第二章载荷及金属结构设计计算准则

2021/10/23星期六物流工程学院WHUT1第二章　载荷及金属结构 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 计算准则金属结构是承载结构，为了保证起重机工作的安全可靠和良好的使用性能，正确地 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 计算结构所受的外载荷是结构设计计算的重要内容之一。§2－1载荷的种类§2－2载荷的确定与计算§2—4结构承载能力的计算方法§2—3载荷的计算组合§2—5强度设计准则及许用应力§2—6稳定性设计准则§2—7刚性的设计准则：2021/10/23星期六物流工程学院WHUT2§2－1　载荷的种类《重机设计 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 》GB3811－2008　，依载荷的作用概率划分：基本载荷——永久或经常作用在结构上附加载荷——不常作用特殊载荷——偶然作用一、基本载荷：自重（结构、电气）；起升载；惯性载荷；动载效应系数2021/10/23星期六物流工程学院WHUT3非工作状态下的最大风载，PwⅢ；试验载；安装载；运输载及地震载等。二、附加载荷：工作状态的最大风载PwⅡ，侧向力Ps；温度载荷；冰雪载荷等三、特殊载荷：2021/10/23星期六物流工程学院WHUT4§2－2　载荷的确定与计算一、自重载荷及其动载效应1、的估算方法：1）参考同类产品的自重进行类比　（常用，较可靠）2）利用手册、资料的经验公式，（图、表及计算公式）3）逐步逼迫法：建立粗略的力学模型→计算内力→选截面→考虑构造系数1.3～1.4初算自重→验算→调整使估算自重与施工设计的重量误差<10%2021/10/23星期六物流工程学院WHUT52、自重的动载效应1）起升冲击系数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。计算载荷为：φ1PG的取值：0.9≤≤1.12021/10/23星期六物流工程学院WHUT62）运行冲击系数起重机或部分装置行经不平路面或轨道接头时，使运动质量产生铅垂方向的冲击作用。计算载荷为：φ4PG的取值：有轨运行：φ4＝1.1+0.058Vyh1/2　式中：Vy——运行速度　m/s　　　　　　h——轨道接头处两轨面的高低差mm一般控制h≤2mm无轨运行：运行速度　20～50km/h沥青路：＝1.5　　　　　石子路：＝2.02021/10/23星期六物流工程学院WHUT73、自重的作用方式建立力学模型时，应考虑载荷的分布情况。实腹式——按均布力来处理桁架　——按节点载荷处理机、电设备重量——按集中载荷处理2021/10/23星期六物流工程学院WHUT8二、起升载荷及其动载效应1、起升载荷1）吊钩式：＝——取物装置　　——悬挂长度大于50m时起升钢丝绳重量2）抓斗式：＝对于抓斗、电磁铁、容器式作为取物装置时，额定起重量包含2021/10/23星期六物流工程学院WHUT11静位移：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：所以经过检验的修正的理论公式。说明:①此式由桥吊主梁跨中用建立力学模型，所求得用于其它复杂结构不合适②模型太粗糙忽略了质点以外其余结构的振动，计算出的往往偏小2021/10/23星期六物流工程学院WHUT12式中：c—操作参数由P—29.表2-1查取v—额定起升速度，m/sg—重力加速度.g=9.8m/s—对桥式起重机.L-跨度，m对门座起重机.R-最矢幅度。(H—起升高度)δ—结构质量影响参数.:对桥式起重机；取为小车质量木桥质量的一半；对臂架式起重机；取为臂架质量的1/3:额定起升质量；kg;2021/10/23星期六物流工程学院WHUT13说明：①当计算出＞2时，应在控制方面采取 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ，降低货物的离地速度，并且取=2；②若标出＜1.1，则取=1.1。