如何保證箱形主梁的拱度

孟凡榮　王立芳

摘 要：文章針對箱形主梁的預起拱，闡述了主梁腹板下料預起拱曲線的選型、腹板跨中預拱值的確定方法，組裝焊接過程中如何保證箱形主梁拱度的工藝方法。

關(guān)鍵詞：拱度曲線；預拱值；焊接應力

中圖分類號：TH215 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）29-0071-02

起重機主梁是起重機剛結(jié)構(gòu)中主要的承力件之一，若在承載時主梁產(chǎn)生彈性下?lián)希瑢⒉焕谛≤嚨倪\行，所以起重機主梁在設(shè)計過程中常設(shè)計出預拱度。

1 箱形主梁腹板下料

由于主梁的自重下?lián)虾驮谥圃爝^程中產(chǎn)生焊接變形的影響，為保證設(shè)計出的預拱度，在制造過程中必須確定主梁的工藝預起拱曲線。

1.1 箱形主梁腹板下料預拱曲線線型的選擇

起重機主梁上拱度和拱度曲線，決定于腹板的下料預拱曲線。合理的腹板的下料預拱曲線是起重機主梁制造過程中的關(guān)鍵。考慮到隨主梁結(jié)構(gòu)形式和焊縫的分布不同，主梁焊接的下?lián)狭恳膊煌Y(jié)合經(jīng)驗可得，橋式起重機偏軌箱形梁一般焊接下?lián)献冃涡。拱逑铝显谄脚_上放地樣，按四次曲線

y=f中（1-4x2/S2）2或三折線較為合適；對于正軌箱形梁，主梁焊接下?lián)献冃屋^大，主梁腹板下料最佳曲線為四次曲線加二次拋物線，即y=1.3 S/1 000×（1-4x2/S2）2+（f中-1.3S/1 000）（1-4x2/S2）。f中為主梁跨中拱度值。

1.2 箱形主梁跨中腹板下料預拱值的確定

所謂主梁跨中腹板下料預拱值，即是為保證主梁焊接成形后的規(guī)定拱度而在腹板下料時預先給定的拱度。主梁在制造過程中，由于箱形主梁上部焊縫數(shù)量多于下部，焊后容易產(chǎn)生向下的撓曲變形和因為主梁是長而細的構(gòu)件而由自重引起的主梁下?lián)献冃问侵髁合聯(lián)献冃蔚膬蓚€主要因素。因此主梁跨中腹板下料預拱值可按下式計算：F=F技-f焊F自+K。式中，F(xiàn)技-起重機技術(shù)條件要求主梁上拱值F技=0.9 S/1 000～1.4S/1 000，可取中間值；F自為自重引起的主梁變形；F焊為主梁在垂直方向的焊接撓曲變形；K為調(diào)整系數(shù)，5～10 t通用橋式起重機正軌箱形主梁K值為5～15 mm，跨度小的可取小值，偏軌箱形梁K值為5～10 mm。

1.2.1 箱形主梁焊接撓曲變形的理論計算

①箱形梁焊接變形計算的假設(shè)條件。

計算箱形梁焊接變形，除材料力學假設(shè)條件之外，還要有以下假設(shè)：

材料本身沒有原始應力和變形；

梁在焊接過程中不考慮自重和環(huán)境溫度的影響；

梁在不受外載荷和外部約束的情況下焊接；

梁在指定的焊接方法和恒定的焊接規(guī)范下焊接。

盡管在實際生產(chǎn)中上述假設(shè)條件是不完全滿足，但這將有助于得出基本的結(jié)論，而且通過工藝控制可使有些條件接近理想值，如：板材的波浪變形可通過平板矯正來消除，板材的內(nèi)應力可通過拋丸除銹和自然實效來減少；為保證梁的焊縫質(zhì)量，焊接規(guī)范在選定的焊接方法之下通常是恒定的，必須改變時則可分階段計算；梁在正常情況下是不加外載荷和沒有外部約束條件下焊接的。

