港口起重机钢结构加劲肋设计

尹锋,吕世超,李福来,孙冰正

摘 要：为提高构件承载能力，满足结构稳定性要求，一般都设有纵向和横向加劲肋。加劲肋设计的几何要素要求，在《起重机设计规范》（GB/T3811-2008）中有明确的描述，但它们在本体结构中受力、传力及连接要求没有论述。在一些相关文献中，从不同的角度分析了加劲肋在结构本体中的作用，给结构设计者提供了方便。在相关文献的基础上，提出纵向加劲肋计算方法和不同部位横向加劲肋的作用及设计思路，以便设计者参考借鉴。

关键词：港口起重机;钢结构;载荷;稳定性;加劲肋

0 引言

金属结构是港口起重机的骨架，用以承受和传递起重机负担的载荷和自重。长期以来，金属结构的设计方法多采用以经典力学为基础的半理论、半经验设计法和类比法、直觉法等传统设计法，设计过程不但反复多、周期长，而且对概念的理解、认识不一致，造成设计的精确度差。近年来，随着计算机技术的广泛应用，金属结构设计更多地采用优化设计、有限元法。下面就我们在港口起重机金属结构设计中遇到的问题进行讨论，以期使设计出的港口起重机更符合实际使用工况，更具有功能性、经济性和可靠性。

1 主梁分析模型的构建

1.1 起重机参数及建模软件确定

本文选用箱型双梁桥式起重机的单根主梁作为研究对象。起重机的起升量为50 t，跨度为37.5 m，小车车轮轮距为3.85 m，大车运行速度为66 m/min，小车运行速度为33 m/min。起重机工作级别为A5。本文所采用的三维模型主要在SoildWorks中建立，主要使用的有限元软件为ANSYSWorkbench。由于起重机主梁结构较为复杂，为了缩短计算所需时间，忽略主梁与端梁连接处的螺纹孔结构，将一些倒角等结构保留，分别建立矩型肋、角型肋、T型肋和正球头肋4种加劲肋的三维模型，并在主梁的三维模型中分别进行装配。

1.2 纵向加劲肋简述

在设计桥式起重机主梁时，应对其局部稳定性进行设计校核。纵向加劲肋将起重机箱型主梁分割成较小的四方体结构，提高了起重机箱型主梁的稳定性。常用的纵向加劲肋类型主要有矩型肋、角型肋、T型肋和正球头肋4种。本文将对这4种类型的加劲肋主梁的静、动态特性进行分析。

2 横向加劲肋对结构产生的影响

薄壁箱形构件为满足局部稳定性的需要，保证腹板平面外的整体稳定性，腹板一般要求配置横向加劲肋，也称横隔板。横向加劲肋一般制成开孔的横隔板形式或在开孔处包板的横隔板形式。配置要求在《起重机设计规范》（GB/T3811-2008）中有明确的规定，但要注意开孔圆角半径，圆角半径过小，扭转载荷作用下会出现比较大的应力集中。

在港口起重机梁结构、柱结构或柱梁结构中，仅保证构件局部稳定性的横隔板设计比较简单，满足《起重机设计规范》（GB/T3811-2008）规定的要求即可;在固定集中载荷处或梁的支座处的支承加劲肋设计也非常明确。但在具体梁、柱构件设计时，经常会碰到两种或以上构件相互连接在一起，连接部位没有显示的集中载荷，设计者一般也会采用横隔板的方式予以加固。这些部位的横隔板不仅要满足局部稳定性要求，还要承担传递载荷作用，设计稍有不慎，就会出现严重后果。

在梁、柱构件具体设计时，还有一种特殊情况需要注意，就是海上大型浮式固定臂架起重机。这种起重机固定臂架主要有两种形式，一种是单肢或双肢桁架结构，另一种是单肢或双肢箱形薄壁结构。为了提高双肢臂架的整体稳定性，在双臂架之间设置联系横梁，此联系横梁在起重机正常作业时受力很小，但在拖航工况或在海域锚泊工况下，由于船舶运动，臂架部分产生巨大惯性载荷，联系横梁会承担很大的惯性载荷。此时與联系横梁连接处的臂架必须设置满足强度要求的横隔板，横隔板及连接强度不得低于横梁强度，甚至高于联系横梁强度。另外，联系横梁与臂架连接部位、横隔板及连接设计要有良好几何过渡，降低应力集中，避免由于船舶运动造成臂架结构疲劳开裂。