③初步设计时，也可按P29.表2—2推荐的公式计算④可由理论分析和实验研究的结果选用。构件名称桥式门式装卸桥门座起重机建筑用塔吊汽车吊轮胎吊有缓冲无缓冲桥架、端梁1.05-1.3(1.5-2.0)桥架、支腿、下横梁1.1-1.3(1.5)1.5(1.8)-2.01.5(0.8)1.0(2.2)象鼻梁、拉杆、人字架、门架，臂架1.05(1.2)1.05(1.25)1.25(1.45)1.3(1.5)1.2(1.35)1.3(1.55)1.5(1.85)2.0(2.5)起重臂，塔顶、塔中段、平衡臂、塔根1.251.41.55臂架、人字架、转盘1.21.3注：括号外用于吊钩式，括号内用于抓斗式。2021/10/23星期六物流工程学院WHUT142）运行冲击系数考虑运行不平过轨道接头工况的起升载荷计算载荷数：3）突然卸载冲击系数物理意义：起升质量部分或全部卸载时，对结构产生的动态减载作用.考虑此工况的起升载荷计算载荷数：式中：—系数：抓斗起重机=0.5电磁起重机=1.02021/10/23星期六物流工程学院WHUT15三、惯性载荷Pi及其动载效应惯性载荷—包括旋转，运行，变幅时产生的水平惯性力.1.运行惯性力:=1.5m·am—运行部分的质量，（起升载）kg;a—运行起，(制)动的平均加速度，a=v—额定运行速度，m/st—起（制）动时间，s1.5—考虑猛烈起，制动的动载效应系数。（a,t可查附录表2），对于自动式运动机构：≤μ(粘着力)，μ—车轮逆向的滑动摩擦系数；μ=0.129（室内）～0.15（室外）Pz—主动轮的静轮压之和，N.Pi的作用位置和分布方式—与相应质量的重力载荷相同。2021/10/23星期六物流工程学院WHUT162.回转运动惯性力（以门座起重机为例）回转引起：起升质量象鼻梁，大拉杆，鼻架，对重，平衡梁，小拉杆，人字架，转台，机电设备,产生（1）法向（2）切向质量的处理方式：·起升质量、活对重、机电设备—按集中质量考虑·其余构件—计算自身内力时，按均布质量考虑，否则按集中质量考虑·格构式构件—按分布于各节点的集中质量考虑。2021/10/23星期六物流工程学院WHUT171）集中质量惯性力：法向：=m··r(N)ω—角速度ω=其中n为四杆速度.转/分切向：=m·ω·r(N)ξ—平均角加速度.ξ=说明：（1）通常不忽略法向惯性力（2）起升质量的惯性力不能单独计算，化起升绳偏摆角中考虑2021/10/23星期六物流工程学院WHUT182）均布质量惯性力.（以臂架为例）任意截面Ⅰ—Ⅰ处单位长的质量：—臂架重量该处的单位长度质量惯性力：说明：·通常可忽注：对于装设极限的力矩联轴器的回转机构，计算回转部分的最大惯性主矩时，受打滑条件的限制：∑·r≤MeMe—换算到起重机回转轴上的极限摩擦力矩。2021/10/23星期六物流工程学院WHUT193.变幅运动惯性力1）用小车变幅时，小车和起升质量惯性力计算与运动惯性力相似；2）用臂架变幅时，臂架的惯性力一般可以忽略；起升质量的水平惯性力在起升绳偏摆角中考虑。2021/10/23星期六物流工程学院WHUT204.碰撞载荷Pc及其动载效应.有轨运动起重机（或小车），尤其是高速运动小车，为安全起见，常在轨道终端处装设缓冲器；在同一轨道上工作的多台起重机为避免相互间的碰撞也装有缓冲器。碰撞型式：（1）小车←→缓冲器或大车←→缓冲器.（缓冲器固定）（2）起重机（大车）←→起重机2021/10/23星期六物流工程学院WHUT21缓冲器种类：（1）碰撞力为线性特性.如：橡胶弹簧.（2）碰撞力为常力特性.如：液压2021/10/23星期六物流工程学院WHUT221)小车（或大车）碰撞缓冲器，假定起重机（小车）为全刚性，不考虑弹性变形，根据能量原理.