偏心導致的結(jié)構(gòu)承載能力下降的設(shè)計修正

華電重工股份有限公司上海分公司　崔玉華　姚　欣

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偏心導致的結(jié)構(gòu)承載能力下降的設(shè)計修正

華電重工股份有限公司上海分公司崔玉華姚欣

摘要：起重運輸機械鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，有時為了避免干涉，會設(shè)計出偏心的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)會造成附加彎矩的產(chǎn)生，從而導致結(jié)構(gòu)從拉壓構(gòu)件變成壓彎或拉彎構(gòu)件的情況。分析了這種結(jié)構(gòu)的危害，并結(jié)合實例介紹了其修正方法。

關(guān)鍵詞：偏心結(jié)構(gòu)； 附加彎矩； 壓彎

1引言

在起重運輸機械設(shè)計中，結(jié)構(gòu)特別是傳力結(jié)構(gòu)存在偏心往往會產(chǎn)生較大的危害，因為軸力構(gòu)件產(chǎn)生了附加彎矩。結(jié)構(gòu)設(shè)計之所以會出現(xiàn)偏心結(jié)構(gòu)，主要是因為在結(jié)構(gòu)設(shè)計時為了避免干涉或者給附屬的設(shè)備留下空間。而一般情況下，沒有偏心的結(jié)構(gòu)在滿足規(guī)范要求下，都足以承受比工作載荷大得多的載荷。設(shè)計人員會認為較小的偏心不會造成結(jié)構(gòu)承載能力的嚴重下降，因此忽略了偏心的危害。

本文通過分析和比較偏心結(jié)構(gòu)和非偏心結(jié)構(gòu)受載后的強度，說明了偏心構(gòu)件的危害，并列舉了幾個實際項目的偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計來說明這個問題以求避免在今后的設(shè)計中出現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)，保證設(shè)計出來的產(chǎn)品的安全性，同時也避免設(shè)計返工，浪費時間，增加成本。

2偏心構(gòu)件受力分析

為了分析偏心結(jié)構(gòu)的受力，本文利用一個簡單的懸臂梁受壓結(jié)構(gòu)在受載后的強度來說明，見圖1。結(jié)構(gòu)的截面為箱梁，其中翼緣板寬200 mm,翼緣板厚12 mm；腹板高300 mm，腹板厚10 mm。

圖1　軸力構(gòu)件及偏心構(gòu)件

圖2為懸臂形式的軸力結(jié)構(gòu)和偏心結(jié)構(gòu)的受力簡圖，載荷為40 t。

圖2　軸力構(gòu)件和偏心構(gòu)件受力簡圖

懸臂梁沒有偏心時只受壓，截面的面積為A=10 800 mm，壓力F=40 t。通過計算，截面的壓應力為σ=36.33 MPa。同理，對于偏心結(jié)構(gòu)，BC段梁近似為受壓構(gòu)件；而AC段為壓彎構(gòu)件,偏心距為500 mm，附加的彎矩為M=1.962E+8 Nmm，軸力為F=40 t。截面慣性矩Ix=1.618 7E+8 mm3，翼板上側(cè)的截面抗彎模量Wx=1.038E+6。截面的彎曲應力σM=189 MPa，綜合應力σ=225 MPa。偏心結(jié)構(gòu)箱梁截面的最大應力比非偏心結(jié)構(gòu)的應力增大了6.2倍。對于偏心結(jié)構(gòu)，附加彎矩隨偏心距的增大而增加。

通過有限元分析可知，結(jié)構(gòu)不存在偏心時，箱梁應力只有35 MPa左右，承載能力有非常大的余量，一旦發(fā)生偏心時，AC段的受壓側(cè)翼板應力大大超過Q345材料許用值，結(jié)構(gòu)將發(fā)生破壞。

3條形料場取料機橫梁偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計及修改

圖3　固定端下橫梁偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度結(jié)果

為了更好地說明偏心結(jié)構(gòu)的危害，首先以某條形料場取料機為例，在最初設(shè)計時， 為了避免固定端鋼結(jié)構(gòu)和臺車組的干涉，將固定端下橫梁設(shè)計為偏心構(gòu)件，見圖3。 橫梁1和2梁高900 mm,中心線在豎直方向上偏差了600 mm。由于取料機行走取料過程中，存在很大的側(cè)向力，而刮板機支架的長度較長，作用在刮板機根部的彎矩很大。而載荷大部分需要通過下橫梁傳遞到臺車組，下橫梁的軸力很大，而偏心結(jié)構(gòu)又產(chǎn)生了很大的附加彎矩，因此通過有限元分析后發(fā)現(xiàn)，下橫梁的應力超過了《GB3811-2008 起重機設(shè)計規(guī)范》[1]中的I類工況許用的230 MPa，結(jié)構(gòu)設(shè)計不滿足使用要求。

