桥式起重机金属结构设计Word下载.doc
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8+260×
8）×
2mm2
=12160mm2
Ix2==3.43×
Iy2==1.47×
第四章载荷计算
4.1固定载荷
（1）梁自重：
由“机械装备金属结构设计”（记为“书一”，在本说明书中适用）中公式7-26
（4-1）
式中h---梁的高度，单位mm
δ---箱形梁的两块腹板厚度，单位mm
ρ---钢材密度，取为Q235钢，密度为7.85×
10-3g/mm3
S---梁的跨度,单位mm
β---构造系数。
没有加劲肋时，β=1.0。
有横向加劲肋时，β=1.2。
所以单根主梁的质量为
=2×
1000×
12×
7.85×
10-3×
16500×
（1.0-）
=2075kg
重量=g=2075×
9.8N=20335N
单根端梁的质量为
500×
16×
4000×
=335kg
重量=g=335×
9.8N=3283N；
端梁均布载荷F均=3283/4=820.75N/m
（2）小车轨道质量查起重机课程设计（记为“书二”）中
附表22轨道选用轻轨15（线密度q=15kg/m）。
=Sq=1516.5=247.5kg
重量=g=247.5×
9.8=2425.5N
（3）走台、栏杆等质量=355kg
重量=g=355×
9.8N=3479N
（4）半桥架总重量PBQ=PG1+PGg+PG=26239.5N
（5）半桥架总质量mBG=mG1+m1+m2=2677.5kg
（6）主梁的均布载荷
===1590.3N/m
（5）一组大车运行机构的重量：
查书二中表7-3得
=4500N重心作用位置=1.5m。
（6）司机室重量：
PGS=10000N，重心作用位置=2.8m。
4.2小车轮压
起升载荷为=g=78400N
小车质量m=4000kg小车自重=39200N
小车轮压：
查书二表7-4得小车轮压为
空载轮压P=PGX/4=9800N
4.3动力效应系数
起升冲击系数
起升动载系数
式中=1.10；
=0.34；
起升速度等于8m/min；
所以=1.10+0.34×
=1.573
运行冲击系数
式中=90m/min=1.5m/s；
大车运行速度；
H=1mm，轨道接头处两轨面高度差；
所以=1.1+0.0581.5=1.187
4.4惯性载荷
大小车都是4个车轮，其中主动轮占一半，按车轮打滑条件确定大小车运行的惯性力
（1）一根主梁上的小车惯性力：
考虑起升动载系数，则小车轮压为
；
单根主梁上受到的总轮压=114829N
（2）大车运行起制动惯性力（一根主梁上）
小车质量和总起升质量产生的水平惯性力
式中---动力效应载荷系数，查书一表3-4取为1.5；
m=12000kg；
---大车起制动平均加速度，为0.32m/s2
；
由半桥架质量引起的水平惯性力
主梁跨端设备惯性力影响力小，忽略。
（3）小车起制动产生的水平惯性力
式中---小车起制动时平均加速度，为0.25/s2
所以
4.5偏斜运行侧向力
4.5.1满载小车在主梁跨中央
左侧端梁总静轮压按图4-1计算
图4-1、端梁总轮压计算
=
=（78400+39200）+26239.5+10000（1-）+4500+4000
=93539.5N
由==4.1查得=0.11；
侧向力==93539.50.11=5145N
为水平侧向系数
4.5.2满载小车在主梁左端极限位置
左侧端梁总静轮压为（应稍大于小车轴距，取为1.5m）
=（78400+39200）（1-）+26239.5+10000（1-）+4500+4000
=142280N
侧向力==71140N
4.6扭转载荷
由于水平、垂直载荷对主梁截面的偏心作用，因而产生扭转载荷（如图4-2）。
（e=0.56m，=（500+91）mm=591mm=0.591m）
走台、栏杆的总重力及梁端机电设备重力引起的外扭矩：
m
水平惯性力引起移动集中外扭矩：
图4-2、主梁载荷偏心作用
主梁受到的总扭矩为
第五章主梁计算
5.1内力
5.1.1垂直载荷
计算大车传动侧的主梁。
在固定载荷与移动载荷作用下，主梁按简支梁计算，如图所示5-1
图5-1、主梁计算模型
主梁距左支座x处由固定载荷引起的弯矩为：
由移动载荷小车轮压的计算值和引起的支反力为：
