橋式起重機(jī)箱形主梁疲勞強(qiáng)度的驗算

蘇宗萬 上海鐵路局科研所

1 驗算點的確定

路內(nèi)機(jī)務(wù)、車輛、裝卸等單位所用的雙梁橋式起重機(jī)大多采用正軌箱形梁，工作級別一般屬于A5級，工作級別的劃分是以金屬結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計理論為依據(jù)的。在起重機(jī)的使用過程中，組成起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)件，特別是主要受力構(gòu)件通常是不可更換的，一般要求做到與起重機(jī)整機(jī)同步報廢或停止工作，按照《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》（GB/T3811-2008）表9及附錄表B.4可以發(fā)現(xiàn)，采用結(jié)構(gòu)件的工作級別E4以上級別相當(dāng)于整機(jī)工作級別的A5級以上級別，需要進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的驗算和校核，即新規(guī)范提高了起重機(jī)結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計要求，根據(jù)新規(guī)范A5級校核疲勞強(qiáng)度比原規(guī)范A6級要求低一級。這要求對A5級不但要進(jìn)行主梁的靜強(qiáng)度、靜剛度和穩(wěn)定性驗算和校核，也要進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的驗算和校核。但是，由于設(shè)計和使用人員沒有重視疲勞強(qiáng)度的驗算和校核，主梁出現(xiàn)疲勞破壞的事例屢見不鮮。主梁的疲勞強(qiáng)度取決于結(jié)構(gòu)件的工作級別、材料種類、應(yīng)力變化情況及結(jié)構(gòu)件連接的應(yīng)力集中等級等?，F(xiàn)根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》

主梁的疲勞強(qiáng)度經(jīng)常發(fā)生在最大正應(yīng)力、最大剪應(yīng)力或者正應(yīng)力和剪應(yīng)力都較大的位置附近，而且主要發(fā)生在受拉區(qū)。橋式起重機(jī)的主梁在跨中截面附近有最大的正應(yīng)力，在1/4跨度截面內(nèi)的正應(yīng)力和剪應(yīng)力都比較大，在跨端有最大的剪應(yīng)力，根據(jù)設(shè)計實踐在跨端的剪應(yīng)力不予考慮。因此對橋式起重機(jī)來說，只需驗算跨中和1/4跨度截面的副腹板下角點，它們均是受拉區(qū)。

2 應(yīng)力集中等級的確定

按照《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》（GB/T3811-2008）附錄O的規(guī)定，對一個角焊縫接頭進(jìn)行縱向拉伸、壓縮或縱向剪切時，應(yīng)力集中等級可定為K0類；凡屬隔板用雙面貼角焊縫與翼緣板和腹板相連，隔板帶有切角的情況，應(yīng)力集中等級可定為K3類。因此，在計算跨中和1/4跨度截面的副腹板下角點時應(yīng)力集中等級可分別取為K3和 K0類。

3 計算最大應(yīng)力和最小應(yīng)力

計算結(jié)構(gòu)件疲勞強(qiáng)度時，按規(guī)范規(guī)定，應(yīng)用A類載荷組合進(jìn)行。計算主梁跨中截面疲勞強(qiáng)度時，應(yīng)使?jié)M載小車位于跨中最不利位置，在最大彎矩作用截面求出計算點的應(yīng)力，作為最大應(yīng)力絕對值；然后使空載小車移至端部極限位置，求出跨中與最大應(yīng)力同一計算截面的同一點上的應(yīng)力作為最小絕對值。

計算1/4跨度處的截面疲勞強(qiáng)度時，使?jié)M載小車位于1/4跨度處，在計算點求出的應(yīng)力作為 σmax和τmax的絕對值。使空載小車位于遠(yuǎn)端的極限位置，求出與最大應(yīng)力同一計算截面的同一點上的應(yīng)力作為σmin和τmin最小絕對值。

4 應(yīng)力循環(huán)特性γ的計算

應(yīng)力循環(huán)特性γ按以下公式計算（代入時應(yīng)含各自的正負(fù)號，拉應(yīng)力為正、壓應(yīng)力為負(fù)）。對橋式起重機(jī)主梁，跨中截面主要承受正應(yīng)力（τ≈0）γ=σmin/σmax，1/4跨度處的正應(yīng)力和剪應(yīng)力都比較 大 γx=σxmin/σxmax，γy=σymin/σymax，γxy=σxymin/σxymax。由于計算點在截面的下角點，可按單向力考慮，即σy=0。

