港口起重機鋼結(jié)構(gòu)加勁肋設(shè)計

呂 杰

天津港第四港埠有限公司

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)用于承受和傳遞起重機的工作載荷和自重載荷，主要承載構(gòu)件以梁結(jié)構(gòu)、柱結(jié)構(gòu)或柱梁結(jié)構(gòu)等形式為代表，常采用箱形薄壁結(jié)構(gòu)形式。為提高構(gòu)件承載能力，滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求，一般都設(shè)有縱向和橫向加勁肋。加勁肋設(shè)計的幾何要素要求，在《起重機設(shè)計規(guī)范》(GB/T3811-2008)中有明確的描述，但它們在本體結(jié)構(gòu)中受力、傳力及連接要求沒有論述。在一些相關(guān)文獻中，從不同的角度分析了加勁肋在結(jié)構(gòu)本體中的作用，給結(jié)構(gòu)設(shè)計者提供了方便。在相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，提出縱向加勁肋計算方法和不同部位橫向加勁肋的作用及設(shè)計思路，以便設(shè)計者參考借鑒。

2 縱向加勁肋對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響

文獻[1]以板肋組合構(gòu)件承壓為計算模型，利用構(gòu)件變形后的幾何形狀和位置，通過大變形理論和變形協(xié)調(diào)原理，解決了縱向加勁肋與結(jié)構(gòu)本體連接問題。實際上，縱向加勁肋有強肋(剛性)與弱肋(柔性)之分，強肋有足夠的彎曲剛度，能起到支承板的作用，即自身穩(wěn)定性足夠，板材僅在區(qū)格間失穩(wěn)；弱肋存在兩種失穩(wěn)模式，即板材區(qū)格間失穩(wěn)模式或板肋組合結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模式，一般情況板肋組合結(jié)構(gòu)失穩(wěn)先于區(qū)格間失穩(wěn)。文獻[1]的連接計算方法采用弱肋板肋組合結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模式，焊縫傳力方向為垂直于本體結(jié)構(gòu)。文獻[2]也是采用文獻[1]的變形模式，考慮存在初始缺陷板肋組合結(jié)構(gòu)的承載能力問題。文獻[3]也利用文獻[1]的計算模型，采用虎克定律和變形協(xié)調(diào)原理，解決了承壓板肋組合構(gòu)件中縱向加勁肋與結(jié)構(gòu)本體連接問題。文獻[3]的連接計算方法建立在肋板肋組合結(jié)構(gòu)整體受力的基礎(chǔ)上，縱向加勁肋與板一起承載，焊縫傳力方向為平行于本體結(jié)構(gòu)。盡管文獻[1]和文獻[3]計算結(jié)果相近，顯然縱向加勁肋連接傳力方向不同，兩者方向相互垂直，筆者認(rèn)為文獻[3]的縱向加勁肋連接傳力方向與實際情況是一致的。

縱向加勁肋有強弱(剛?cè)?之分，在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，縱向加勁肋無論是強肋還是弱肋，只有連續(xù)布置和間斷布置兩種方式。連續(xù)布置橫隔板開穿越孔或在橫隔板處焊接，制造精度要求高；間斷布置加勁肋端部需要加工，制造相對方便。文獻[4]認(rèn)為縱向加勁肋沿構(gòu)件的長度方向連續(xù)改變構(gòu)件的橫截面特性，即縱向加勁肋連續(xù)布置方式。這種布置顯然會引起構(gòu)件截面特性的變化，根據(jù)材料力學(xué)可知，縱向加勁肋連續(xù)布置可提高構(gòu)件的強度和剛度?？v向加勁肋若間斷布置，一般認(rèn)為僅起到提高局部穩(wěn)定性作用，設(shè)計者認(rèn)為這種加勁肋在工作過程中不承載，因此會出現(xiàn)主板結(jié)構(gòu)采用Q355材料，縱向加勁肋會采用Q235材料的情況。港口起重機鋼結(jié)構(gòu)主要是梁結(jié)構(gòu)、柱結(jié)構(gòu)或柱梁結(jié)構(gòu)。文獻[3]認(rèn)為縱向加勁肋即使間斷布置，也與板一起參與工作，是直接承載的。

故以箱形薄壁梁結(jié)構(gòu)為研究對象，用材料力學(xué)組合梁理論分析縱向加勁肋的承載和傳載。由于縱向加勁肋對梁構(gòu)件剪應(yīng)力的影響較小，不予考慮。假設(shè)箱形薄壁梁結(jié)構(gòu)由相同彈性模量E的材料組成,梁的寬度為b，翼板的厚度為t1,翼板的面積為A1；梁腹板高度為h,腹板厚度為t2；翼板縱向加勁肋與板連接部位的厚度為t3,加勁肋的面積為A2，n為縱向加勁肋的數(shù)量。梁橫截面為雙軸對稱的等截面。梁在橫力作用下彎曲為分析模型，梁結(jié)構(gòu)滿足材料力學(xué)假設(shè)：

