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1、 1.2.1 總安全系數的許用應力計算法 考慮到各種不利因素影響，用一個總安全系數K來解決，即將鋼材可以使用的最大強度（如屈服強度）除以一個籠統(tǒng)的安全系數。作為結構的計算時容許達到的最大應力-許用應力。這種計算方法成為許用應力設計法，表達式為： 式中：N-構件內力； S-構件幾何特征； -鋼材屈服強度； K-安全系數； -構件計算應力； 這種總安全系數的許用應力計算法的缺點是：由于采用了一個安全系數，將使各個構件的安全度各不相同,而整個結構的安全度取決于安全度最小的構件。其優(yōu)點是表 達式簡單、概念明確、應用方便。KSN S S 1.2.2 三個系數的極限狀態(tài)計算法 根據結構使用上的要求，在結構
2、中規(guī)定兩種極限狀態(tài)，即承載能力極限狀態(tài)和變形極限狀態(tài)：承載能力極限狀態(tài)是指結構或構件達到最大承載能力或達到不適于繼續(xù)承載的變形極限狀態(tài)；變形極限狀態(tài)是指結構或構件達到正常使用（變形或耐久性能）的某項規(guī)定的極限狀態(tài)。同時引入三個系數：載荷系數、質均系數、工作條件系數。以載荷系數k1考慮載荷可能的變動，以質均系數k2考慮鋼材性質的不一致，以工作條件系數k3考慮結構及構件的工作特點以及某些假定的計算模型與實際情況不完全相同等因素。這種方法比按許用應力計算法考慮的細致一些，但某些系數（如工作條件系數）的確定還缺乏客觀依據和科學方法，同時它的表達式較為繁瑣，其表達式為： SKKNK si 321 n 1
3、.2.3 以結構極限狀態(tài)為依據，多系數分析后用單一安全系數的許用應力計算法n 1974年我國正式編制鋼結構設計規(guī)范TJ17-74，規(guī)范中采用的表達式是許用應力計算方法，但在確定安全度方面與早期許用應力計算法有所不同。它是以結構的極限狀態(tài)（強度、穩(wěn)定、疲勞、變形）為依據，對影響結構安全度的諸因素以數理統(tǒng)計的方法，并結合我國建國后20年來的工程實踐經驗進行多系數分析，求出單一的設計安全系數，以簡單的許用應力形式表達，實際上是半概率半經驗的極限狀態(tài)計算法。其按承載能力計算的一般表達式為：K SKKK SN Ssi 321 載荷系數k1是用以考慮實際載荷可能有變動而給結構留有一定安全儲備的系數.根據對
4、剛屋架、吊車梁的設計資料，按載荷統(tǒng)計資料，分析后得出的加權平均載荷系數，其變動范圍在1.145-1.305之間，為簡化起見，采用=1.23。 n 材料系數k2是用以考慮材料強度變異的系數。按當時國家標準規(guī)定3號鋼（現(xiàn)行標準的Q235材料）的屈服強度為235N/mm2，低于此值者即為廢品，在結構設計中即取此廢品極限值作為3號鋼的標準強度。但是，鋼鐵公司的產品質量是不均勻的，公司之間，同一公司內不同生產廠（或車間），甚至同一生產廠（或車間）內，產品的質量也存在差異，同時，各個生產廠對產品的驗收又是采用抽樣檢驗的方式，這就不可避免地會有屈服強度小于2400kg/cm2（相當于235N/mm2）的鋼材
5、混雜其間，作為正式產品供應（在商品經濟的今天，甚至有一些不法分子為謀取私利故意將不合格的產品混入合格產品中進行銷售）。根據對我國當時大中小有代表性的鋼鐵廠的鋼材強度統(tǒng)計分析結果，并考慮到過去設計經驗而定出的材料強度系數是：對于3號鋼，k2=1.143，對于16錳鋼和16錳橋鋼，k2=1.175。 n 在設計計算中，僅考慮單一的載荷系數和材料強度系數還是不夠完備的。例如，對活載荷所占比重較大的構件，或施工條件較差的連接構件等都與一般條件等同看待，其安全度就顯得偏低；不同結構和部件失效后產生的損失和影響不同，即重要度不同，要求的可靠度也自然不同。調整系數就是用以考慮這些特殊的變異因素（載荷的特殊變
