塔式起重机设计技术

1.2.1 总安全系数的许用应力计算法 考虑到各种不利因素影响，用一个总安全系数K来解决，即将钢材可以使用的最大强度（如屈服强度）除以一个笼统的安全系数。作为结构的计算时容许达到的最大应力-许用应力。这种计算方法成为许用应力设计法，表达式为： 式中：N-构件内力； S-构件几何特征； -钢材屈服强度； K-安全系数； -构件计算应力； 这种总安全系数的许用应力计算法的缺点是：由于采用了一个安全系数，将使各个构件的安全度各不相同,而整个结构的安全度取决于安全度最小的构件。其优点是表 达式简单、概念明确、应用方便。KSN S S 1.2.2 三个系数的极限状态计算法 根据结构使用上的要求，在结构中规定两种极限状态，即承载能力极限状态和变形极限状态：承载能力极限状态是指结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形极限状态；变形极限状态是指结构或构件达到正常使用（变形或耐久性能）的某项规定的极限状态。同时引入三个系数：载荷系数、质均系数、工作条件系数。以载荷系数k1考虑载荷可能的变动，以质均系数k2考虑钢材性质的不一致，以工作条件系数k3考虑结构及构件的工作特点以及某些假定的计算模型与实际情况不完全相同等因素。这种方法比按许用应力计算法考虑的细致一些，但某些系数（如工作条件系数）的确定还缺乏客观依据和科学方法，同时它的表达式较为繁琐，其表达式为： SKKNK si 321 n 1.2.3 以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一安全系数的许用应力计算法n 1974年我国正式编制钢结构设计规范TJ17-74，规范中采用的表达式是许用应力计算方法，但在确定安全度方面与早期许用应力计算法有所不同。它是以结构的极限状态（强度、稳定、疲劳、变形）为依据，对影响结构安全度的诸因素以数理统计的方法，并结合我国建国后20年来的工程实践经验进行多系数分析，求出单一的设计安全系数，以简单的许用应力形式表达，实际上是半概率半经验的极限状态计算法。其按承载能力计算的一般表达式为：K SKKK SN Ssi 321 载荷系数k1是用以考虑实际载荷可能有变动而给结构留有一定安全储备的系数.根据对刚屋架、吊车梁的设计资料，按载荷统计资料，分析后得出的加权平均载荷系数，其变动范围在1.145-1.305之间，为简化起见，采用=1.23。 n 材料系数k2是用以考虑材料强度变异的系数。按当时国家标准规定3号钢（现行标准的Q235材料）的屈服强度为235N/mm2，低于此值者即为废品，在结构设计中即取此废品极限值作为3号钢的标准强度。但是，钢铁公司的产品质量是不均匀的，公司之间，同一公司内不同生产厂（或车间），甚至同一生产厂（或车间）内，产品的质量也存在差异，同时，各个生产厂对产品的验收又是采用抽样检验的方式，这就不可避免地会有屈服强度小于2400kg/cm2（相当于235N/mm2）的钢材混杂其间，作为正式产品供应（在商品经济的今天，甚至有一些不法分子为谋取私利故意将不合格的产品混入合格产品中进行销售）。根据对我国当时大中小有代表性的钢铁厂的钢材强度统计分析结果，并考虑到过去设计经验而定出的材料强度系数是：对于3号钢，k2=1.143，对于16锰钢和16锰桥钢，k2=1.175。 n 在设计计算中，仅考虑单一的载荷系数和材料强度系数还是不够完备的。例如，对活载荷所占比重较大的构件，或施工条件较差的连接构件等都与一般条件等同看待，其安全度就显得偏低；不同结构和部件失效后产生的损失和影响不同，即重要度不同，要求的可靠度也自然不同。调整系数就是用以考虑这些特殊的变异因素（载荷的特殊变异、结构受力状况和工作条件）的系数。其数据主要是根据实践经验确定的。对于3号钢，和16锰钢，一般取K3 =1.05。 K1、K2、K3综合确定后的安全表达式为： 上式即为钢结构设计规范TJ17-74采用的许用应力设计法 的表达式。例如,3号钢的=2400kg/cm2, K1=1.23、K2=1.143、K3=1.0，则K=1.23 SNi 321 KKKK ss n 1.2.4 以概率论为基础的一次二阶矩极限状态设计法n 极限状态的概率设计法是把各种参数（载荷效应、材料抗力）作为随机变量，运用概率分析法并考虑其变异性来确定设计采用值。这种把概率分析引入结构设计的方法显然比许用应力设计法先进。