(1)不同材料間無滑移(事實上也不滑移)。

(2)材料服從虎克定律。

(3)材料橫截面發(fā)生彎曲后仍保持為平面。

(4)每種材料的每層纖維彼此隔開。

(5)材料彈性模量保持不變。

(6)不存在由熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力。

組合梁發(fā)生彎曲變形時，其上每一種材料內(nèi)的應(yīng)力與應(yīng)變應(yīng)滿足虎克定律，即：

σj=Eεj

(1)

其中應(yīng)變εj又可通過纖維層的位置yj和曲率半徑ρ表示為：

εj=yj/ρ

(2)

對于第j種材料，式(2)代入(1)可得：

σj=Eyj/ρ

(3)

由于在梁的每一橫截面上合力必須為零，故有：

(4)

式中，dAj為對應(yīng)的面積元。

另一方面，這些力的矩必須等于彎矩M：

(5)

M=EI/ρ

(6)

將式(6)代入式(3)，則有：

σj=Myj/I

(7)

應(yīng)用式(7)則可計算板肋組合結(jié)構(gòu)中翼板或腹板加勁肋的正應(yīng)力，從而計算縱向加勁肋分擔(dān)的載荷。

式(7)表明，縱向加勁肋不管是連續(xù)布置還是間斷布置，均與板一起承載。兩者區(qū)別在于縱向加勁肋連續(xù)布置對構(gòu)件的強度和剛度都有一定的影響，可提高構(gòu)件承載能力，而間斷布置由于端頭不連續(xù)則不能提高構(gòu)件承載能力。間斷布置縱向加勁肋要注意端部處理，要有平滑過渡區(qū)，避免幾何突變產(chǎn)生的應(yīng)力集中，有限元分析和應(yīng)力測試均發(fā)現(xiàn)，間斷布置加勁肋端部存在嚴(yán)重應(yīng)力集中問題。

縱向加勁肋連接計算可根據(jù)式(7)計算加勁肋正應(yīng)力σj，與加勁肋截面積相乘，得到加勁肋分擔(dān)的負(fù)載。加勁肋分擔(dān)負(fù)載記為Fj,則有：

Fj=σjA2

(8)

對于翼板的縱向加勁肋，式(8)中的σj可保守地取翼板應(yīng)力。

加勁肋分擔(dān)負(fù)載Fj通過連接的縱向角焊縫傳遞，加勁肋角焊縫有效高度記為Df，Df不得小于1.5(t2)1/2；角焊縫計算長度記為lw，lw不得小于10Df或50 mm，lw最大計算長度按承受動力載荷考慮，保守地取40Df；角焊縫許用剪切應(yīng)力記為[τ]，也可取加勁肋母材許用剪切應(yīng)力。這樣有：

40Df2[τ]=Fj=σjA2

(9)

Df=(σjA2/(40[τ]))1/2

(10)

式(10)計算結(jié)果與Df不得小于1.5(t2)1/2要求一致。

縱向加勁肋連接焊縫實際設(shè)計時應(yīng)考慮港口起重機承受動力載荷，建議：①加勁肋端部不焊接，盡管端部焊縫承載能力比側(cè)焊縫高22%，但端部焊縫剛性大，變形能力比側(cè)焊縫?。虎诳紤]到港口起重機作業(yè)區(qū)域氣候環(huán)境，要求加勁肋焊縫一側(cè)采用連續(xù)焊接，焊高Df不得小于1.5(t2)1/2，另一側(cè)采用大間距焊接，焊縫長度不得小于10Df或50 mm的大值，這個要求有利于提高疲勞強度和局部穩(wěn)定性可靠性；③縱向加勁肋采用連續(xù)布置形式，可以明顯提高結(jié)構(gòu)強度和剛度、減輕結(jié)構(gòu)自重、降低成本，同時減少加勁肋端部處理和應(yīng)力集中點，有效提高構(gòu)件疲勞強度。

3 橫向加勁肋對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響

薄壁箱形構(gòu)件為滿足局部穩(wěn)定性的需要，保證腹板平面外的整體穩(wěn)定性，腹板一般要求配置橫向加勁肋，也稱橫隔板。橫向加勁肋一般制成開孔的橫隔板形式或在開孔處包板的橫隔板形式。配置要求在《起重機設(shè)計規(guī)范》(GB/T3811-2008)中有明確的規(guī)定，但要注意開孔圓角半徑，圓角半徑過小，扭轉(zhuǎn)載荷作用下會出現(xiàn)比較大的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)記為k，則有：

k=1+δ/r

(11)

式中，δ為開孔隔板寬度，r為圓角半徑。

由材料力學(xué)梁構(gòu)件在承受拉壓、彎曲應(yīng)力與位移計算公式可得，由于橫向加勁肋僅在其自身所在截面內(nèi)改變梁的截面性質(zhì)，對強度和剛度幾乎沒有影響，用有限元法很容易驗證。從梁構(gòu)件扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和角位移計算公式中也可得出，橫向加勁肋對強度和剛度沒有影響。事實上，橫向加勁肋可以保證薄壁箱形構(gòu)件形狀，阻止橫截面形狀改變，增加空間抗扭剛度，限制橫截面形狀變形和扭轉(zhuǎn)共同引起的橫向彎曲畸變應(yīng)力和縱向正應(yīng)力，改善載荷橫向分布，承擔(dān)大的局部集中載荷，起到局部約束截面扭轉(zhuǎn)作用。