有移动载荷引起x截面的弯矩为：
由移动载荷和固定载荷共同引起距左支座距离x处截面的弯矩为（5-1）
将公式（5-1）对x求一次导数并使之为0，即
可得
将所得x值代入公式（5-1）后，求的主梁的最大弯矩为：
=1091135Nm
即=1091135Nm
当小车一个车轮轮压作用在左支座处时，主梁跨端截面上有最大剪力，最大剪力为：
=97837.N
满载小车在跨中时，跨中下翼缘板下侧的剪切力为：
=21301N
5.1.2水平载荷
5.1.3
作用在主梁跨中的最大水平弯矩为：
式中----大车起制动时的平均加速度，为0.32；
g----重力加速度，为9.8；
----主梁在垂直载荷作用下的最大弯矩，但不计算冲击系数和动力系数；
由下式计算得：
=1084739N
因此可得主梁最大水平弯矩为：
=
1）水平惯性载荷：
在水平载荷及作用下，桥架按刚架计算。
K=4b=K=2a=（B-K）=1
水平刚架计算模型示表图5-2
图5-2、水平刚架计算模型
①小车在跨中。
刚架的计算系数为
=1+=1.168
跨中水平弯矩
==142813
②小车在跨端。
跨端水平剪切力为：
=4285.5N
2）偏斜侧向力。
在偏斜侧向力作用下，桥架也按水平刚架分析（如图5-3）
图5-3、侧向力作用下刚架的分析
a=1m；
b=2m；
这时，计算系数为
=1.503
①小车在跨端。
侧向力为
==8803.4N
超前力为
==1853.3N
端梁中点的轴力为
==926.7N
端梁中点的水平剪切力为
=（）=8803.4（-）=2937.4N
主梁跨端的水平弯矩为
=a+b=8803.41+2937.42=14678N.m
主梁跨端的水平剪切力为
=-==926.7N
主梁跨端总的水平剪切力为
==5212N
小车在跨端时，主梁跨中水平弯矩与惯性载荷的水平弯矩组合值较小，不需计算。
5.2强度
需要计算主梁跨中截面危险点1、2、3、4的强度
1）主腹板上边缘1的应力
==
＜
式中n=1.34，为安全系数，从书一表4-11查取；
2）主腹板上边缘点2的应力：
主腹板边至轨顶距离为
=313mm
主腹板边的局部压应力为
=
=7.1MPa
垂直弯矩产生的应力为
==
=72.9MPa
水平弯矩产生的应力为
===22.5MPa
惯性载荷与侧应力对主梁产生的轴向力较小且作用方向相反，应力很小，故不计算
主梁上翼缘板的静矩为
=/2
=10×
652×
（900-10）/2=0.011m3
主腹板上边的切应力为
==Pa=2.28MPa
A0-----------主梁跨端封闭截面面积
点2的折算应力为=+=95.4MPa
===95.4MPa＜=175MPa
3）点3的应力为＜=175MPa
腹板对y轴的静距为：
4）点4处的局部弯曲应力：
翼缘板的实际载荷如图（5-4）所示：
根据轨道与翼缘板在力作用点处位移相等的变形协调条件，得接触支撑力：
式中a=700mm，为主梁小隔板间距；
b=600mm，为主梁腹板间距；
=10mm。
为主梁翼缘板厚度。
=0.1392，为计算系数，从书一中表7-5查取。
=2.24×
106,轨道的惯性矩
图5-4、翼缘板实际载荷图
因此F==753.15N
小车轨道的高度=91mm，轨道底宽=76mm。
取翼缘板压力区长==2×
91+50=232mm。
d==mm。
则k==232/76=3.05；
d/b=244/6000.5
查书一表7-6得：
=0.871=0.919
则翼缘板上表面的局部弯曲应力：
纵向==-65.6MPa；
横向==-69.2MPa；
箱形梁翼缘板上表面还受整体弯曲应力：
=95.4MPa；
翼缘板受双向弯曲作用，应验算复合应力：
=
=88.1MPa＜=175MPa
轨道与翼缘板之间的接触压应力不大，一般不需演算。
横隔板是轨道的支承，当小车轮位于横隔板顶上时，隔板受最大轮压，轨道的接头应尽量位于横隔板处。
5.3主梁稳定性
5.3.1整体稳定性
主梁高宽比
==2.5（稳定）
5.3.2局部稳定性
翼缘板==56.5>
50，需加纵向加劲肋
翼缘板最大外伸部分==5＜15（稳定）
腹板==133.3＜320，需要设置横向加劲肋
第一条设置在距腹板受压边h1=（0.15~0.2）h0=120~160mm取h1=150mm
第二条设置在距腹板受压边h2=（0.3～0.4）h0=240~320mm取h2=300mm