通過分析表明，下橫梁作為刮板機側(cè)向力的主要傳力結(jié)構(gòu)，存在著較大的軸力，因此偏心結(jié)構(gòu)會造成較大的彎矩，駝是造成下橫梁應力過大的根本原因。通過修改設(shè)計將橫梁1設(shè)計成傾斜和橫梁2對接，中心線相交于一點。這樣既解決了橫梁和車輪干涉的問題，又避免了結(jié)構(gòu)偏心，修改后的設(shè)計和在同樣載荷下的強度計算結(jié)果見圖4。

圖4　固定端下橫梁無偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度結(jié)果

從圖4中可以看出，在梁截面不變的情況下，僅僅將偏心結(jié)構(gòu)改為非偏心結(jié)構(gòu)，在橫梁對接處，結(jié)構(gòu)的應力從超過規(guī)范要求減小為滿足要求且有足夠大的余量。因此合理的設(shè)計，可以在不增加材料使用量的情況下，提高承載能力，且存在優(yōu)化空間。

4堆料機結(jié)構(gòu)偏心設(shè)計及修改

圖5為圓形料場取料機上部回轉(zhuǎn)平臺的簡圖。其中3為配重側(cè)的鉸耳，5為前臂架側(cè)的鉸耳，3為組成框架主體的工字梁，鋼框架的梁4和鉸耳板3、4的偏心距為240 mm。結(jié)構(gòu)最初的設(shè)計存在偏心是基于鉸耳距離比整個鋼框架的寬度小。

圖5　取料機上部轉(zhuǎn)臺框架設(shè)計

圖6　偏心和非偏心框架的應力圖

圖6為上部轉(zhuǎn)臺框架偏心設(shè)計及不偏心設(shè)計，在同樣載荷作用下的應力圖。從圖6中可看出，當存在偏心時，作用在鉸耳梁上的載荷對于框架工字梁來說是弱軸方向的載荷，工字梁將完全失效。

為了防止工字梁承擔弱軸方向的載荷，因此將梁4移動位置直接連接3和5。這樣的設(shè)計可以保證前后鋼絲繩的拉力互相抵消。修改后的設(shè)計計算結(jié)果見圖6下圖，整個框架的應力完全滿足規(guī)范要求。

5結(jié)語

通過簡單的懸臂梁偏心及不偏心結(jié)構(gòu)受載后的強度分析，說明了偏心結(jié)構(gòu)的危害。偏心結(jié)構(gòu)受載后會產(chǎn)生很大的附加彎矩，造成結(jié)構(gòu)應力大幅度的增加。同時，結(jié)合條形料場取料機固定端下側(cè)橫梁及圓料場堆料機回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)在設(shè)計初期出現(xiàn)的偏心結(jié)構(gòu)的強度分析，進一步說明偏心結(jié)構(gòu)是在設(shè)計中必須嚴格避免的結(jié)構(gòu)。

參 考 文 獻

[1]國家質(zhì)檢總局． 起重機設(shè)計規(guī)范 GB/T 3811[S]． 中國標準出版社，2008.

[2]張質(zhì)文，王金諾，程文明等主編． 起重機設(shè)計手冊. 北京：中國鐵道出版社, 2013：23-27.

[3]F.E.M 1.001，Rules for the design of hoistingappliances 3RD edition 1987.

[4]AS 4324 Mobile equipment for continuous handling of bulk materials 1995.

崔玉華: 200122， 上海市浦東新區(qū)福山路458號同盛大廈21F

Design Update of the Carrying Capacity Decreasing Resulting from Eccentricity

Shanghai R&D Center, Huadian Heavy Industries Cui YuhuaYao Xin

Abstract:To avoiding the structure interfere, eccentric construction is designed in the process of crane's structural design.The additional bending moment in the structure will change the structure from compressed structure to press bending structure. This paper analyzed the danger of eccentric construction and give an example for specification.

Key words:eccentric construction; additional bending moment; compression bending

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.01.008

收稿日期：2015-10-14