２０１４年第３期（总１９７期） 安徽建筑 直线度对塔机结构杆件承载力的影响分析 Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｓｔｒａｉｇｈｔｎｅｓｓ Ａｃｃｕｒａｒｙ ｏｎ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ Ｔｏｗｅｒ Ｃｒａｎｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 虽 俞 虽华 （安徽建筑机械有限责任公司，安徽合肥２３０６０１） 摘 要：通过力学计算确定塔式起重机承载杆件直线度与杆件承载能 力下降的相应数理关系，据此推导直线度较大的杆件使塔式起重机使 用过程中的安全系数下降程度，并以此判断杆件所在结构是否能够继 续安全使用。 关键词：塔式起重机；直线度；杆件强度；杆件刚度；弯曲变形 中图分类号：ＴＨ２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１ ００７—７３５９（２０１ ４）０３—００７６—０２ １ 概述 在塔式起重机实际使用过程中，由于结构杆件在成型时未 校直，桁架结构焊接时产生过大焊接变形、安装运输过程中的 不当操作、使用过程中轻微碰撞等原因，总会遇到有些杆件的 施 直线度超出设计规定的范围，给施工和检验人员带来一定的困 工 技 惑。本文重点对杆件本身直线度对承载力的影响进行分析，通 术 研 过力学计算确定塔式起重机承载杆件直线度与杆件承载能力 究 下降的相应数理关系，据此推导直线度较大的杆件使塔式起重 与 应 机使用过程中的安全系数下降程度，并以此判断杆件所在结构 用 是否能够继续安全使用。 塔式起重机在设计时，都要对承载杆件的直线度进行明确 要求，承受交变载荷的重要结构杆件一般要求直线度不大于 １‰，关键承载结构杆件一般要求不大于１／７５０，如果因使用操 作不当或者超载后杆件失稳造成直线度过大，因其塑性变形量 较大、强度损失已超出安全使用的允许范围，不在本文讨论之 列。本文所分析的杆件，除因直线度对杆件产生附加弯矩外，产 生直线度较大的原因并没有对杆件生成其它的内应力，或者生 成的内应力远远低于杆件的承载能力，可以忽略不计。本文以 现在建筑工程比较常用的ＱＴＺ６３塔式起重机的标准节主肢为 例，从杆件的强度、刚度、稳定性分析直线度对杆件承载能力的 影响。 ２确定标准节主肢材料力学参数及载荷参数 安 根据现在国内常用ＱＴＺ塔式起重机的机型结构，我们确 徽 定标准节为等边角钢焊接而成的空间桁架结构，高度为２．５ｍ， 建 筑 收稿Ｅｔ期：２０１４—０３～２５ 一 Ｘ Ｘｔ Ｙ０ ｂ＿－边宽度 一内圆弧度半径 Ｚ 一重心距离 １６５０ 塔机标准节 角钢１６０ｘ１６ 图１ 结构形式如图１所示。选取标准节主肢材料为热轧等边角钢， 材料牌号为Ｑ２３５Ｂ，规格型号为Ｌ１６０ Ｘ １６，其截面如图２所 示，并在计算过程中选取角钢直线度为２％。（见图１）。 根据空间桁架结构的受力分析，我们知道此种结构中，标 准节主肢可以认为是两端固定只受拉、压交变载荷的拉压杆， 杆件计算长度为标准节高度的１１２。据此我们可以确定标准节 主肢的计算参数如下。 占＿ｒ一材料屈服强度，为２３５ＭＰａ 卜材料弹性模量，为２．０３×１０ ＭＰａ ——材料泊松比，为０．３ ——角钢杆件计算长度，为１．２５ｍ 角钢杆件直线度，为２％。 Ａ——角钢截面面积，为４９．０６７ｃｍ４ ，＿－一角钢方向 的惯性矩，为１１７５．０８ ｃｍ Ｉｒ一角钢方向 。的惯性矩，为１８６５．５７ ｃｍ ｆ１广角钢方向的惯性矩，为４８４．５９ ｃｍ Ⅳ＿— 准节最不利工况时主肢所受最大拉（压）力 ３直线度对杆件强度的影响 由于杆件有弯曲变形，仅受拉力或者压力的杆件将产生一 个附加弯矩，使杆件所受应力增加或减小。根据不利原则，我们 选择附加弯矩使应力增加最大的部位进行计算。假定弯曲杆件 和理想杆件所受应力相同，则此时弯曲杆件所受拉、压力要比 理想杆件小，设此值为Ｎ ，根据拉（压）弯组合计算公式，我们可 得 ＋ Ｄ＿＝ Ｎ，整理后得 ＝１一 。据此公式我们 安徽建筑 ２０１４年第３期（总１９７期） 将角钢三个不同方向的弯曲变形对强度影响计算如下。 ３．