港口起重機鋼結構加勁肋設計

尹鋒,呂世超,李福來,孫冰正

摘 要：為提高構件承載能力，滿足結構穩定性要求，一般都設有縱向和橫向加勁肋。加勁肋設計的幾何要素要求，在《起重機設計規范》（GB/T3811-2008）中有明確的描述，但它們在本體結構中受力、傳力及連接要求沒有論述。在一些相關文獻中，從不同的角度分析了加勁肋在結構本體中的作用，給結構設計者提供了方便。在相關文獻的基礎上，提出縱向加勁肋計算方法和不同部位橫向加勁肋的作用及設計思路，以便設計者參考借鑒。

關鍵詞：港口起重機;鋼結構;載荷;穩定性;加勁肋

0 引言

金屬結構是港口起重機的骨架，用以承受和傳遞起重機負擔的載荷和自重。長期以來，金屬結構的設計方法多采用以經典力學為基礎的半理論、半經驗設計法和類比法、直覺法等傳統設計法，設計過程不但反復多、周期長，而且對概念的理解、認識不一致，造成設計的精確度差。近年來，隨著計算機技術的廣泛應用，金屬結構設計更多地采用優化設計、有限元法。下面就我們在港口起重機金屬結構設計中遇到的問題進行討論，以期使設計出的港口起重機更符合實際使用工況，更具有功能性、經濟性和可靠性。

1 主梁分析模型的構建

1.1 起重機參數及建模軟件確定

本文選用箱型雙梁橋式起重機的單根主梁作為研究對象。起重機的起升量為50 t，跨度為37.5 m，小車車輪輪距為3.85 m，大車運行速度為66 m/min，小車運行速度為33 m/min。起重機工作級別為A5。本文所采用的三維模型主要在SoildWorks中建立，主要使用的有限元軟件為ANSYSWorkbench。由于起重機主梁結構較為復雜，為了縮短計算所需時間，忽略主梁與端梁連接處的螺紋孔結構，將一些倒角等結構保留，分別建立矩型肋、角型肋、T型肋和正球頭肋4種加勁肋的三維模型，并在主梁的三維模型中分別進行裝配。

1.2 縱向加勁肋簡述

在設計橋式起重機主梁時，應對其局部穩定性進行設計校核。縱向加勁肋將起重機箱型主梁分割成較小的四方體結構，提高了起重機箱型主梁的穩定性。常用的縱向加勁肋類型主要有矩型肋、角型肋、T型肋和正球頭肋4種。本文將對這4種類型的加勁肋主梁的靜、動態特性進行分析。

2 橫向加勁肋對結構產生的影響

薄壁箱形構件為滿足局部穩定性的需要，保證腹板平面外的整體穩定性，腹板一般要求配置橫向加勁肋，也稱橫隔板。橫向加勁肋一般制成開孔的橫隔板形式或在開孔處包板的橫隔板形式。配置要求在《起重機設計規范》（GB/T3811-2008）中有明確的規定，但要注意開孔圓角半徑，圓角半徑過小，扭轉載荷作用下會出現比較大的應力集中。

在港口起重機梁結構、柱結構或柱梁結構中，僅保證構件局部穩定性的橫隔板設計比較簡單，滿足《起重機設計規范》（GB/T3811-2008）規定的要求即可;在固定集中載荷處或梁的支座處的支承加勁肋設計也非常明確。但在具體梁、柱構件設計時，經常會碰到兩種或以上構件相互連接在一起，連接部位沒有顯示的集中載荷，設計者一般也會采用橫隔板的方式予以加固。這些部位的橫隔板不僅要滿足局部穩定性要求，還要承擔傳遞載荷作用，設計稍有不慎，就會出現嚴重后果。

在梁、柱構件具體設計時，還有一種特殊情況需要注意，就是海上大型浮式固定臂架起重機。這種起重機固定臂架主要有兩種形式，一種是單肢或雙肢桁架結構，另一種是單肢或雙肢箱形薄壁結構。為了提高雙肢臂架的整體穩定性，在雙臂架之間設置聯系橫梁，此聯系橫梁在起重機正常作業時受力很小，但在拖航工況或在海域錨泊工況下，由于船舶運動，臂架部分產生巨大慣性載荷，聯系橫梁會承擔很大的慣性載荷。此時與聯系橫梁連接處的臂架必須設置滿足強度要求的橫隔板，橫隔板及連接強度不得低于橫梁強度，甚至高于聯系橫梁強度。另外，聯系橫梁與臂架連接部位、橫隔板及連接設計要有良好幾何過渡，降低應力集中，避免由于船舶運動造成臂架結構疲勞開裂。