因此在實際生產(chǎn)中，焊接變形的計算值基本能夠反映梁焊接實際變形的規(guī)律。

②縱向焊縫引起的撓曲變形。

撓曲變形量f可近似的計算式為：f=CS2/8。

式中：C為曲率，其計算式為：C=-3.53×10-6qnZ'/J

其中Z'為構(gòu)件截面重心到縱向焊縫的距離，

J為構(gòu)件截面慣性距，

qn為焊接線能量，即由焊接能源輸入給單位長度焊縫上的能量，其值可按式：qn=2 350 ΨU/aH×K2ε'計算

其中：Ψ為焊縫形成系數(shù)；U為電弧電壓，V；aH為熔敷系數(shù)，g/（A.h）；K為焊腳尺寸；ε'為重疊系數(shù)。

整理并簡化以上公式得出焊接一條縱向焊縫引起的撓曲變形的計算公式為：f=CS2/8=-3.53×2 350×10-6ΨUK2ε'Z'S2/（8aHJ）=-（1.03694×10-3 ΨU/aH）K2ε'Z'S2/J。令θ=1.03694×10-3ΨU/aH為縱向焊縫工藝系數(shù)，代入上式得：

f=-θε'Z'K2'S2/J（1）

對應于不同的焊接方法，θ值列見表1。ε'的取值：單面角焊縫為1，雙面角焊縫為1.3；對接開坡口雙面角焊縫為1.3，單面對接焊縫為1。

③橫向焊縫引起的撓曲變形。

對稱于構(gòu)件長度的中心焊若干橫向焊縫時，其撓曲量f可以求每條焊縫引起的構(gòu)件末端相對于焊縫所在截面的變形總和來計算，即：

f=f1+f2+…+fn=a1Tgφ+a2Tgφ+…+anTgφ=Tgφ∑a≈φ∑a

式中，φ為長度為b的橫向焊縫所引起的角位移（弧度），用下式計算：

C=-3.53×10-6 qnZ'b/J

由上式可得橫向焊縫引起得撓曲量為：

f=φ∑a=-3.53×10-6 ΨUK2ε'Z'b∑a/（8aHJ）

=-8.2955×10-3 ΨU/aH）ε'Z'bK2∑a/J

令r=8.2955×10-3 ΨU/aH為橫向焊縫工藝系數(shù)，則代入上式得出橫向焊縫引起得撓曲值計算式：

f=-rε'Z'bK2∑a/J（2）

對于不同焊接方法，r值列見表2。

當焊縫等距d對稱分布時，構(gòu)件撓曲量f為：

f=dφ（1+2+·…+n）=dφ（n+1）n/2

即f=-rK2（n+1）nε'Z'db/2J（3）

式中：d為筋板得間距，mm；n為半根構(gòu)件上得橫向焊縫間距數(shù)（通常即筋板間距數(shù)）。

以上是針對不帶懸臂的主梁導出的計算公式，對帶懸臂的門式起重機主梁，公式1和公式2仍然適用。

④箱形主梁焊接總撓曲變形。

箱形主梁的制造通常由幾道工序完成，每道工序的焊接變形要根據(jù)每道工序中結(jié)構(gòu)的截面特性、焊角大小和焊接方法等分別進行計算。由n道工序焊接的構(gòu)件總的撓曲量為：

f=f1+f2+…+fn

⑤箱形主梁焊接變形規(guī)律。

箱形主梁焊接彎曲變形的大小與施焊焊縫距形心坐標軸的距離成正比，與焊縫截面積大小成正比，并與梁的截面慣性矩成反比。同時梁的彎曲變形大小與施焊的焊縫長度和工藝系數(shù)有關(guān)。

