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金属结构设计原则
第一节概述
金属结构是由型材、板材和铸锻件等金属制件通过一定的连接手段所制成并满足一
定使用要求的工程结构。
起重机的金属结构是起重机的重要组成部分。它是整台起重机的骨架,用以装置起
重机的机械、电器设备,支持被起吊的重物,承受和传递作用在起重机上的各种载荷。
起重机依靠金属结构的支架作用而形成一定的作业空间;依靠金属结构外形的变化形成
不同的机型以满足使用要求;依靠金属结构构件所组成的机构实现预定的运动规律。
起重机金属结构的工作特点是受力复杂、自重大、消耗材料多,对于港口大型起重
机械,金属结构的自重往往是整机重量的 70%以上,成本比例也较高。因此,在满足总
体要求和性能要求的前提下,充分利用材料、减轻自重、简化工艺、降低成本,成为起
重机金属结构设计制造的共同发展与研究方向。近年来,国内外对金属结构进行了大量
的研究工作,出现了许多新的结构型式,使用了新的设计方法,创造了先进的制造工艺,
使金属结构的设计和制造取得很大成就。
新版《起重机设计规范》(GB3811—XXXX)规定“起重机结构设计计算可采用许
用应力法或极限状态法。当结构在外载荷作用下产生很大变形,内力和载荷呈非线性关
系时,宜采用极限状态法。”但是长期以来,起重机金属结构设计中一直使用许用应力
计算法。而在建筑行业,从上世纪 80 年代开始就已规定,“除疲劳计算外,结构设计采
用以概率理论为基础的极限状态方法,用分项系数设计表达式进行计算。”极限状态法
更准确地考虑了载荷作用性质,材料性能及结构工作特点等因素,使计算准确,能够充
分地利用材料,与许用应力法相比较,能更好地反映结构(尤其是非线性结构)各构件
或连接的实际安全度,因而能更好地保证所设计结构的合理性和可靠性。现行的许用应
力设计法,仅有使用方便、计算简单、有一定的准确性和合理性,且在起重机金属结构
设计中被长期广泛采用。但其缺点也是明显的,即对不同用途,不同性质的金属结构采
用相同的安全系数,使其实际结构在可靠度意义下的安全性不是偏大就是偏小。有些算
法不能反映实际状态或不完善,因此,应进一步研究的主要内容有:
1) 焊接结构疲劳强度计算法
2) 具有初始缺陷构件的稳定性计算法
3) 带筋薄板的承载能力计算法
4) 以断裂力学为基础的结构断裂计算方法
5) 金属结构动力分析与优化设计研究等
此外,随着计算机三维设计的普及与有限元分析手段的提高,应加强起重机金属结
构的参数化设计、标准数据库建设和 CAD—CAE—CAM 的综合应用研究。
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第二节设计的基本要求
起重机(特别是港口起重机)是一种工作条件十分繁重的重型机械设备。其载荷复
杂多变,动态性质显著,所以作为整台起重机骨架的金属结构,其设计制造质量的好坏
将直接影响整个起重机的技术经济指标,即起重机的可靠性,适用性和制造、运转成本。
为保证起重机良好的技术经济性,起重机金属结构应满足以下基本设计要求。
1、满足总体设计要求
金属结构是起重机的一个组成部分,必须符合起重机整体设计的要求。首先应满足
总体对工作幅度、跨度、前伸距、后伸距、起升高度等作业空间的要求;其次应满足总
体提出的机构学上要求,如门座起重机为保证变幅过程物体作水平移动,对各结构件提
出的尺寸要求;其三应满足总体布置的要求,使结构件与结构件之间,结构件与机构之
间装配关系协调,在各机构工作范围内,各运动件之间互不发生干扰。
2、坚固耐用、性能良好
为保证起重机坚固耐用、安全可靠。其金属结构必须有足够的静强度、规定寿命下
的疲劳强度和各构件的整体和局部稳定性。为了使起重机具有良好的实用性能和动态性
能,其金属结构应具有足够的静态刚度性和动态刚度性。
3、重量轻、材料省
重量是起重机的一个很重要的技术经济指标。起重机金属结构的重量通常占整体重
量的 60~70%。对具有大型结构件的起重机,如各类装卸船,这一比例可上升到 85~
90%。降低金属结构的重量不仅能节约结构本身的钢材,而且对减轻机构和码头的负荷,
降低整机和码头的造价均有重要意义。
4、构造合理、工艺性好
金属结构的构造型式既应该适应结构的受力特点,使传动路径短、力流平顺,又应
保证结构具有良好的工艺性,使制造、运输、安装和维修方便。根据工厂和工地的设备
和技术条件,尽量采用先进的施工工艺。运送单元的尺寸应遵守运输界限尺寸的限制,
吊装单元的大小和重量应与吊装设备的能力相适应。
5、造型美观
起重机既是机械又是建筑,应该从建筑艺术的观点出发体现其造型美。起重机的造
型主要取决于金属结构的造型。
第三节材料及许用应力