近年来各国逐渐采用此种方法。n 设结构或构件的承载能力为R,R取决于材料的抗力和构件的几何特性。这些参数都是随机变量，根据它们各自的统计数据运用概率法来确定它们的设计值。设计值确定了承载力R也就确定了。n 载荷效应是指各种载荷、温度变化和地震等对结构或构件的作用产生的效应，亦即同时作用于结构或构件的若干种载荷分别在结构或构件中产生的内力，这些内力的总和也就是载荷效应，用S表示。各种载荷也都是独立的随即变量。根据他们各自的统计数值，用概率法确定其设计值。这些载荷的设计值确定后，总的载荷效应S也就确定了。 n 当RS时为可靠，RS时为不可靠，R=S时为结构或构件承载能力的极限状态。设计时应使R=S的概率可靠度不低于某一特定数值。这就是极限状态概率设计法。 n 1. 2.5金属结构计算方法n 金属结构是工程机械的承载构件，而工程机械是一种短周期循环工作的机械，这一特点导致了机械实际载荷的多变性。机械工作时不仅在不同的循环中载荷不同，而且在同一循环过程中工作载荷也在变化，即使工作载荷不变化,也有带载行程和空载行程的差别，再加之每一循环过程中的多次起动、制动所引起的动载荷以及起升载荷作用位置的移动或挡风面积的变化等，都会导致构件受载的改变。另外还有一些载荷，如风载荷、道路不平导致的冲击载荷等，本身具有明显的随机性。根据工程机械受载过程这个复杂的随机过程，宜采用以概率论为基础的一次二阶矩极限状态设计法。但是，由于目前对工程机械随机载荷的研究还不太充分，缺乏适用于工程机械结构的各分项系数的可靠统计数据，故我国以及绝大多数国家至今尚未采用以概率论为基础的极限状态法来设计结构，仍采用半概率半经验的极限状态计算法，即以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一安全系数的许用应力计算法。 n n 该设计方法是通过计算承重结构或构件是否满足承载能力极限状态和正常使用极限状态要求进行的。n一、承载能力的计算n 承载能力计算是对结构或构件的强度、稳定及疲劳等方面进行分析，确保结构或构件在承受各种载荷时，满足承载能力极限状态要求。一般表达式为： N-考虑各种载荷系数计算的内力 S-构件几何特性； -材料许用强度 SN i n二、变形计算：n 变形计算是从结构或构件的变形方面进行分析，确保结构或构件在承受各种载荷时，正常使用（变形）极限状态的要求。一般表达式为： 式中： -结构或构件在标准载荷作用下产生的最大挠度； -规范规定的许用挠度； -结构或构件的长细比； -规范规定的许用长细比； 或 n 1.2.5.1作用在金属结构上的载荷及其组合 n 目前，金属结构采用的设计方法为以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一安全系数的许用应力计算法。其安全系数取决于载荷系数、材料系数及调整系数，为更好的理解和选用安全系数，要认真分析作用在金属结构上的载荷组成及组合。n一、载荷种类n 工程机械结构或构件承受的载荷多种多样，且并非始终作用在结构上。n 根据作用于结构上的概率可划分为：基本载荷、附加载荷、特殊载荷和其它载荷。n 基本载荷正常工作时始终或经常作用在机械上的载荷，包括自重载荷、工作载荷、各种动载荷和离心力。n 附加载荷正常工作时不经常作用机械上的载荷，包括工作状态下的风载、温度载荷； n 特殊载荷指偶然作用在机械上的载荷，包括非工作状态下的风载，试验载荷、工作状态下的碰撞载荷。n 其它载荷其它载荷包括安装载荷、工作平台和通道所受的载荷、运输载荷。 n二、载荷组合 n 载荷的组合方法与计算形式及目的有关，不同产品的载荷情况各不相同，计算形式及目的也不相同，载荷组合自然不同。塔式起重机设计采用的是半概率半经验的极限状态计算法，确保结构或构件：n（1)能承受在正常使用时可能出现的各种作用力；n（2）在正常使用时具有良好的工作性能；n（3）具有足够的耐久性；n（4）在偶然事件发生时及发生后，能保持必需的整体稳定性。n 根据塔式起重机设计规范中规定的载荷，进行结构设计计算时，应按塔式起重机的构造形式、使用方式和计算目的在表1-28中选取可能出现的载荷组合情况。n组合A（正常工作载荷的组合） n组合A也称疲劳（耐久性）计算载荷，它只考虑基本载荷的各种组合。除计算电动机功率外，一般不考虑风载荷。此种载荷组合用于结构件及其连接的强度、弹性稳定性和疲劳计算。 