运动质量的动能=缓冲器（压缩）所做功EW↓↓1/2（）=1/2（•s•n）(线特性)•s•n(常力特性)2021/10/23星期六物流工程学院WHUT23注：n为同时撞击的缓冲器的个数2/ns(线特性)=/ns(常力特性)2)两起重机相向碰撞2021/10/23星期六物流工程学院WHUT24根据碰撞理论，而运动质量.相向碰撞时缓冲器的最大。压缩量发生在碰撞过程中两运动质量达到同步运动的瞬间。对m1、m2分别应用动量原理：ft=mv物体所受外力的冲量等于物体动量的增加(f1与v的方向相反)①②①+②.并整理得：碰撞后两运动质量同步移动速度2021/10/23星期六物流工程学院WHUT25碰撞时的总动能-碰撞后还存在的动能动能的改变量（缓冲器实际吸收的动能）缓冲器做功：线特性：由有：3)碰撞载荷是动载效应：考虑运动机构的转动动能及起升质量动能影响和结构弹性振动而仅碰撞力增大.的计算载荷为：—碰撞载荷动载系数.查P36.表2—3.2021/10/23星期六物流工程学院WHUT265.风载荷与风振风载荷对露天工作的起重机影响很大，尤其是还上作业，沿海一带内路段高大的起重机风载影响不可忽视。例：武钢发生合龙门吊被吹跑；75年南京镇江发生整台起重机被风吹入长江；上海港务局机修厂100t门机被风吹跑，上海杨浦燃料站一台装卸桥交接班时没有把防风装置锁紧，突遇大风，整机被风吹跑，一腿腾空，幸好撞到终点水泥桩，险些弹入江中，但造成30多处裂缝。天津港发生臂架非工作时被风吹断。2021/10/23星期六物流工程学院WHUT27:①—工作状态的最大风载荷②非工作状态的最大载荷1）风载荷的计算：式中（1）q—风压，q的取值：①根据使用地区的统计风速计算.ρ为密度取平均重度②根据地域，工作状态等由p37表2-4及表下注明中选取。2021/10/23星期六物流工程学院WHUT28（2）c—风力系数（体型系数）定义：ρ—空气密度.ρ=γ(重度)/g:—由模型（风洞）实验获得，与构造形状，尺寸等有关c查p39.表2-82021/10/23星期六物流工程学院WHUT29(3)kh—风压高度变化系数.实际工作状态风载时：=1计算工作状态风载时，kh查p38表2-5或按下式计算：=(h/10)0.3(陆上)=（h/10）0.2(海上及海岛)（4）A—垂直方向的通风面积.（按最不利的通风方位计算）①单片结构：Φ—充实率，依结构类型查表2-6；—结构外轮廓面积②两片结构：（并列，等高）;η—挡风系数，根据万片结构的Φ及a/h查表2-9。注：多片结构：矩形面格结构式塔架结构，三角形截面宽间架结构的风载计算详见P40-41.2021/10/23星期六物流工程学院WHUT302)风振：（高耸塔桅结构）(1）突发阵风的脉冲频率等于或接近结构发固有频率时产生的顺风前后的共振现象。β—风振系数，查下表：β的近似值结构的自振频率f(Hz)4210.660.50.30.2塔型钢结构，钢支架1.251.451.551.621.651.701.75定常气流绕过结构物的表面，在结构物两侧产生涡流，当涡流交替出现的频率等于或接近结构固有频率时产生垂直于风方向的共振现象—卡曼风振。2021/10/23星期六物流工程学院WHUT31例：40年代美国的一座大型悬牵桥固此而导致灾难性的毁坏原西德的一座烟窗因此而重建上海港机厂60年代制造了一台援马尔他的门座式起重机也发现了比较严重的的涡振现象同济大学李国豪教授采取了以下措施得以解决：2021/10/23星期六物流工程学院WHUT326.偏斜运动侧向力Ps(有轨)引起偏斜运动的原因：（1）两侧电机为同步；（2）车轮，四支点的制造，安装误差；（3）轨道不直、不平。由于影响因素多，定量分析难，通常采用下面的经验公式计算：Ps=(λ∑P)/2,式中；λ—侧向力系数，由L/B表查P42，图2-16B—基距，当装有水平轮时，B取水平轮的间距∑P—受侧向力一侧车轮的最大总轮压（由和引起，不计动在系数）2021/10/23星期六物流工程学院WHUT337.