1.2.2 箱形主梁自重引起的撓曲變形

箱形主梁在制造過程中的半成形梁和成形梁，由于長度大、截面小，因此自重會引起主梁的下?lián)献冃巍?/p>

①梁內(nèi)支墊的情況。

主梁正立，對稱放置的兩個墊架距離小于梁長，如圖1（a）所示。

自重引起主梁跨中的位移可按下式計算：

f自中=qL2（24λ2-5）/（384 EJ）（4）

計算的正值表示向上拱起，負值表示下?lián)稀?/p>

式中：q為單位長度重量，kg；J為主梁截面慣性矩；L為兩支點距離，mm；

λ=m/L

其中：m為支點到主梁端距離，mm。

自重引起的懸臂端位移按下式計算：

fc=fd=qmL3（1-6λ2-3λ3）/（24EJ）（5）

計算的正值表示向上拱起，負值表示下?lián)稀?/p>

②梁端支墊的情況。

墊架放在主梁的兩端點，見圖1（b），其自重引起主梁跨中的位移可由公式4求得：

令m=0，λ=0得

f自中=-5qL4/（384EJ）（6）

負值表示下?lián)稀?/p>

1.2.3 箱形主梁跨中腹板下料預拱值

在實際生產(chǎn)中箱形主梁的自重對焊接變形是有一定影響的，同時組裝焊接工藝對主梁的焊接變形也有很大影響。因此在最終確定箱形主梁跨中腹板下料預拱值時必須統(tǒng)籌考慮。

①應力狀態(tài)對焊接變形的影響。

焊接變形形成過程是，焊接時金屬的熱膨脹受阻而形成壓應力，當壓應力超過彈性范圍時進入高溫朔性狀態(tài)。冷卻時金屬收縮產(chǎn)生變形，可見，焊接變形與工件在施焊時的原始應力狀態(tài)有關(guān)。主梁在外力作用下焊接變形的規(guī)律為，在受拉區(qū)施焊焊接變形小，在受壓區(qū)施焊，焊接變形大。

②自重對梁焊接變形的影響。

自重以均布載荷形式做用于主梁上，若梁支座在兩端，主梁上部受壓，下部受拉，則在焊接主梁上部壓應力區(qū)焊縫時，與沒有自重作用情況相比，會產(chǎn)生較大的下?lián)献冃巍?/p>

③箱形主梁半成品組裝對工藝對焊接變形的影響。

箱形主梁半成品梁是指由蓋板、腹板和筋板組成的Π形梁。在我國普遍采用平臺組裝工藝。平臺組裝分為以蓋板為基準組裝和以腹板為基準組裝兩種。

以蓋板為基準的平臺組裝是以上蓋板為基準，組裝上蓋板、筋板和腹板以及內(nèi)部焊縫均以最小撓區(qū)焊接變形為依據(jù)。當主梁高度很大時，腹板豎立過高，采用將主腹板放在平臺上為基準的組裝工藝，先將Π形梁組裝定位成形后，再進行焊接。對這種工藝方法，筋板與蓋板不能在Π形梁組裝前焊接。焊接筋板與上蓋板焊縫會產(chǎn)生下?lián)献冃巍Ｒ虼瞬捎眠@種工藝方法，腹板下料時的預拱度應較以上蓋板為基準平臺組裝的預拱度大些。

2 組裝焊接時箱形主梁拱度的調(diào)整

檢查Π形梁的拱度值，然后使用吊具將下蓋板吊放在平臺上，按圖紙劃出跨度中心線和大筋板位置線和腹板定位線。支承墊要比槽鋼高些，可用鋼軌。再將Π形梁用吊具放在下蓋板上進行裝配。并在跨中S/4左右上蓋板處加壓力，使Π形梁產(chǎn)生下?lián)希蝗艄岸绕。捎猛瑯拥姆椒ㄟM行調(diào)整，使Π形梁產(chǎn)生上拱。在焊接外部四條縱向焊縫時，對拱度偏小的應先焊接下蓋板與腹板的焊縫；拱度偏大的應先焊上蓋板與腹板的焊縫。若組焊完畢后主梁的拱度還不滿足設(shè)計要求，可用火焰矯正。