n 组合B（工作最大载荷的组合）n 组合B也称强度计算载荷，考虑基本载荷与附加载荷的各种组合。它包括塔式起重机在容许的最繁重的使用条件下的各种最大载荷，其中包括有自重载荷、起升载荷、猛烈起动或制动时产生的惯性载荷、工作状态下的最大风载荷、水平侧向载荷等。此种载荷组合用于结构件及其连接的强度和弹性稳定性计算。n 组合C（非工作最大载荷的组合）n 组合C也称验算载荷，考虑基本载荷、附加载荷与特殊载荷的各种组合。它是指起重机处于非工作状态下可能出现的最大载荷，包括自重载荷、非工作状态下的最大风载荷、路（轨）面坡度等所引起的载荷以及试验载荷等。此种载荷组合用于结构件及其连接的强度和弹性稳定性计算。 n 具体设计计算时，各种载荷的数值、方向和作用位置应按对所校核的结构及连接为最不利的情况进行组合。 n 1.2.5.2许用应力n许用应力是指机械结构或构件在载荷组合作用下结构或构件中容许产生的最大应力。 Ks 321 KKKK 载荷系数k1是用以考虑实际载荷可能有变动而留给结构一定安全储备的系数。是根据载荷统计资料，分析后得出的加权平均系数。 材料系数k2是用以考虑材料强度变异的系数。是根据对我国当时大中小有代表性的钢铁厂的钢材强度统计分析结果，并考虑到过去设计经验而定出的。 调整系数k3是用以考虑特殊的变异因素（载荷的特殊变异、结构受力状况、重要程度和工作条件等）的系数。其数据主要是根据实践经验确定的。 按起重机设计规范规定:结构件材料的拉伸、压缩、 弯曲许用应力以及剪切、端面承压许用应力按相应载荷组合而定，可从表129中选取。 n 1.2.5.2金属结构计算的研究n 工程机械受载过程是一个复杂的随机过程，宜采用以概率论为基础的一次二阶矩极限状态设计法。只是由于目前对工程机械随机载荷的研究还不太充分，缺乏适用于工程机械结构的各分项系数的可靠统计数据，我国以及绝大多数国家至今尚未采用以概率论为基础的极限状态法来设计结构，仍采用以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一安全系数的半概率半经验的极限状态计算法即现行许用应力计算法，如起重机设计规范GB3811-2008、塔式起重机设计规范GB13752-92。n 结构工程技术人员进行设计时，首先应该执行现行国家标准，保证产品的结构要求。在保证产品安全可靠的前提下，引进先进技术降低成本也是工程技术人员天职。在现行国家标准没有采用以概率论为基础的一次二阶矩极限状态设计法之前，我们认真研究以概率论为基础的一次二阶矩极限状态设计法，将其思想和理念应用于机械金属结构设计,在保证产品安全可靠的前提下最大限度的降低产品生产成本是必要的。 n 以概率论为基础的一次二阶矩极限状态设计法中的载荷效应基本组合表达式如下：。 这种计算方法中1、结构重要性系数的采用值得我们机械金属结构设计借鉴的，作为工程机械应用的工作性质经常变化，可能无从谈起重要性，然而作为工程机械本身，就是一个复杂的工程，各个部件的重要性对塔式起重机安全的作用是完全不同的。以塔式起重机为例，塔式起重机塔身的重要性最高，一旦出现失效就会出现机毁人亡的重大事故。而工作护栏等结构其重要性明显要低，采用同样的安全程度显然不合理。在设计时应予以考虑。 2、可变荷载组合系数的采用也是我们值得借鉴的，与建筑工程相似，各种可变载荷同时达到最大值的概率是很小的。因此，在既有其它可变载荷又有风荷载参加组合时，应该适当考虑。如在采用现行设计规范的计算时，适当放大计算应力 使其接近材料的许用值，或在计算风载荷时在规范规定的范围内取小值计算风载荷fni QidcdQGd )( 210 q 1.2.6 1. 1. 1. 4、连接件强度校核 在过去的焊接连接计算中，往往连接件的计算，给产品或工程造成巨大的损失，最新的钢结构设计规范 GB3811-2008中，给出了节点板的计算方法，但对于塔机单肢结构连接套处的计算方法没有作出规定。最近我在编写金属结构教材时，将作出探讨。它的计算与连接套与主肢的制造工艺有关。 钢材的可焊性n 工程机械结构大多为焊接结构，钢材的可焊性是衡量钢材焊接工艺好坏的指标。人们通常用焊缝及其相邻基本金属的抗裂性和使用性能来说明材料可焊性的优劣。n 碳素结构钢的可焊性，可以粗略地用碳物质的量来表示，nc0.45时，则认为钢材的可焊性良好。