第六章端梁计算
端梁截面已初步选定，现进行具体计算
端梁计算工况取满载小车位于主梁跨端，大小车同时运行起制动及桥架偏斜
6.1载荷与内力
6.1.1垂直载荷
端梁按修改的钢架尺寸计算，=1.4m,a=1m,b=2m,K=2b=4m,B=6m,=0.5m。
a2=0.2
主梁最大支承力=97837N；
因作用点的变动引起的附加力矩为零；
端梁自重载荷为=606.4N/m
端梁在垂直载荷作用下按简支梁计算如图6-1
端梁支反力为
=+=97837+0.5×
1.187×
1486×
4
=101365N
图6-1、垂直载荷下端梁的计算
截面1-1
弯矩=--
==202730N.m
剪力=0
截面2-2
弯矩=a-
=101365×
1－0.5×
1486（1＋0.5）2＋97837=197217.6N.m
剪力=-
=101365－1.187×
1486（1＋0.5）=98719N.m
截面3-3
弯矩=0
剪力=-=101365－1.187×
0.5=100483N.m
6.2水平载荷
端梁的水平载荷有、、、等，亦按简支梁计算，如图所示6-2
因作用点外移引起的附加水平力矩为
==5439×
0=0N.m
弯矩=a=5439×
1=5439N.m
其中=5439N
.
图6-2、水平载荷下端梁的计算
剪切力
==8803.4N
轴力
==5212N
截面2-2
在、、、水平力作用下，端梁的水平支反力为
=++
=8135+8803.4+5439
=22377.4N
水平剪切力
==22377.4N
弯矩为
=a=22377.4×
1.09=24391.4Am
其他内力小，不计算
截面1-1的应力计算需待端梁拼接设计合格后方可进行（按净截面）
截面角点
=
=38.2MPa<
=175MPa
端梁支承处为安装大车轮角轴承箱座而切成缺口并焊上两块弯板8mm130mm）,端部腹板两边都采用双面贴角焊缝，取=8mm,弯板两个垂直面上都焊有车轮组定位垫板,弯板参与端梁承载工作，支承处截面如图所示6-3。
1）形心
=
=118.4mm
图6-3端梁支承处截面
惯性矩为
=58.6106mm4
中轴以上截面静矩S=8×
184×
（205+4）=307648mm3
上翼缘板静矩=8×
470×
（81.6-4）=291776mm3
下翼缘板静矩=8×
260×
（118.4-4）=237952mm3
腹板中轴处的切应力为
===29.5MPa
<
=100MPa
端梁支承处的翼缘焊缝截面计算厚度（20.78mm=11.2mm）比腹板厚度（8mm）大，故焊缝不需验算，截面3-3的水平弯矩小，忽略不计
6.3疲劳强度
端梁疲劳强度计算只考虑垂直载荷的作用
6.3.1弯板翼缘焊缝
验算截面3-3的弯板翼缘焊缝
满载小车在梁跨端时，端梁截面3-3的最大剪切力为
==88873.3N
空载小车位于跨中不移动时端梁的支反力为
=44161.25N
这时端梁截面3-3相应的剪切力为
==44161.25-1309.2×
0.265=43814.3N；
弯板翼缘焊缝的应力为
===16.1MPa
===5.72MPa
===0.355
按查的=133MPa，取拉伸式
===234.8MPa
===166MPa
==0.097＜1.1；
合格。
6.3.2端梁中央拼接截面
根据端梁拼接设计，连接螺栓的布置形式已经确定，可只计算受力大的翼缘板拼接截面1-1的内力为
==113895.2N.m
空载小车位于跨中不移动，主梁跨端的支承力为
===42519.75N
这时的端梁支反力为
端梁拼接截面1-1的弯矩为
=44161.25×
—42519.75×
0.7-1309.2×
1.52
=63622.4N.m
翼缘板的平均应力（按毛截面计算）为
===35.5MPa
翼缘板传递的内力为
==35.58470=133480N
端梁拼接处翼缘板面上布置有4-mm的螺栓孔，翼缘板净截面积为
=（470-421）8=3110mm2
应力
==133480/3110=42.9MPa＜
====0.2732＞0
可见，在相同的循环工况下，应力循环特性是一致的。
根据A7和Q235及带孔板的应力集中等级，查得=101MPa
翼缘板拉伸疲劳需用应力为
===219.5MPa
＜
若考虑垂直载荷与水平载荷同时作用，则计算应力要大些
腹板应力较小，不再计算
6.4稳定性
1）整体稳定性