3 結(jié) 語

本文對保證箱形主梁提供了一套理論和實踐相結(jié)合的制造工藝。由于各制造廠家的制造工藝、設(shè)備、技術(shù)及生產(chǎn)條件的不同主梁腹板跨中拱度值會有些差異，在確定主梁腹板跨中拱度值時，應結(jié)合自己的經(jīng)驗和生產(chǎn)條件略作調(diào)整。

參考文獻：

[1] 付榮柏.起重機剛結(jié)構(gòu)制造工藝[M].北京：中國鐵道出版社，1996.

[2] 徐灝.機械設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992.

④箱形主梁焊接總撓曲變形。

箱形主梁的制造通常由幾道工序完成，每道工序的焊接變形要根據(jù)每道工序中結(jié)構(gòu)的截面特性、焊角大小和焊接方法等分別進行計算。由n道工序焊接的構(gòu)件總的撓曲量為：

f=f1+f2+…+fn

⑤箱形主梁焊接變形規(guī)律。

箱形主梁焊接彎曲變形的大小與施焊焊縫距形心坐標軸的距離成正比，與焊縫截面積大小成正比，并與梁的截面慣性矩成反比。同時梁的彎曲變形大小與施焊的焊縫長度和工藝系數(shù)有關(guān)。

1.2.2 箱形主梁自重引起的撓曲變形

箱形主梁在制造過程中的半成形梁和成形梁，由于長度大、截面小，因此自重會引起主梁的下?lián)献冃巍?/p>

①梁內(nèi)支墊的情況。

主梁正立，對稱放置的兩個墊架距離小于梁長，如圖1（a）所示。

自重引起主梁跨中的位移可按下式計算：

f自中=qL2（24λ2-5）/（384 EJ）（4）

計算的正值表示向上拱起，負值表示下?lián)稀?/p>

式中：q為單位長度重量，kg；J為主梁截面慣性矩；L為兩支點距離，mm；

λ=m/L

其中：m為支點到主梁端距離，mm。

自重引起的懸臂端位移按下式計算：

fc=fd=qmL3（1-6λ2-3λ3）/（24EJ）（5）

計算的正值表示向上拱起，負值表示下?lián)稀?/p>

②梁端支墊的情況。

墊架放在主梁的兩端點，見圖1（b），其自重引起主梁跨中的位移可由公式4求得：

令m=0，λ=0得

f自中=-5qL4/（384EJ）（6）

負值表示下?lián)稀?/p>

1.2.3 箱形主梁跨中腹板下料預拱值

在實際生產(chǎn)中箱形主梁的自重對焊接變形是有一定影響的，同時組裝焊接工藝對主梁的焊接變形也有很大影響。因此在最終確定箱形主梁跨中腹板下料預拱值時必須統(tǒng)籌考慮。

①應力狀態(tài)對焊接變形的影響。

焊接變形形成過程是，焊接時金屬的熱膨脹受阻而形成壓應力，當壓應力超過彈性范圍時進入高溫朔性狀態(tài)。冷卻時金屬收縮產(chǎn)生變形，可見，焊接變形與工件在施焊時的原始應力狀態(tài)有關(guān)。主梁在外力作用下焊接變形的規(guī)律為，在受拉區(qū)施焊焊接變形小，在受壓區(qū)施焊，焊接變形大。

②自重對梁焊接變形的影響。

自重以均布載荷形式做用于主梁上，若梁支座在兩端，主梁上部受壓，下部受拉，則在焊接主梁上部壓應力區(qū)焊縫時，與沒有自重作用情況相比，會產(chǎn)生較大的下?lián)献冃巍?/p>