6、異、結構受力狀況和工作條件）的系數。其數據主要是根據實踐經驗確定的。對于3號鋼，和16錳鋼，一般取K3 =1.05。 K1、K2、K3綜合確定后的安全表達式為： 上式即為鋼結構設計規(guī)范TJ17-74采用的許用應力設計法 的表達式。例如,3號鋼的=2400kg/cm2, K1=1.23、K2=1.143、K3=1.0，則K=1.23 SNi 321 KKKK ss n 1.2.4 以概率論為基礎的一次二階矩極限狀態(tài)設計法n 極限狀態(tài)的概率設計法是把各種參數（載荷效應、材料抗力）作為隨機變量，運用概率分析法并考慮其變異性來確定設計采用值。這種把概率分析引入結構設計的方法顯然比許用應力設計法先進。近
7、年來各國逐漸采用此種方法。n 設結構或構件的承載能力為R,R取決于材料的抗力和構件的幾何特性。這些參數都是隨機變量，根據它們各自的統(tǒng)計數據運用概率法來確定它們的設計值。設計值確定了承載力R也就確定了。n 載荷效應是指各種載荷、溫度變化和地震等對結構或構件的作用產生的效應，亦即同時作用于結構或構件的若干種載荷分別在結構或構件中產生的內力，這些內力的總和也就是載荷效應，用S表示。各種載荷也都是獨立的隨即變量。根據他們各自的統(tǒng)計數值，用概率法確定其設計值。這些載荷的設計值確定后，總的載荷效應S也就確定了。 n 當RS時為可靠，RS時為不可靠，R=S時為結構或構件承載能力的極限狀態(tài)。設計時應使R=S的
8、概率可靠度不低于某一特定數值。這就是極限狀態(tài)概率設計法。 n 1. 2.5金屬結構計算方法n 金屬結構是工程機械的承載構件，而工程機械是一種短周期循環(huán)工作的機械，這一特點導致了機械實際載荷的多變性。機械工作時不僅在不同的循環(huán)中載荷不同，而且在同一循環(huán)過程中工作載荷也在變化，即使工作載荷不變化,也有帶載行程和空載行程的差別，再加之每一循環(huán)過程中的多次起動、制動所引起的動載荷以及起升載荷作用位置的移動或擋風面積的變化等，都會導致構件受載的改變。另外還有一些載荷，如風載荷、道路不平導致的沖擊載荷等，本身具有明顯的隨機性。根據工程機械受載過程這個復雜的隨機過程，宜采用以概率論為基礎的一次二階矩極限狀態(tài)
9、設計法。但是，由于目前對工程機械隨機載荷的研究還不太充分，缺乏適用于工程機械結構的各分項系數的可靠統(tǒng)計數據，故我國以及絕大多數國家至今尚未采用以概率論為基礎的極限狀態(tài)法來設計結構，仍采用半概率半經驗的極限狀態(tài)計算法，即以結構極限狀態(tài)為依據，多系數分析后用單一安全系數的許用應力計算法。 n n 該設計方法是通過計算承重結構或構件是否滿足承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)要求進行的。n一、承載能力的計算n 承載能力計算是對結構或構件的強度、穩(wěn)定及疲勞等方面進行分析，確保結構或構件在承受各種載荷時，滿足承載能力極限狀態(tài)要求。一般表達式為： N-考慮各種載荷系數計算的內力 S-構件幾何特性； -材料許
10、用強度 SN i n二、變形計算：n 變形計算是從結構或構件的變形方面進行分析，確保結構或構件在承受各種載荷時，正常使用（變形）極限狀態(tài)的要求。一般表達式為： 式中： -結構或構件在標準載荷作用下產生的最大撓度； -規(guī)范規(guī)定的許用撓度； -結構或構件的長細比； -規(guī)范規(guī)定的許用長細比； 或 n 1.2.5.1作用在金屬結構上的載荷及其組合 n 目前，金屬結構采用的設計方法為以結構極限狀態(tài)為依據，多系數分析后用單一安全系數的許用應力計算法。其安全系數取決于載荷系數、材料系數及調整系數，為更好的理解和選用安全系數，要認真分析作用在金屬結構上的載荷組成及組合。n一、載荷種類n 工程機械結構或構件承受