计算碳物质的量的经验公式为：n式中 C、Mn、Si、Cr、Ni、Mo、V钢材的化学成分 n 1.3.4塔机金属结构设计中强度与刚度关系n 许许多多计算方法的确立,都是建立在一定的假设条件下,金属结构的焊缝和螺栓计算也不例外,假设被连接件为刚性构件,然而随着新材料高强度钢材的出现,被连接件厚度越来越小,刚性不断降低,离计算的基本假设越来越远,计算偏差越来越大,应该引起我们的足够重视。n 塔式起重机的上下转台和回转支承是实现转动部分和固定部分连接的重要部件，其结构设计的质量将直接影响整机的工作性能和安全性。本节从上下转台与回转支承连接用高强螺栓的受力分析开始，提出了不仅转台的强度而且刚度同样与螺栓受力有着密切的关系。由转台筋板开裂和筋板焊缝开裂的原因分析，得出了转台设计的原则：在满足强度前提下要充分考虑其刚度，避免因为刚度不足引起的“强度”问题出现，保证塔机工作的安全性。然后探讨了这一原则在转台结构设计中的具体落实与应用，并通过一个设计实例借助有限元分析验证了这一原则和方法的有效性和正 确性。 n 2004年12月中旬，某工地一台QTZ63塔式起重机在使用过程中下转台与回转支承连接螺栓断裂，上部回转部分脱落造成一人死亡的事故。据统计该问题曾多次在塔机事故中出现，塔机转台焊缝开裂、筋板断裂、回转噪音大等现象在实际应用中普遍存在，时常有大大小小的事故发生在回转支承和上、下转台上。该部件的结构设计和生产质量引起了人们的广泛关注。n一.事故原因分析n 1）高强度螺栓断裂原因分析n回转支承作为塔机回转的核心部件，与上下转台的连接均采用高强度螺栓。分析得知高强度螺栓的断裂有这样几个主要原因：高强螺栓质量问题、安装时高强螺栓预紧力达不到、转台结构设计问题。关于高强螺栓质量问题这里不作探讨，下面仅分析高强螺栓预紧力和转台结构对高强度螺栓的受力影响。 n 螺栓群受力计算的基本假设为被连接件的刚性无穷大，在弯矩作用下螺栓受拉时，普通螺栓和高强度螺栓的内力计算方法不同。普通螺栓连接，在弯矩作用下产生绕弯矩指向一侧的第一行螺栓中心线转动。高强度螺栓连接时，螺栓承受的外拉力总是小于预紧力，被连接面一直保持紧密结合，中性轴为螺栓群的形心轴。可以看出在同等条件下高强度螺栓受力比普通螺栓受力大，但是普通螺栓接连接面会出现分离，在动载荷作用下存在载荷冲击，螺栓拉力很难精确计算；高强度螺栓在预紧力作用下不会出现连接面分离，避免冲击载荷的产生，所以与回转支承连接均要求采用高强度螺栓。n 采用高强度螺栓，如果预紧力达不到要求或者没有预紧力，高强度螺栓受力情况就接近普通螺栓造的受力情况；如果预紧力不一致螺栓松紧不一就会造成螺栓受力不均，较紧的螺栓受力大，超过极限承载能力时会造成事故。 标准明确规定，预紧力得不到控制的高强度螺栓其安全系数为：a)普通螺栓 b)高强度螺栓 n（2）转台结构对螺栓受力的影响n 高强度螺栓的受力分析是建立在连接件刚性无穷大、不考虑连接件变形基础上的，但是在实际过程中任何连接件都达不到这一条件。n当转台刚度足够大时，螺栓受力接近理想状态，但是如果转台刚度整体或局部不足，当螺栓同时受力时，刚度较弱处最先发生弹性变形，使刚度较好处的高强螺栓受力增大，当超过螺栓极限承载能力时发生破坏，该螺栓退出工作，另一刚度较好处的螺栓受力急剧恶化，在某一时刻发生破坏，退出工作。依次变化、恶性循环而导致全部螺栓破坏，上下结构分离，造成事故。n上述分析可以看出：在考虑高强度螺栓受力时，必须充分考虑转台的刚度，转台设计时，不仅要满足强度要求，同时也要保证转台的整体刚度。 n 2）下转台筋板开裂和筋板焊缝开裂分析n 筋板开裂的主要原因一般有：母材质量问题、转台结构设计问题。筋板焊缝开裂的主要原因一般有：焊缝质量问题、转台结构设计问题。关于母材和焊缝质量这里不作探讨，仅分析转台结构对受力的影响。n 转台筋板布置是在围板基础上增加立筋来增加转台刚度和强度，从整体来看如果筋板布置不合理就会造成筋板受力不均匀。当焊缝强度低于母材强度时，筋板受力大的焊缝首先发生破坏，如果焊缝强度大于母材强度就会造成筋板断裂。从局部来看，如果地板刚度不足，焊缝便会增加附加弯矩，引起焊缝破坏。n 综上所述，转台设计的原则应该是在满足强度前提下要充分考虑其刚度，避免因为刚度不足引起的“强度”问题出现，保证塔机工作的安全性。这就要求我们在转台设计时对强度、刚度要经过严格计算，以免造成事故的发生，下面我们探讨在转台结构设计时如何落实和实施这一原则。 最近市场上出现了一种SS系列施工升降机就省电、无冒顶之说这里讨论以下，仅供参考。