③箱形主梁半成品組裝對工藝對焊接變形的影響。

箱形主梁半成品梁是指由蓋板、腹板和筋板組成的Π形梁。在我國普遍采用平臺組裝工藝。平臺組裝分為以蓋板為基準組裝和以腹板為基準組裝兩種。

以蓋板為基準的平臺組裝是以上蓋板為基準，組裝上蓋板、筋板和腹板以及內(nèi)部焊縫均以最小撓區(qū)焊接變形為依據(jù)。當主梁高度很大時，腹板豎立過高，采用將主腹板放在平臺上為基準的組裝工藝，先將Π形梁組裝定位成形后，再進行焊接。對這種工藝方法，筋板與蓋板不能在Π形梁組裝前焊接。焊接筋板與上蓋板焊縫會產(chǎn)生下?lián)献冃巍Ｒ虼瞬捎眠@種工藝方法，腹板下料時的預拱度應較以上蓋板為基準平臺組裝的預拱度大些。

2 組裝焊接時箱形主梁拱度的調(diào)整

檢查Π形梁的拱度值，然后使用吊具將下蓋板吊放在平臺上，按圖紙劃出跨度中心線和大筋板位置線和腹板定位線。支承墊要比槽鋼高些，可用鋼軌。再將Π形梁用吊具放在下蓋板上進行裝配。并在跨中S/4左右上蓋板處加壓力，使Π形梁產(chǎn)生下?lián)希蝗艄岸绕。捎猛瑯拥姆椒ㄟM行調(diào)整，使Π形梁產(chǎn)生上拱。在焊接外部四條縱向焊縫時，對拱度偏小的應先焊接下蓋板與腹板的焊縫；拱度偏大的應先焊上蓋板與腹板的焊縫。若組焊完畢后主梁的拱度還不滿足設(shè)計要求，可用火焰矯正。

3 結(jié) 語

本文對保證箱形主梁提供了一套理論和實踐相結(jié)合的制造工藝。由于各制造廠家的制造工藝、設(shè)備、技術(shù)及生產(chǎn)條件的不同主梁腹板跨中拱度值會有些差異，在確定主梁腹板跨中拱度值時，應結(jié)合自己的經(jīng)驗和生產(chǎn)條件略作調(diào)整。

參考文獻：

[1] 付榮柏.起重機剛結(jié)構(gòu)制造工藝[M].北京：中國鐵道出版社，1996.

[2] 徐灝.機械設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992.

④箱形主梁焊接總撓曲變形。

箱形主梁的制造通常由幾道工序完成，每道工序的焊接變形要根據(jù)每道工序中結(jié)構(gòu)的截面特性、焊角大小和焊接方法等分別進行計算。由n道工序焊接的構(gòu)件總的撓曲量為：

f=f1+f2+…+fn

⑤箱形主梁焊接變形規(guī)律。

箱形主梁焊接彎曲變形的大小與施焊焊縫距形心坐標軸的距離成正比，與焊縫截面積大小成正比，并與梁的截面慣性矩成反比。同時梁的彎曲變形大小與施焊的焊縫長度和工藝系數(shù)有關(guān)。