3 港口起重机钢结构脆性断裂的成因

3.1 应力集中区易出现脆性断裂现象

在桥式起重机结构中，与其他部件相比，钢轨、平衡梁、焊缝等钢构件易于出现脆性破坏问题，这些部件位于起重机的高应力区域，经常受到交变应力的影响，使这些部件承受很大的应力，导致截面出现明显的变化，使应力集中在这个位置，过度的应力作用使纵筋和横隔板的作用都失效。对于设计层，在如此大的应力下，力流不能无障碍地传递，并且结构组成是不合理的，这也是结构中的焊缝致密、焊点更多、接头更多的原因。焊接工艺不好，焊接质量不合格，工件底座材料也不符合设计要求，这是起重机结构裂缝的主要原因。在正常情况下，起重机的结构通过对接焊缝和角焊缝焊接。应力的集中源主要位于焊接突出的位置。一旦结构焊接完成，如果没有更多的机械加工，起重机的抗疲劳性也将大大降低。如果消除焊接缝凸起的部分，将提高起重机的疲劳强度，延长其使用寿命。凸出部位和试样轴线交角处θ，以及凸起位置的高度h是横向对接焊缝受到应力影响的主要部位。

对于角焊缝，由于焊缝向母材基体金属过渡处的截面变化比较明显，应力集中系数大于对接焊缝的应力集中系数。因此，耐疲劳性小于对接焊缝。在角焊缝计算厚度hf≥1.5t（t为焊件厚度）的条件下，可以根据指定的焊缝厚度选择角焊缝的最小厚度。

3.2 钢结构母材的抗疲劳性能决定了钢结构脆性断裂情况

3.2.1 钢材抗疲劳性能降低

如果钢进行长期或反复负荷，承受的最大压力将会逐渐减少，极易受到破坏，比如脆性破坏和突然破裂。处于弹性成型阶段的钢材，如果重复负荷，钢的塑性变形会增加，钢会变硬变脆，然后会出现微裂纹，应力会集中。在这个位置，微裂纹文本将扩展并缓慢增加。此时，应力集中的问题将变得更加明显，钢的断裂和损坏就成了必然。

3.2.2 钢的焊接性能下降

如果钢焊缝变脆或者出现冷裂的趋势，将会对钢的焊接性能造成更大的影响。碳钢通常不会受影响，但是除此以外的6个元素都受影响，比如含量会出现明显的变化，钢会增加热脆性和热倾向。此外，由于热影响导致的冷裂纹倾向会变得越来越明显。为避免钢的性质干扰，必须控制材料中元素的含量。

3.2.3 沸腾钢的性能下降

对于沸腾钢，其偏析现象比较明显。偏析集中表现在：钢材表面会出现纯铁的薄层，该薄层中含有少量的碳。中间层有许多硫元素，同时含有大量有害气体，导致钢材出现了比较明显的区域偏析现象，这会大大地降低沸腾钢的可焊性。此外，钢中含有大量的固溶氮，固溶氮能提高钢材的失效敏感性和冷脆性。磷区域是沸腾钢中偏析现象最严重的元素，它会导致钢的冲击强度降低，冷脆性提高，脆性断裂的概率显著提高。

4 结语

基于材料力学详细分析了港口起重机箱形薄壁构件为满足稳定性设置的加劲肋在构件承载和传载中的作用。纵向加劲肋建议采用连续布置形式且端部不焊接;对于类似梁、柱交接处的横向加劲肋，其设计应不仅满足箱形薄壁结构的局部稳定性要求，还要验算加劲肋本身的强度和连接强度。

参考文献：

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