载荷计算及结构设计准则

第二章载荷计算及结构设计准则n结构金属结构的重要作用就是骨架作用。所以保 证机械工作安全、可靠和良好的工作性能是 结构设计的终极目标，合理分析和计算载荷 、确定设计计算准则就是首先关注的问题。n本章学习的重点 1）载荷计算2）载荷组合 3）强度、刚度和稳定性设计总则 §2.1载荷计算与载荷系数一，载荷分类载荷分类是载荷组合的依据1.常规载荷（自身重量、起升货物的重量、 惯性载荷） 2.偶然载荷（偏斜运动侧向载荷、工作风载荷 等）3.特殊载荷（非工作风载荷，碰撞载荷、试 验载荷等） 4.其他载荷（运输安装载荷、工艺、走台载荷 等）§2.1.1自重载荷的确定和计算一、自重载荷PG及其动载效应 1. PG的估算（设计前无法知道） 1）参考技术参数相近的同类产品 2）利用手册、样本、参考书和文献中的经验公式 3）逐步逼近法（初步内力计算、选择截面、计算重 量） 2. 其动载效应 1）起升冲击系数1描述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。（ 0.90.4m/s，4=1.3; 2）对于履带式起重机； 运行速度0.4m/s，4=1.1 3）对于轨道式起重机 轨道接头状态良好，4=1.0； 轨道接头状态一般， Vy运行速度，单位m/s； h轨道接头处的高度差，单位mm； §2.1.2起升载荷的确定和计算二，起升载荷PQ及其动载效应1.PQ的计算 吊钩式：PQQ+Ghe+Gr Ghe取物装置的重量；Gr 悬挂长度大于50m时起升钢丝绳重量；Q起升货物的额定重量；抓斗式：PQQ+Gr 对于抓斗、电磁吸盘或容器式等作为取物装置时，Q 中包含有Ghe。§2.2载荷的确定和计算2.起升载荷的动载效应 1）起升载荷的动载系数2起升质量离地起升 或下降制动过程中的动载效应。 其理论分析的简化模型：§2.2载荷的确定和计算nm1、k1分别表示主梁及小车在悬挂处的 换算质量及刚度系数nm2、k2分别表示起升质量和钢丝绳滑轮 组的刚度系数n y0在起升载荷作用下，起升质量悬挂 点处的静挠度（位移）n 0在起升载荷作用下，钢丝绳滑轮组 的静挠度（位移）§2.2在起重机械中的应用n静位移：ys=y0+0n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：nC操作参数 ;结构质量影响参数. 1+n2的定义计算的2=y/ys=1+yd/ys=1+cv§2.2载荷的确定和计算规范推荐的计算方法：n2min、2与起升状态级别有关的系数；取 值见表10（P10） n起升状态级别分为HC1、HC2、HC3、HC4 四个级别，规范附录C（P132）。 nVq稳定起升速度；取值见表11（P11）n对于建筑塔式起重机和港口臂架起重机不超 过2.2，其他起重机不超过2.0. §2.1.2起升载荷的确定和计算2）运行冲击系数4考虑运行机构路径不平路面或轨 道接头时所造成的起升载荷的动载效应。 与自重载荷4的相同处理方法。 3）突然卸载冲击系数起升质量部分或全部脱卸时、 对结构产生的动态减载作用。3=1-nm突然脱卸质量； nm起升质量； n3类别系数：抓斗起重机3=0.5电磁起重机3=1.0 §2.1.3惯性载荷的确定和计算三，惯性载荷Pi及其动载效应 指运行、旋转和变幅机构作刚体变速运动或刚体 回转运动所产生的水平惯性力。 1，运行惯性力m运行部分的质量； a运行起、制动的平均加速度； 5为考虑猛烈起制动的动载效应； 对于自行式的运行机构，运动惯性力的最大值不大于主 动轮与轨道之间的静摩擦力；§2.1.3惯性载荷的确定和计算对于自行式的运行机构，运动惯性力的最大值不 大于主动轮与轨道之间的静摩擦力；Pz运行机构主动轮的总静态轮压； 静摩擦系数； 室外：=0.12 室内：=0.15 轨道抛沙：=0.25§2.1.3惯性载荷的确定和计算§2.1.3惯性载荷的确定和计算以上是计算法向惯性力和切向惯性力的通式。 