11、的載荷多種多樣，且并非始終作用在結構上。n 根據作用于結構上的概率可劃分為：基本載荷、附加載荷、特殊載荷和其它載荷。n 基本載荷正常工作時始終或經常作用在機械上的載荷，包括自重載荷、工作載荷、各種動載荷和離心力。n 附加載荷正常工作時不經常作用機械上的載荷，包括工作狀態(tài)下的風載、溫度載荷； n 特殊載荷指偶然作用在機械上的載荷，包括非工作狀態(tài)下的風載，試驗載荷、工作狀態(tài)下的碰撞載荷。n 其它載荷其它載荷包括安裝載荷、工作平臺和通道所受的載荷、運輸載荷。 n二、載荷組合 n 載荷的組合方法與計算形式及目的有關，不同產品的載荷情況各不相同，計算形式及目的也不相同，載荷組合自然不同。塔式起重機設計采
12、用的是半概率半經驗的極限狀態(tài)計算法，確保結構或構件：n（1)能承受在正常使用時可能出現(xiàn)的各種作用力；n（2）在正常使用時具有良好的工作性能；n（3）具有足夠的耐久性；n（4）在偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后，能保持必需的整體穩(wěn)定性。n 根據塔式起重機設計規(guī)范中規(guī)定的載荷，進行結構設計計算時，應按塔式起重機的構造形式、使用方式和計算目的在表1-28中選取可能出現(xiàn)的載荷組合情況。n組合A（正常工作載荷的組合） n組合A也稱疲勞（耐久性）計算載荷，它只考慮基本載荷的各種組合。除計算電動機功率外，一般不考慮風載荷。此種載荷組合用于結構件及其連接的強度、彈性穩(wěn)定性和疲勞計算。 n 組合B（工作最大載荷的組合）n
13、 組合B也稱強度計算載荷，考慮基本載荷與附加載荷的各種組合。它包括塔式起重機在容許的最繁重的使用條件下的各種最大載荷，其中包括有自重載荷、起升載荷、猛烈起動或制動時產生的慣性載荷、工作狀態(tài)下的最大風載荷、水平側向載荷等。此種載荷組合用于結構件及其連接的強度和彈性穩(wěn)定性計算。n 組合C（非工作最大載荷的組合）n 組合C也稱驗算載荷，考慮基本載荷、附加載荷與特殊載荷的各種組合。它是指起重機處于非工作狀態(tài)下可能出現(xiàn)的最大載荷，包括自重載荷、非工作狀態(tài)下的最大風載荷、路（軌）面坡度等所引起的載荷以及試驗載荷等。此種載荷組合用于結構件及其連接的強度和彈性穩(wěn)定性計算。 n 具體設計計算時，各種載荷的數值、
14、方向和作用位置應按對所校核的結構及連接為最不利的情況進行組合。 n 1.2.5.2許用應力n許用應力是指機械結構或構件在載荷組合作用下結構或構件中容許產生的最大應力。 Ks 321 KKKK 載荷系數k1是用以考慮實際載荷可能有變動而留給結構一定安全儲備的系數。是根據載荷統(tǒng)計資料，分析后得出的加權平均系數。 材料系數k2是用以考慮材料強度變異的系數。是根據對我國當時大中小有代表性的鋼鐵廠的鋼材強度統(tǒng)計分析結果，并考慮到過去設計經驗而定出的。 調整系數k3是用以考慮特殊的變異因素（載荷的特殊變異、結構受力狀況、重要程度和工作條件等）的系數。其數據主要是根據實踐經驗確定的。 按起重機設計規(guī)范規(guī)定:
15、結構件材料的拉伸、壓縮、 彎曲許用應力以及剪切、端面承壓許用應力按相應載荷組合而定，可從表129中選取。 n 1.2.5.2金屬結構計算的研究n 工程機械受載過程是一個復雜的隨機過程，宜采用以概率論為基礎的一次二階矩極限狀態(tài)設計法。只是由于目前對工程機械隨機載荷的研究還不太充分，缺乏適用于工程機械結構的各分項系數的可靠統(tǒng)計數據，我國以及絕大多數國家至今尚未采用以概率論為基礎的極限狀態(tài)法來設計結構，仍采用以結構極限狀態(tài)為依據，多系數分析后用單一安全系數的半概率半經驗的極限狀態(tài)計算法即現(xiàn)行許用應力計算法，如起重機設計規(guī)范GB3811-2008、塔式起重機設計規(guī)范GB13752-92。n 結構工程技
16、術人員進行設計時，首先應該執(zhí)行現(xiàn)行國家標準，保證產品的結構要求。在保證產品安全可靠的前提下，引進先進技術降低成本也是工程技術人員天職。在現(xiàn)行國家標準沒有采用以概率論為基礎的一次二階矩極限狀態(tài)設計法之前，我們認真研究以概率論為基礎的一次二階矩極限狀態(tài)設計法，將其思想和理念應用于機械金屬結構設計,在保證產品安全可靠的前提下最大限度的降低產品生產成本是必要的。 n 以概率論為基礎的一次二階矩極限狀態(tài)設計法中的載荷效應基本組合表達式如下：。 這種計算方法中1、結構重要性系數的采用值得我們機械金屬結構設計借鑒的，作為工程機械應用的工作性質經常變化，可能無從談起重要性，然而作為工程機械本身，就是一個復雜的
17、工程，各個部件的重要性對塔式起重機安全的作用是完全不同的。以塔式起重機為例，塔式起重機塔身的重要性最高，一旦出現(xiàn)失效就會出現(xiàn)機毀人亡的重大事故。而工作護欄等結構其重要性明顯要低，采用同樣的安全程度顯然不合理。在設計時應予以考慮。 2、可變荷載組合系數的采用也是我們值得借鑒的，與建筑工程相似，各種可變載荷同時達到最大值的概率是很小的。因此，在既有其它可變載荷又有風荷載參加組合時，應該適當考慮。如在采用現(xiàn)行設計規(guī)范的計算時，適當放大計算應力 使其接近材料的許用值，或在計算風載荷時在規(guī)范規(guī)定的范圍內取小值計算風載荷fni QidcdQGd )( 210 q 1.2.6 1. 1. 1. 4、連接件強
18、度校核 在過去的焊接連接計算中，往往連接件的計算，給產品或工程造成巨大的損失，最新的鋼結構設計規(guī)范 GB3811-2008中，給出了節(jié)點板的計算方法，但對于塔機單肢結構連接套處的計算方法沒有作出規(guī)定。最近我在編寫金屬結構教材時，將作出探討。它的計算與連接套與主肢的制造工藝有關。 鋼材的可焊性n 工程機械結構大多為焊接結構，鋼材的可焊性是衡量鋼材焊接工藝好壞的指標。人們通常用焊縫及其相鄰基本金屬的抗裂性和使用性能來說明材料可焊性的優(yōu)劣。n 碳素結構鋼的可焊性，可以粗略地用碳物質的量來表示，nc0.45時，則認為鋼材的可焊性良好。計算碳物質的量的經驗公式為：n式中 C、Mn、Si、Cr、Ni、Mo
19、、V鋼材的化學成分 n 1.3.4塔機金屬結構設計中強度與剛度關系n 許許多多計算方法的確立,都是建立在一定的假設條件下,金屬結構的焊縫和螺栓計算也不例外,假設被連接件為剛性構件,然而隨著新材料高強度鋼材的出現(xiàn),被連接件厚度越來越小,剛性不斷降低,離計算的基本假設越來越遠,計算偏差越來越大,應該引起我們的足夠重視。n 塔式起重機的上下轉臺和回轉支承是實現(xiàn)轉動部分和固定部分連接的重要部件，其結構設計的質量將直接影響整機的工作性能和安全性。本節(jié)從上下轉臺與回轉支承連接用高強螺栓的受力分析開始，提出了不僅轉臺的強度而且剛度同樣與螺栓受力有著密切的關系。由轉臺筋板開裂和筋板焊縫開裂的原因分析，得出了轉