１标准节主肢产生Ｘ方向的弯曲变形 根据观察法可以确定，附加弯矩在Ｂ点出产生的影响最 大，根据以上公式计算如下。 ＮＩ：１一 旦：１一 旦 Ｎ Ｗ＋ＡＬＤ Ｕ（ｂ—ｚｎ、＋ＡＬＤ ．４９．０６７×１２５×２％ｏ ‘１ １７５．０８／（１６－４．５５）＋４９．０６７×１２５×２％。 ＝８９－３％ ３．２标准节主肢产生×。方向的弯曲变形 根据观察法可以确定，附加弯矩在Ｂ、ｃ点处产生的影响 最大，根据以上公式计算如下。 Ｎｌ １ ＡＬＤ Ｎ—一 ———Ｗ＋Ａ—ＬＤ １ ４９．０６７×Ｉ２５ Ｘ ２％ｏ 一１８６５．５７／（１６×ｓｉｎ４５。）＋４９．０６７×１２５×２％Ｄ ＝９３．１％ ３．３标准节主肢产生Ｙ。方向的弯曲变形 根据观察法可以确定，附加弯矩在Ａ点出产生的影响最 大，根据以上公式计算如下。 Ｖ１ １ ＡＬＤ Ｎ Ｗ＋ＡＬＤ ，４９．０６７×１２５×２％ｅ 一４８４．５９×ｓｉｎ４５。／４．５５＋４９．０６７×１２５×２％０ ＝８６％ 通过以上计算结果可知，在Ｙ 方向上产生弯曲变形最危 险，标准节主肢强度损失最大。三个方向的弯曲变形都对杆件 强度有较大影响，２‰的直线度就会使杆件丧失１０％以上的理 想承载能力。 ４直线度对杆件刚度的影响 拉压杆件除了产生轴向变形，还会产生横向变形，杆件弯 曲变形产生的附加弯矩也会使杆件出现挠度。为了验证附加弯 矩会对杆件刚度产生多大的影响，我们分别计算以上两者的最 大变形量，并进行比较分析。塔式起重机由于工作性质恶劣，设 计时使用Ｑ２３５材料一般取许用应力为网＝１７０ ＭＰａ。根据轴向 拉压横向变形公式，可得上例中拉压杆的最大横向变形量为： △ 等 ＿０重 ．３× ｍ＝０．３１４ｍｍ 根据弯矩变形公式，可知１／２Ｌ处发生最大弯曲，就会带来 杆件的最大挠度，直线度２％。附加弯矩会造成的最大挠度为： Ｆ－＝ ： ！ ‘ １６Ｅｌ １６Ｅｌ 一１７０ｘ４９．０６７×１．２５ ｘ １０。４×２％０ ～１ ＿删 而 一 ：０．２０７ｍｍ 最大挠度与长度的比值为： ￡：Ｑ・Ｌ １２５０ Ｑ！：０’． １６６％ｏ 由以上计算结果可知，附加弯矩产生的挠度小于拉压杆的 横向变形量，并远远小于直线度１％。的要求．所以附加弯矩对 杆件的刚度没有太大的影响。 ５ 直线度对杆件稳定性的影响 计算压杆稳定，必须首先确定压杆是大柔度杆还是中柔度 杆，我们根据柔度计算公式可得上例标准节主肢的最大柔度 为： Ａ： ： ： ．堑 ：７９．６ ｌ｜Ａ ｌ Ａ ￣ｖ／４８４．５９／４９．０６７ 式中长度系数 因压杆是两端固定，取值２。 标准节主肢材料是Ｑ２３５，所以材料比例极限为： ￣ｐ＝２０ＯＭＰａ，根据公式计算Ｑ２３５材料的大柔度杆和中柔度杆的 分界值为： 、／孚＝、／ 由于Ａ＝７９．６＜Ａｐ＝ｌＯ０．１ 所以上例标准节主肢是中柔度杆。中柔度杆的临界应力可用 直线经验公式求得，对于Ｑ２３５材料，系数ａ＝３０４ＭＰａ、ｂ＝１．１２ＭＰａ， 由以上可求得标准节主肢的临界应力为： 施 ８￣，＝ａ－ｂＡ＝３０４—１．１２×７９．６ＭＰａ＝２１４．８ＭＰａ 工 技 因临界应力已经确定，标准节主肢弯曲变形产生的附加弯 术 矩就会使主肢能够承受正常应力值减小，减小比率与强度损失 研 究 相同。 与 应 用 ６ 结语 综上所述，塔式起重机承载杆件的直线度对杆件的刚度影 响较小，但对杆件强度和稳定性影响较大，２％。的直线度误差就 会使结构杆件承载力下降１０％以上，所以直线度误差超过允许 范围的结构杆件，必须经专业人员评估，确定修整、强化方案 后，才能进行维修，并保证维修后强度不低于原结构强度。承受 交变载荷的重要结构杆件失稳后，不得进行修复，如塔式起重 机的标准节主肢、起重臂下弦杆。塔式起重机制造、使用单位都 应该严格控制塔式起重机重要承载杆件的直线度误差，确保塔 式起重机的使用安全。 参考文献 【１】张质文，虞和谦，王金诺．起重机设计手册【Ｍ】．北京：中国铁道出版社， ２ｏ０１． 安 ［２］ＧＢ／Ｔ３８１ １－２００８，起重机设计规范［Ｓ】．北京：中国标准出版社，２００８． 徽 ［３］徐格宁．机械装备金属结构设计（第２版）［Ｊ】．北京：机械工业出版社， 建 ２００９． 筑 ［４】ＧＢ ６０６７，１—２０１０起重机械安全规程【ｓ】．北京：中国标准出版社， ２０１０． 囫