所有法向惯性力的合力称为法向惯性力的主矢。其大小 等于总质量与其质心法向加速度的积；切向惯性力的 主矢等于回转部分的总质量与质心的切向加速度的积 。必须指出，切向主矢的作用点并不在质心处。因而切向 惯性力对于回转轴的合力矩（主矩）并不等于切向惯 性力与质心半径的乘积§2.1.3惯性载荷的确定和计算计算起重机回转的下部支撑结构，知道主矢主矩 就够了，而对于上部结构而言就必须惯性力 的分布情况了。下面讨论工程上的实际处理 方法： 1）集中质量的处理方法 其惯性力的计算为：注意挠性悬挂的起升质量，回转半径r的确定，应 考虑在法向力作用下的偏摆影响。§2.1.3惯性载荷的确定和计算2）分布质量的处理方法§2.1.3惯性载荷的确定和计算§2.1.4偏斜载荷的确定和计算四，偏斜运行侧向载荷 偏斜运行侧向载荷,是指装有车轮的起重机或小车在作 稳定状态的纵向运行或横向移动时,发生在它的导向装置( 例如导向滚轮或车轮的轮缘)上,由于导向的反作用引起的 一种偶然出现的载荷。产生的原因： 1）车轮组的制造误差。 2）车轮组的安装误差。（ 同轴度、垂直度和平行度 ） 3）轨道的安装误差。（跨 度不准、轨道不直） 4）运行阻力不同。§2.1.4偏斜载荷的确定和计算计算方法：侧向载荷系数,与跨度S和 基距B(或有效轴距c)的比值有关, 见下图 P起重机承受侧向载荷一侧 的端梁上与有效轴距有关的相应车 轮经常出现的最大轮压之和(与小 车位置有关。此处 P不是“最不利 轮压”“极限轮压”,而是指运行状态 下的最大轮压,不考虑各种动力系 数。§2.1.4偏斜载荷的确定和计算各种组合车轮组轮压和的示意图§2.1.6坡道载荷的确定和计算六，起重机的坡道载荷,是指位于斜坡(道、轨)上的起重 机自重载荷及其额定起升载荷沿斜坡(道、轨)面的分力 。坡道载荷可能是运行的阻力(上坡),也可能是运行的 动力(下坡)。在运行机构、回转机构的计算以及整机抗 倾覆稳定性计算时,需要考虑坡道载荷。起重机的坡道载荷按下列规定计算: (1)流动式起重机:需要计算时,按路面或地面的实际情况考 虑; (2)轨道式起重机:当轨道坡度不超过0.5%时不考虑坡道载 荷,否则按出现的实际坡度 计算坡道载荷。§2.1.7风载荷的确定和计算七，风载荷及风振对露天工作的起重机应考虑风载荷Pw的作用。已知风速或风压条件下，风载荷的计算：q风压； V风速，m/s； C风力系数；依据物体的外形而定； A有效的迎风面积； 空气的密度，单位kg/m3 标准值约为1.25kg/m3 计算风速（3s时距瞬时风速）、风压和阵风风速（10min时距的平均风速）和蒲福风力等级（017共十八级）之间的关系 §2.1.7风载荷的确定和计算起重机的风载荷分为工作状态风载荷和非工作状态风载 荷两类。风压 工作风压工作中经常风压qI和允许起重机工作的最大 风压qII。 非工作风压不工作情况下所能承受的最大风压qIII。 如考虑风压的高度变化系数，则： Kh分段计算。数值见表P48 风力系数 1）单片结构或构件，规范P49 2）多片结构，取第一片结构的风力系数，§2.1.7风载荷的确定和计算结构挡风系数；见P0 第一片结构的充实率；实体面积与结构轮 廓面积之比。 风振 当自振周期T=0.5s时的高耸塔桅结构，增大 45%； 结构自振周期T与相应的风振系数参见用建筑 载荷规范§2.1.8偶然载荷中的其他载荷八，冰雪载荷对于某些地区,应当考虑雪和冰载荷。也应考虑由于 冰、雪积结引起受风面积的增大。见（建筑设计规范 ） 九，温度载荷一般情况不考虑温度载荷;但在某些地区,如果起重机 在安装时与使用时温度差异很大，或者跨度较大的超 静定结构(如跨度达m以上的双刚性支腿的门式起重 机),则应当考虑因温度变化引起结构件膨胀或收缩受到 约束所产生的载荷,本项载荷的计算可根据用户提供的 有关资料进行。