运输，安装载荷视具体情况确定（参考P43）8.实验载荷：见P43.9.温度，冰雪，地震载荷一般不考虑。10.作用于起升质量上各种水平力的综合简化计算—起升绳偏摆角α1）引起起升绳偏摆的原因：①回转，变幅水平惯性力②风力③操作因素（如拖钩作业等）。2）水平力下的计算：,α—起升绳摆角：①工作状态最大偏角（Ⅱ类偏摆角）②工作状态正常偏摆角（Ⅰ类偏摆角）=（0.3—0.5）—查P328表11-3。2021/10/23星期六物流工程学院WHUT34§2—3载荷的计算组合基本：：；：　　　　：()附加：，i，特殊：，o，,,,……注：以上载荷不可能同时作用在结构上，它们同时作用的机率与起重机类型，使用场合，工作情况等有关。如：不同类型；有轨：回转式：Pit,Pin无轨：桥式：Pit,Pin不同场合：室内：室外:2021/10/23星期六物流工程学院WHUT35工作状态：　工作：PQ，Pw,i非工作：　，Pw,o计算工况（如桥吊）：①大车不动，小车运动起制动：（小车）②大车运动起制动，小车不动：（大车）1.组合原则：根据起重机的实际工况，将同一工况下可能同时作用在结构上的载荷进行组合，作为结构设计的依据。2021/10/23星期六物流工程学院WHUT362.组合种类：（P44表2—10）说明：表2—10是组合总表，各类起重机组合表见下篇：例：P222P262P263。2021/10/23星期六物流工程学院WHUT37§2—4，结构承载能力的计算方法一.结构安全工作的条件：二、承载能力的计算方法—构件或连接的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 （极限）抗力。σs　或σcrn—安全系数2021/10/23星期六物流工程学院WHUT38两种方法的主要原则：1.许用应力法采用单一的系数考虑安全度极限状态法采用分项系数考虑安全度；2.许用应力法中，,归为抗力项极限状态法中，,归为载荷项☆本教材的压弯构件稳定性计算中引入了“极限状态法”安全考虑情况。2021/10/23星期六物流工程学院WHUT39§2—5强度设计准则及许用应力、静强度设计原则：当时注意：1.n，[σ]，[τ]—与载荷组合类别相应的值，详见表2—11；2.当材料的屈强比(σs/σb)≤0.7时，屈服后的强度储备减小。[σ]=τ≤[τ]2021/10/23星期六物流工程学院WHUT40二、疲劳强度计算1.基本概念1）疲劳破坏：结构在变化应力作用下，当变化应力重复次数达到某一数值时而产生的突然断裂。2）疲劳强度：疲劳破坏前所能承受的最大应力。2.决定疲劳强度的主要因素：1）结构工作级别—表征结构工作繁重程度的参数。级别划分：A1～A8（级别越高越繁重）级别确定：（1）根据结构应力循环等级U0～U9（2）根据结构应力状态即名义应力谱系数Kσ以上数据查表2—132021/10/23星期六物流工程学院WHUT41起重机应力循环等级应力循环等级总的应力循环次数起重机使用情况应力循环等级总的应力循环次数N起重机使用情况U01.6×104U55.0×105常中度使用U1U23.2×1046.3×104不常使用U61.0×106较繁忙的使用U72.0×106繁忙的使用U31.25×105U84.0×106U42.5×105常轻度使用U9＞4.0×106特别繁忙的使用2021/10/23星期六物流工程学院WHUT42☆应力谱系数的计算式选取①若已知结构实际应力变化情况，按下式计算=式中：—第i个起升载荷产生的应力，、、、……、—应力的出现次数；N—总的应力循环次数，N=∑;—额定起升载荷产生的应力；m—指数，对结构取m=3;2021/10/23星期六物流工程学院WHUT43②若不知应力变化情况，可由下表（根据经验）选取起重机结构应力状态及名义应力谱系数应力状态名义应力谱系数构件应力说明S1—小0.125通常承受很小的应力，很少受最大应力S2—中S3—大0.250.50通常承受中等的应力，偶尔受最大应力通常承受较大的应力，有时受最大应力S4—特大1.00经常有规律地地承受最大应力☆《起重机设计规范》规定：A6、A7、A8的结构件应验算疲劳.2021/10/23星期六物流工程学院WHUT442）材料种类：Q235、16Mn16Mn对疲劳较Q235敏感。