5 疲勞強(qiáng)度的驗算

5.1 跨中最大彎矩截面

（1）根據(jù)起重機(jī)的工作級別和應(yīng)力集中等級，從《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》（GB/T3811-2008）的表33中可查得疲勞許用應(yīng)力基本值[σ-1]。

（2）根據(jù)[σ-1]和應(yīng)力循環(huán)特性 γ，按規(guī)范中的表31可計算出疲勞許用應(yīng)力[σγ]和[τγ]。

（3）若有 σmax≤[σγ]，則跨中最大彎矩截面的疲勞驗算合格。

5.2 1/4截面

（1）按照（1）節(jié)的①和②過程計算出[σγ]和[τγ]。

（2）若有 σmax≤[σγ]，τmax≤[τγ]，（σmax/[σγ]）2+（τmax/[τγ]）2≤1.1，則 1/4 跨度截面的疲勞驗算合格。

6 計算實例

現(xiàn)以某段起重量20 t，跨度22.5 m，工作級別A5，材料Q235的正軌箱形梁起重機(jī)為例，對主梁進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的驗算。計算簡圖和截面幾何尺寸如圖1和圖2所示。

圖1 計算簡圖

圖2 截面幾何尺寸

6.1 主要參數(shù)

Q=20 t，L=22500 mm，P1=71000 N，P2=65540 N，R=136540 N，R'=7154 N，b=2400 mm，b=1152 mm，主梁自重 PG=76500 N，q=3.4 N/mm。主梁截面特性：Ix=6.34×109mm4；Wx=1.06×107mm3；Iy=1.21×109mm4；Wy=0.494×107mm3。

6.2 跨中截面最大應(yīng)力和最小應(yīng)力計算

小車輪壓引起的彎矩：M垂=RL/4(1-2b1/L)=6.89×108N.mm

主梁自重引起的彎矩：M，垂=qL2/8=2.15×108 N.mm，

M，水=0.11×108N.mm

計算彎矩時?。害?=1.1，ψ2=1.15

最大應(yīng)力為：

最小應(yīng)力計算時，空載小車位于端部極限位置，作上述同樣計算得：(σl/2)min=30.1 N/mm2

同理可計算出1/4跨度處截面的最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力：

空載小車位于端部極限位置，最小應(yīng)力：(σl/4)min=21.9 N/mm2。

6.3 計算應(yīng)力循環(huán)特性 和疲勞許用應(yīng)力[σγt]

跨中截面構(gòu)造、應(yīng)力集中等級為K3，材料 Q235，σb=380 N/mm2，[σ-1]=71.4 N/mm2，代入規(guī)范中的表31式

得：

1/4跨度處的截面構(gòu)造，應(yīng)力集中等級為 K0，[σ-1]=42.8 N/mm2，×0.254=88.3 N/mm2

1/4 跨度處，相應(yīng)的[τγt]經(jīng)計算得：

6.4 驗算疲勞強(qiáng)度

正應(yīng)力和剪應(yīng)力同時作用應(yīng)滿足：（σmax/[σγ]）2+（τmax/[τγ]）2≤1.1，即（86.3/88）2+（7.52/167）2=0.96＜1.1

根據(jù)以上計算結(jié)果，可以得出跨中最大彎矩截面和1/4跨度截面的疲勞驗算合格。

7 小結(jié)

對于正軌箱形橋式起重機(jī)特別是大起重量的起重機(jī)，由于主梁處于橋架系統(tǒng)中，它既受端梁和小車軌道的約束，又要受小車承載的隨機(jī)變量的作用，同時還要受環(huán)境溫度的影響與自然力的作用，為此主梁易于產(chǎn)生疲勞破壞，并且主梁通常是不可更換的主要結(jié)構(gòu)，應(yīng)按照《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》（GB/T3811-2008）的要求進(jìn)行疲勞強(qiáng)度驗算。