§2.1.10碰撞载荷的确定和计算十，碰撞载荷及其动载效应 计算依据：刚性假定。 1，碰撞轨道终端缓冲器 2，互撞情况 Vc1、Vc2V理论上的碰撞力PCi 1）线性特性的缓冲器§2.1.10碰撞载荷的确定和计算2， 常力特性碰撞速度的确定 1）无可靠限速和减速安全装置时，85%的大车 速度，100%小车速度。 2）实际碰撞速度50%的额定速度动载效应系数7： 对于具有线性特性的缓冲器(如弹簧缓冲器), 7的值取为1.25; 对于具有矩形特性的缓冲器(如液压缓冲器),7的值取为1.6;§2.1.11其他特殊载荷的确定和计算十一，试验载荷 静态试验载荷：125%额定载荷； 动态载荷：110%额定载荷，试验风速8.3m/s注意：在验算超载动态工况时，应再乘以下式 给出的动载系数： 十二，意外停机载荷 十三，机构和部件失效载荷 十四，基础外部激励载荷 十五，安装拆卸和运输载荷§2.1.12其他载荷1，工艺性载荷起重机在工作过程中为完成生产工艺需要进行的动作而产 生的载荷称为工艺性载荷,由起重机用户或买方提出。一般 将它作为偶然载荷或特殊载荷进行考虑。 2，走台、平台和其他通道上的载荷这些载荷都是局部载荷,只作用在起重机结构的这些局部部 位及直接支承它们的构件上。这些载荷的大小与结构的用 途和载荷的作用位置有关,如在走台、平台、通道等处应考 虑下述载荷:(1)在堆放物料处:3000N/m2;(2)在只作为走台或通道处:1500N/m2;(3)在栏杆上作用的水平力:不小于300N。§2.2载荷的计算组合起重机的基本载荷、附加载荷和特殊载荷不可能同时起 重机结构上，那些载荷同时出现的概率与起重机的种 类、使用场合和工作情况有关。 所以载荷组合的原则就是： 根据起重机的实际使用工况，将同一工况下可能同时 出现的载荷进行组合，以此作为结构设计的依据。 一，载荷组合的种类 a）A无风工作情况； b）B有风工作情况； c）C受特殊载荷使用的工作情况和非工作情况； 每类载荷情况中，与可能出现的使用情况相对应，又有 若干个可能的具体载荷组合。§2.2载荷的计算组合A类载荷组合共四种工况（A1A4） 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 荷及其他气候影响产生的载荷，此时只应与正常操作控制下的其他驱动结构 (不包括起升机构)引起的驱动加速力相组合。 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 及其他气候影响产生的载荷,此时应与载荷组合A1中的驱动加速力组合。 B类载荷组合共五种工况（B1B5） B1起重机在正常工作状态下,元约束地起升地面的物品,有工作状态风载 荷及其他气候影响产生的载荷。此时只应与正常操作控制下的其他驱动结构 (不包括起升机构)引起的驱动加速力相组合。 C类载荷组合共五种工况（C1C9） C5起重机在正常工作条件下,作用有挂舱载荷,即吊具或吊钩以最大起升 速度起升的过程中突然被船舱内的栅格卡住,或者偶然的由于角件未脱出导 致集装箱吊具同时起吊两个锁紧的集装箱,致使起升钢丝绳承受突加的特殊 载荷。§2.2载荷的计算组合二，载荷组合表 1，如何应用载荷组合表。根据所设计起 重机的工况要求的实际情况，按照规范表20或 附录G中的相应载荷组合，进行计算。 2，结构的疲劳强度应按照A1A4计算；只有 在某些特殊的应用实例中，才考虑一些偶然的 载荷及特殊载荷；强度和稳定性按照B类和C 类载荷组合计算。 3，当高危险度系数为1时，安全系数就是强度 系数fi。§2.4结构承载能力的计算方法结构设计的目的是: 在可靠地满足结构功能的前提下,使所设计的结构经济合 理。对起重机金属结构的要求有: （l）结构应能承受在正常工作状态(包括无风工作情况和 有风工作情况)和非工作状态下可能出现的各种载荷,而不 发生强度失效和结