强度↑、硬度↑、疲劳↓3）应力集中情况等级(详见P365—368)焊接件：—（共5级）疲劳强度高→低非焊接件：—（共3级）疲劳强度高→低4）应力循环特性γγ的定义：对于受拉、受压：γ=σmin/σmax;对于受剪：γ=τmin/τmaxσmin、σmax、τmin、τmax—按组合工计算的疲劳计算点的计算应力，计算γ时应带各自的“+”、“-”号。注：不同机型σmin、σmax计算规定见下篇各章。2021/10/23星期六物流工程学院WHUT45结论：不同工作级别，不同材料，不同的应力循环特性，不同的结构形式，连接方式、形状—即应力集中情况不同时，疲劳强度不一样。2021/10/23星期六物流工程学院WHUT463.疲劳强度设计准则：构件（或连接）承受正压力时：构件（或连接）承受剪力时：构件（或连接）同时承受正应力和剪应力时；表示构件复合应力作用下的相关公式。上式中各符号的意义见P53.〔〕—疲劳许用应力：拉伸时表为〔〕;压缩时表为：〔〕见P53.表2-14。2021/10/23星期六物流工程学院WHUT47影响疲劳强度的四个主要因素反映在疲劳许用应力中。疲劳强度计算的关键：疲劳许用应力的确定。按表2-14计算如：当γ≤0，以拉伸为主时，〔〕—疲劳许用应力基本值，根据结构材料，工作级别，应力集中情况等级查P369，附表4〔〕→γ=-1；在γ=-1条件下由试验及疲劳损伤理论获得各种工作级别，各种材料，各种应力集中情况等级的，（称条件疲劳极限）γ≠-1，当-1＜γ≤1时：试验：，和γ的关系，并考虑安全系数n=1.33,→任意γ下的〔〕见表2-14。注:、为按组合I计算的疲劳验算点的最小和最大应力。→2021/10/23星期六物流工程学院WHUT484.疲劳验算部位举例：1）箱形截面桥式起重机主梁验算部位：①受拉下翌缘横向对焊接缝及附近全体金属②同时受较大正应力，剪应力的腹极受拉区，验算横向加劲助下端焊缝附近腹极的疲劳强度。2）门座起重机大拉杆的接头处焊缝2021/10/23星期六物流工程学院WHUT49疲劳强度计算小结2021/10/23星期六物流工程学院WHUT50§2—6稳定性设计准则一、第一类稳定性问题的设计准则当N＜Ncr时，—稳定的直线平衡状态当N=Ncr时，①可能为直线平衡状态，②可能为微曲平衡状态（随遇平衡）当N＞Ncr时，①可能为不稳定的直线平衡状态；②可能为稳定的曲线平衡状态。结论：当N≥Ncr时出现平衡分支点2021/10/23星期六物流工程学院WHUT51特点：具有平衡分支点，变形由量变到质变设计原则：1.轴心压杆的整体水平条件：σ≤Φ〔σ〕Φ为轴心压杆稳定系数nk—考虑初始缺陷的安全系数2.平面弯曲构件的整体稳定性条件：Φw——受弯构件的整体稳定性系数3.受压应力，剪应力τ，局部压应力的平板局部稳定性条件：2021/10/23星期六物流工程学院WHUT52二、第二类稳定性问题的设计准则设计准则：考虑设计原则一阶应力二阶应力强度许用应力（用二阶应力的强度来代替稳定问题）弹性设计准则：不允许构件截面有塑性扩展2021/10/23星期六物流工程学院WHUT53§2—7刚性的设计准则：结构刚性（刚度）：①抗变形能力—静刚度；②抗振动能力—动刚度。一、静刚度设计准则：1.桥式类型起重机主架：—满载小车位于跨中和悬臂段工作位置时，主梁对应截面在移动载荷（额定起升载荷和小车自重载荷之和，不计动力系数）作用下的扰度值。〔〕—许用扰度值，见P56.表2—15.2.流动起重机的箱形伸缩臂：及详见P56