20、臺設計的原則：在滿足強度前提下要充分考慮其剛度，避免因為剛度不足引起的“強度”問題出現(xiàn)，保證塔機工作的安全性。然后探討了這一原則在轉臺結構設計中的具體落實與應用，并通過一個設計實例借助有限元分析驗證了這一原則和方法的有效性和正 確性。 n 2004年12月中旬，某工地一臺QTZ63塔式起重機在使用過程中下轉臺與回轉支承連接螺栓斷裂，上部回轉部分脫落造成一人死亡的事故。據統(tǒng)計該問題曾多次在塔機事故中出現(xiàn)，塔機轉臺焊縫開裂、筋板斷裂、回轉噪音大等現(xiàn)象在實際應用中普遍存在，時常有大大小小的事故發(fā)生在回轉支承和上、下轉臺上。該部件的結構設計和生產質量引起了人們的廣泛關注。n一.事故原因分析n 1）高強
21、度螺栓斷裂原因分析n回轉支承作為塔機回轉的核心部件，與上下轉臺的連接均采用高強度螺栓。分析得知高強度螺栓的斷裂有這樣幾個主要原因：高強螺栓質量問題、安裝時高強螺栓預緊力達不到、轉臺結構設計問題。關于高強螺栓質量問題這里不作探討，下面僅分析高強螺栓預緊力和轉臺結構對高強度螺栓的受力影響。 n 螺栓群受力計算的基本假設為被連接件的剛性無窮大，在彎矩作用下螺栓受拉時，普通螺栓和高強度螺栓的內力計算方法不同。普通螺栓連接，在彎矩作用下產生繞彎矩指向一側的第一行螺栓中心線轉動。高強度螺栓連接時，螺栓承受的外拉力總是小于預緊力，被連接面一直保持緊密結合，中性軸為螺栓群的形心軸?？梢钥闯鲈谕葪l件下高強度螺
22、栓受力比普通螺栓受力大，但是普通螺栓接連接面會出現(xiàn)分離，在動載荷作用下存在載荷沖擊，螺栓拉力很難精確計算；高強度螺栓在預緊力作用下不會出現(xiàn)連接面分離，避免沖擊載荷的產生，所以與回轉支承連接均要求采用高強度螺栓。n 采用高強度螺栓，如果預緊力達不到要求或者沒有預緊力，高強度螺栓受力情況就接近普通螺栓造的受力情況；如果預緊力不一致螺栓松緊不一就會造成螺栓受力不均，較緊的螺栓受力大，超過極限承載能力時會造成事故。 標準明確規(guī)定，預緊力得不到控制的高強度螺栓其安全系數為：a)普通螺栓 b)高強度螺栓 n（2）轉臺結構對螺栓受力的影響n 高強度螺栓的受力分析是建立在連接件剛性無窮大、不考慮連接件變形基礎
23、上的，但是在實際過程中任何連接件都達不到這一條件。n當轉臺剛度足夠大時，螺栓受力接近理想狀態(tài)，但是如果轉臺剛度整體或局部不足，當螺栓同時受力時，剛度較弱處最先發(fā)生彈性變形，使剛度較好處的高強螺栓受力增大，當超過螺栓極限承載能力時發(fā)生破壞，該螺栓退出工作，另一剛度較好處的螺栓受力急劇惡化，在某一時刻發(fā)生破壞，退出工作。依次變化、惡性循環(huán)而導致全部螺栓破壞，上下結構分離，造成事故。n上述分析可以看出：在考慮高強度螺栓受力時，必須充分考慮轉臺的剛度，轉臺設計時，不僅要滿足強度要求，同時也要保證轉臺的整體剛度。 n 2）下轉臺筋板開裂和筋板焊縫開裂分析n 筋板開裂的主要原因一般有：母材質量問題、轉臺結
24、構設計問題。筋板焊縫開裂的主要原因一般有：焊縫質量問題、轉臺結構設計問題。關于母材和焊縫質量這里不作探討，僅分析轉臺結構對受力的影響。n 轉臺筋板布置是在圍板基礎上增加立筋來增加轉臺剛度和強度，從整體來看如果筋板布置不合理就會造成筋板受力不均勻。當焊縫強度低于母材強度時，筋板受力大的焊縫首先發(fā)生破壞，如果焊縫強度大于母材強度就會造成筋板斷裂。從局部來看，如果地板剛度不足，焊縫便會增加附加彎矩，引起焊縫破壞。n 綜上所述，轉臺設計的原則應該是在滿足強度前提下要充分考慮其剛度，避免因為剛度不足引起的“強度”問題出現(xiàn)，保證塔機工作的安全性。這就要求我們在轉臺設計時對強度、剛度要經過嚴格計算，以免造成事故的發(fā)生，下面我們探討在轉臺結構設計時如何落實和實施這一原則。 最近市場上出現(xiàn)了一種SS系列施工升降機就省電、無冒頂之說這里討論以下，僅供參考。
塔式起重機設計技術