3 港口起重機鋼結構脆性斷裂的成因

3.1 應力集中區易出現脆性斷裂現象

在橋式起重機結構中，與其他部件相比，鋼軌、平衡梁、焊縫等鋼構件易于出現脆性破壞問題，這些部件位于起重機的高應力區域，經常受到交變應力的影響，使這些部件承受很大的應力，導致截面出現明顯的變化，使應力集中在這個位置，過度的應力作用使縱筋和橫隔板的作用都失效。對于設計層，在如此大的應力下，力流不能無障礙地傳遞，并且結構組成是不合理的，這也是結構中的焊縫致密、焊點更多、接頭更多的原因。焊接工藝不好，焊接質量不合格，工件底座材料也不符合設計要求，這是起重機結構裂縫的主要原因。在正常情況下，起重機的結構通過對接焊縫和角焊縫焊接。應力的集中源主要位于焊接突出的位置。一旦結構焊接完成，如果沒有更多的機械加工，起重機的抗疲勞性也將大大降低。如果消除焊接縫凸起的部分，將提高起重機的疲勞強度，延長其使用壽命。凸出部位和試樣軸線交角處θ，以及凸起位置的高度h是橫向對接焊縫受到應力影響的主要部位。

對于角焊縫，由于焊縫向母材基體金屬過渡處的截面變化比較明顯，應力集中系數大于對接焊縫的應力集中系數。因此，耐疲勞性小于對接焊縫。在角焊縫計算厚度hf≥1.5t（t為焊件厚度）的條件下，可以根據指定的焊縫厚度選擇角焊縫的最小厚度。

3.2 鋼結構母材的抗疲勞性能決定了鋼結構脆性斷裂情況

3.2.1 鋼材抗疲勞性能降低

如果鋼進行長期或反復負荷，承受的最大壓力將會逐漸減少，極易受到破壞，比如脆性破壞和突然破裂。處于彈性成型階段的鋼材，如果重復負荷，鋼的塑性變形會增加，鋼會變硬變脆，然后會出現微裂紋，應力會集中。在這個位置，微裂紋文本將擴展并緩慢增加。此時，應力集中的問題將變得更加明顯，鋼的斷裂和損壞就成了必然。

3.2.2 鋼的焊接性能下降

如果鋼焊縫變脆或者出現冷裂的趨勢，將會對鋼的焊接性能造成更大的影響。碳鋼通常不會受影響，但是除此以外的6個元素都受影響，比如含量會出現明顯的變化，鋼會增加熱脆性和熱傾向。此外，由于熱影響導致的冷裂紋傾向會變得越來越明顯。為避免鋼的性質干擾，必須控制材料中元素的含量。

3.2.3 沸騰鋼的性能下降

對于沸騰鋼，其偏析現象比較明顯。偏析集中表現在：鋼材表面會出現純鐵的薄層，該薄層中含有少量的碳。中間層有許多硫元素，同時含有大量有害氣體，導致鋼材出現了比較明顯的區域偏析現象，這會大大地降低沸騰鋼的可焊性。此外，鋼中含有大量的固溶氮，固溶氮能提高鋼材的失效敏感性和冷脆性。磷區域是沸騰鋼中偏析現象最嚴重的元素，它會導致鋼的沖擊強度降低，冷脆性提高，脆性斷裂的概率顯著提高。

4 結語

基于材料力學詳細分析了港口起重機箱形薄壁構件為滿足穩定性設置的加勁肋在構件承載和傳載中的作用。縱向加勁肋建議采用連續布置形式且端部不焊接;對于類似梁、柱交接處的橫向加勁肋，其設計應不僅滿足箱形薄壁結構的局部穩定性要求，還要驗算加勁肋本身的強度和連接強度。

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