1.2.2 箱形主梁自重引起的撓曲變形

箱形主梁在制造過程中的半成形梁和成形梁，由于長度大、截面小，因此自重會引起主梁的下?lián)献冃巍?/p>

①梁內(nèi)支墊的情況。

主梁正立，對稱放置的兩個墊架距離小于梁長，如圖1（a）所示。

自重引起主梁跨中的位移可按下式計算：

f自中=qL2（24λ2-5）/（384 EJ）（4）

計算的正值表示向上拱起，負值表示下?lián)稀?/p>

式中：q為單位長度重量，kg；J為主梁截面慣性矩；L為兩支點距離，mm；

λ=m/L

其中：m為支點到主梁端距離，mm。

自重引起的懸臂端位移按下式計算：

fc=fd=qmL3（1-6λ2-3λ3）/（24EJ）（5）

計算的正值表示向上拱起，負值表示下?lián)稀?/p>

②梁端支墊的情況。

墊架放在主梁的兩端點，見圖1（b），其自重引起主梁跨中的位移可由公式4求得：

令m=0，λ=0得

f自中=-5qL4/（384EJ）（6）

負值表示下?lián)稀?/p>

1.2.3 箱形主梁跨中腹板下料預拱值

在實際生產(chǎn)中箱形主梁的自重對焊接變形是有一定影響的，同時組裝焊接工藝對主梁的焊接變形也有很大影響。因此在最終確定箱形主梁跨中腹板下料預拱值時必須統(tǒng)籌考慮。

①應力狀態(tài)對焊接變形的影響。

焊接變形形成過程是，焊接時金屬的熱膨脹受阻而形成壓應力，當壓應力超過彈性范圍時進入高溫朔性狀態(tài)。冷卻時金屬收縮產(chǎn)生變形，可見，焊接變形與工件在施焊時的原始應力狀態(tài)有關(guān)。主梁在外力作用下焊接變形的規(guī)律為，在受拉區(qū)施焊焊接變形小，在受壓區(qū)施焊，焊接變形大。

②自重對梁焊接變形的影響。

自重以均布載荷形式做用于主梁上，若梁支座在兩端，主梁上部受壓，下部受拉，則在焊接主梁上部壓應力區(qū)焊縫時，與沒有自重作用情況相比，會產(chǎn)生較大的下?lián)献冃巍?/p>

③箱形主梁半成品組裝對工藝對焊接變形的影響。

箱形主梁半成品梁是指由蓋板、腹板和筋板組成的Π形梁。在我國普遍采用平臺組裝工藝。平臺組裝分為以蓋板為基準組裝和以腹板為基準組裝兩種。

以蓋板為基準的平臺組裝是以上蓋板為基準，組裝上蓋板、筋板和腹板以及內(nèi)部焊縫均以最小撓區(qū)焊接變形為依據(jù)。當主梁高度很大時，腹板豎立過高，采用將主腹板放在平臺上為基準的組裝工藝，先將Π形梁組裝定位成形后，再進行焊接。對這種工藝方法，筋板與蓋板不能在Π形梁組裝前焊接。焊接筋板與上蓋板焊縫會產(chǎn)生下?lián)献冃巍Ｒ虼瞬捎眠@種工藝方法，腹板下料時的預拱度應較以上蓋板為基準平臺組裝的預拱度大些。

2 組裝焊接時箱形主梁拱度的調(diào)整

檢查Π形梁的拱度值，然后使用吊具將下蓋板吊放在平臺上，按圖紙劃出跨度中心線和大筋板位置線和腹板定位線。支承墊要比槽鋼高些，可用鋼軌。再將Π形梁用吊具放在下蓋板上進行裝配。并在跨中S/4左右上蓋板處加壓力，使Π形梁產(chǎn)生下?lián)希蝗艄岸绕。捎猛瑯拥姆椒ㄟM行調(diào)整，使Π形梁產(chǎn)生上拱。在焊接外部四條縱向焊縫時，對拱度偏小的應先焊接下蓋板與腹板的焊縫；拱度偏大的應先焊上蓋板與腹板的焊縫。若組焊完畢后主梁的拱度還不滿足設(shè)計要求，可用火焰矯正。

3 結(jié) 語

本文對保證箱形主梁提供了一套理論和實踐相結(jié)合的制造工藝。由于各制造廠家的制造工藝、設(shè)備、技術(shù)及生產(chǎn)條件的不同主梁腹板跨中拱度值會有些差異，在確定主梁腹板跨中拱度值時，應結(jié)合自己的經(jīng)驗和生產(chǎn)條件略作調(diào)整。

參考文獻：

[1] 付榮柏.起重機剛結(jié)構(gòu)制造工藝[M].北京：中國鐵道出版社，1996.

[2] 徐灝.機械設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992.