在港口起重機梁結(jié)構(gòu)、柱結(jié)構(gòu)或柱梁結(jié)構(gòu)中，僅保證構(gòu)件局部穩(wěn)定性的橫隔板設(shè)計比較簡單，滿足《起重機設(shè)計規(guī)范》(GB/T3811-2008)規(guī)定的要求即可；在固定集中載荷處或梁的支座處的支承加勁肋設(shè)計也非常明確。但在具體梁、柱構(gòu)件設(shè)計時，經(jīng)常會碰到兩種或以上構(gòu)件相互連接在一起，連接部位沒有顯式的集中載荷，設(shè)計者一般也會采用橫隔板的方式予以加固。這些部位的橫隔板不僅要滿足局部穩(wěn)定性要求，還要承擔(dān)傳遞載荷作用，設(shè)計稍有不慎，就會出現(xiàn)嚴(yán)重后果。下面就這種橫隔板設(shè)計理念做簡要論述。

港口常用16 t、25 t和40 t等門座起重機，一般采用板凳式門架，由圓筒結(jié)構(gòu)、橫梁和端梁組成。圓筒結(jié)構(gòu)和橫梁連接、橫梁和端梁連接均存在橫向加勁肋承載和傳載問題。圓筒與橫梁連接處，在圓筒內(nèi)部必須設(shè)置橫向加勁肋，加勁肋不但需滿足《起重機設(shè)計規(guī)范》(GB/T3811-2008)規(guī)定要求，而且要滿足強度要求，橫向加勁肋設(shè)計使其慣性矩與橫梁翼板慣性矩等同、連接部位焊縫要求與翼板等強度。橫梁和端梁連接也存在橫向加勁肋設(shè)計，要考慮強度問題；端梁與橫梁連接處橫隔板及連接設(shè)計要滿足強度要求，還要注意與橫梁連接的端梁上面板，其上開孔要注意，必要時予以加固，結(jié)構(gòu)設(shè)計要符合單體結(jié)構(gòu)完整性與等強度要求。與端梁連接的橫梁內(nèi)側(cè)橫隔板要考慮強度問題，內(nèi)側(cè)橫隔板的強度不得低于端梁外側(cè)端板的強度，連接焊縫滿足等強度要求。

在梁、柱構(gòu)件具體設(shè)計時，經(jīng)常出現(xiàn)變截面情況，變截面有截面微小變化和較大變化兩種不同情況。微小變化指腹板保持不變，僅改變翼板厚度，可采用直接對接焊，與等截面梁、柱構(gòu)件的拼接沒有什么區(qū)別。截面變化較大一側(cè)翼板外表面平齊，而另一側(cè)翼板折彎或雙側(cè)翼板均彎折。在翼板彎折處必須設(shè)置橫隔板，以保持折彎翼板形狀，此處橫隔板及連接設(shè)計要滿足強度要求，按翼板承受的載荷分解成沿平行于橫隔板和垂直于橫隔板兩方面，并據(jù)此計算橫隔板強度及連接強度。

在梁、柱構(gòu)件具體設(shè)計時，還有一種特殊情況需要注意，就是海上大型浮式固定臂架起重機。這種起重機固定臂架主要有兩種形式，一種是單肢或雙肢桁架結(jié)構(gòu)，另一種是單肢或雙肢箱形薄壁結(jié)構(gòu)。為了提高雙肢臂架的整體穩(wěn)定性，在雙臂架之間設(shè)置聯(lián)系橫梁，此聯(lián)系橫梁在起重機正常作業(yè)時受力很小，但在拖航工況或在海域錨泊工況下，由于船舶運動，臂架部分產(chǎn)生巨大慣性載荷，聯(lián)系橫梁會承擔(dān)很大的慣性載荷。此時與聯(lián)系橫梁連接處的臂架必須設(shè)置滿足強度要求的橫隔板，橫隔板及連接強度不得低于橫梁強度，甚至高于聯(lián)系橫梁強度。另外，聯(lián)系橫梁與臂架連接部位、橫隔板及連接設(shè)計要有良好幾何過渡，降低應(yīng)力集中，避免由于船舶運動造成臂架結(jié)構(gòu)疲勞開裂。

4 結(jié)語

基于材料力學(xué)詳細(xì)分析了港口起重機箱形薄壁構(gòu)件為滿足穩(wěn)定性設(shè)置的加勁肋在構(gòu)件承載和傳載中的作用?？v向加勁肋建議采用連續(xù)布置形式且端部不焊接；對于類似梁、柱交接處的橫向加勁肋，其設(shè)計應(yīng)不僅滿足箱形薄壁結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定性要求，還要驗算加勁肋本身的強度和連接強度。