==1.92＜3（稳定）
2）局部稳定
翼缘板/δ=260/8=32.5＜60（稳定）
腹板/δ=480/8=60<
80
故不需要设置加劲肋。
6.5端梁拼接
端梁在中央截面1-1采用拼接板精制螺栓连接，翼缘用双面拼接板8mm470mm450mm及8mm470mm440mm腹板用单面拼接板8mm470mm570mm,精制螺栓选用M20mm,拼接构造及螺栓布置如图（6-4）所示
图6-4、端梁拼接构造
6.5.1内力及分配
满载小车在跨端时，截面1-1的内力为
===52478N.m；
=1196.6N.m；
端梁的截面惯性矩为
=0.9719109mm4
=1.7757109mm4
腹板对x和y轴的总惯性矩为
=2.837108mm4
=1.3843108mm4
翼缘对x和y轴的总惯性矩为
=6.8817108mm4
=16.372108mm4
弯板分配
：
腹板==N.m
翼缘===36965.6N.m
腹板===93.1N.m
翼缘===1102.7N.m
水平剪切力分配
剪力有上下翼缘板平均承受，一块翼缘板所受的剪切力为
==6915N；
=470×
6=2720mm
=597×
8=4786
轴力分配
轴力按截面积分配
一块翼缘板受轴力
===735.9N
一块腹板受轴力
===579.3N
6.5.2翼缘拼接计算
由产生的翼缘轴力为
===61100N
一块翼缘板总的轴力为
=+=579.3+61100=61679.3N；
拼接缝一边翼缘板上有5个螺栓，一个螺栓受力（剪切力）为
===10335.9N
由上下翼缘板平均承受，一块翼缘板的水平弯矩为
==551.4Nm
拼接缝一边翼缘板上螺栓的布置尺寸为==3，可按窄
连接计算=150mm,=4（502+1502）=100000mm2
翼缘板角点螺栓的最大内应力为
===827.1N
角点螺栓顺梁轴的内力和为
=+=827.1+10335.9=13163N
水平剪切力由接缝一边翼缘上的螺栓平均承受，一个螺栓的受力为
===1383N
角点螺栓的合成内力为
===13235N
选精制螺栓M20mm,孔d=21mm,=8mm
一个螺栓的许用承载力为
剪切[]===96981N
承压==2181.8=52920N
＜（合格）
6.5.3腹板拼接计算
由对腹板产生的轴力为
===222.7N
一块腹板总轴力为
=+=222.7+735.9=968.6N
焊缝一边腹板螺栓平均受力，一个螺栓受力为
===60.5N
腹板垂直弯矩由两腹板承受，一块腹板的弯矩为
==7757N.m
拼接缝一边腹板上螺栓的布置尺寸为==5.5＞3，属窄式连接=550mm；
=1102+3302+5502=423500mm2
腹板角点螺栓的最大内力为
===5037N
腹板角点螺栓顺梁轴的内力和为
=+=60.5+5037=5097.5N
单剪螺栓的许用承载力
=10.8175=48490.6N
＜（仍属合格）
6.5.4端梁拼接接截面1-1的强度
因拼接处螺栓孔减少了截面惯性矩，需用净截面验算强度
同一截面中各板的螺栓孔对x和y轴的惯性矩为
=218[8（307-4）2+4（552+1652+2752+3852）]
=2.941108mm4
==1.07805108mm4
端梁拼接处净截面惯性矩为
=-=9.719108-2.941108=6.778108mm4
=-=17.757108-1.078108=16.679108mm4
全部板材的螺栓孔截面积为
=21×
8×
（8+10）=3024mm2
拼接处净截面积为
=A-
2+597×
2-3024
=14048mm2
端梁拼接处强度为
=
=24.2MPa＜（合格）
显然，垂直载荷产生的应力是主要的。
端梁计算中，载荷齐全，个别取值偏大，如小车运行惯性力仅由一侧端梁承受等，实际上要比计算结果小些。
第七章主梁和端梁的连接
主、端梁采用连接板贴角焊缝连接，主梁两侧各用一块连接板与主、端梁的腹板焊接，连接板厚度=8mm，高度=0.95=0.95613=582mm,取=580mm，主梁腹板与端梁腹板之间留有20～50的间隙，在组装桥架时用来调整跨度。
主梁翼缘板伸出梁端套装在端梁翼缘板外侧，并用贴角焊缝（=8mm）周边焊住。
必要时可在主梁端部
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