应力S2中S3大0.2
24、50.50通常承受中等的应力，偶尔受最大应力通常承受较大的应力，有时受最大应力S4特大1.00经常有规律地地承受最大应力akak起重机设计规范规定：A6、A7、A8的结构件应验算疲劳.2022-8-9物流工程学院 WHUT442）材料种类：Q235、16Mn16Mn对疲劳较Q235敏感。强度、硬度、疲劳 3）应力集中情况等级(详见P365368)焊接件：（共5级）疲劳强度高低非焊接件：（共3级）疲劳强度高低4）应力循环特性的定义：对于受拉、受压：=min/max;对于受剪：=min/max min、max、min、max按 组合工计算的疲劳计算点的计算应力，计算时应带各自的“+”、“-”号。注
25、：不同机型min、max计算规定见下篇各章。0k4k0w2w2022-8-9物流工程学院 WHUT45结论：不同工作级别，不同材料，不同的应力循环 特性，不同的结构形式，连接方式、形状 即应力集中情况不同时，疲劳强度不一样。2022-8-9物流工程学院 WHUT463.疲劳强度设计准则：构件（或连接）承受正压力时：构件（或连接）承受剪力时：构件（或连接）同时承受正应力和剪应力时；1.12maxmaxmaxmax2maxrxyxyryrxyxryyrxx表示构件复合应力作用下的相关公式。上式中各符号的意义见P53.疲劳许用应力：拉伸时表为 ;压缩时表为：见P53.表2-14。maxmaxtc20
26、22-8-9物流工程学院 WHUT47影响疲劳强度的四个主要因素反映在疲劳许用应力中。疲劳强度计算的关键：疲劳许用应力的确定。按表2-14计算如：当0，以拉伸为主时，疲劳许用应力基本值，根据结构材料，工作级别，应力集中情况等级查P369，附表4 =-1；在=-1条件下由试验及疲劳损伤理论获得各种工作级别，各种材料，各种应力集中情况等级的 ，（称条件疲劳极限）33.1,1rdn-1，当-11时：试验：，和的关系，并考虑安全系数n=1.33,任意下的 见表2-14。注:、为按组合I 计算的疲劳验算点的最小和最大应力。11.67(1 0.67)t 111,d1,dbmaxmin2022-8-9物流工
27、程学院 WHUT484.疲劳验算部位举例：1）箱形截面桥式起重机主梁验算部位：受拉下翌缘横向对焊接缝及附近全体金属同时受较大正应力，剪应力的腹极受拉区，验算横向加劲助下端焊缝附近腹极的疲劳强度。2）门座起重机大拉杆的接头处焊缝 2022-8-9物流工程学院 WHUT49疲劳强度计算小结2022-8-9物流工程学院 WHUT5026稳定性设计准则一、第一类稳定性问题的设计准则当NNcr时，稳定的直线平衡状态当N=Ncr时，可能为直线平衡状态，可能为微曲平衡状态（随遇平衡）当NNcr时，可能为不稳定的直线平衡状态；可能为稳定的曲线平衡状态。结论：当NNcr时出现平衡分支点2022-8-9物流工程学
28、院 WHUT51特点：具有平衡分支点，变形由量变到质变设计原则：1.轴心压杆的整体水平条件：为轴心压杆稳定系数 nk考虑初始缺陷的安全系数2.平面弯曲构件的整体稳定性条件：w受弯构件的整体稳定性系数3.受压应力 ，剪应力，局部压应力 的平板 局部稳定性条件：)(3121板局部稳定性许用应力crmmzs crksn w wcrs1m2022-8-9物流工程学院 WHUT52二、第二类稳定性问题的设计准则设计准则：考虑设计原则 一阶应力 二阶应力 强度许用应力 （用二阶应力的强度来代替稳定问题）弹性设计准则：不允许构件截面有塑性扩展smn2022-8-9物流工程学院 WHUT5327刚性的设计准则
29、：结构刚性（刚度）：抗变形能力静刚度；抗振动能力动刚度。一、静刚度设计准则：1.桥式类型起重机主架：满载小车位于跨中和悬臂段工作位置时，主梁对应截面在移动载荷（额定起升载荷和小车自重载荷之和，不计动力系数）作用下的扰度值。许用扰度值，见P56.表215.2.流动起重机的箱形伸缩臂：及 详见P56LLyyLLyyLyLyLyLy2022-8-9物流工程学院 WHUT543.轴心受力构件：构件的长细比，式中：r为截面回转半径 构件计算长度 为长度系数r截面回转半径:AIr I为截面惯性矩 A为毛截面积 许用长细比，见表216.（P57）0l0lrl r2022-8-9物流工程学院 WHUT55二、动刚度设计准则：ff(用户要求时才计算)f-端载起重机的基频频率:002gfy f许用基频频率：（Hz）电动桥式：f=2 Hz（小车满载位于跨中）门座式：f=1 Hz（满载时）2022-8-9物流工程学院 WHUT56本章完
