橫隔板對門式起重機箱形梁受力影響

侯愛國

（泰安市質量技術檢驗檢測研究院 山東泰安 271000）

龍門起重機的金屬門式構架，一般由主橋、上梁、支腿和下梁等構成。主橋是起重機的主要支撐部件，其施工方法通常是箱形結構。因為車輛軌道平常都會布置在主腹板層上及靠近主腹板層內側的主梁上，所以極易產生容易偏心荷載。龍門起重機箱梁結構在偏心荷載作用下，易生成扭曲變形和橫向變形。為增加龍門起重機箱梁結構的總體強度和局部穩定性，一般在箱梁下部設有隔墻板。因為箱梁的結構多為薄壁構件，所以偏心荷載又可以分為對稱彎曲荷載（純彎曲荷載）、扭曲負荷和畸變負荷。純彎曲荷載基本上會產生豎向位移，縱向的正壓應力都會均勻地分布在縱切面上；扭曲負荷會產生扭轉翹曲正應力和剪應力；畸變負荷基本上會產生比較大的翹曲正應力以及比較小的畸變剪應力。當設置一定的橫隔板數量的時候，縱向斷面的扭曲與變形情況也會隨著箱梁的扭曲強度的增加發生較大的改變。

1 門式起重機概述

門式起重機可按照門框構造、主梁型式、主梁構造及用途形式等加以劃分。

1.1 門框結構

1.1.1 門式起重機

（1）全門式起重機：主梁上無懸伸，由車輛在主跨度內通過。

（2）半門式起重機：支腿的高低落差，可按照所用地方的混凝土建筑條件而定。

1.1.2 懸臂門式起重機

（1）雙懸臂門式起重機：最常用的一門結構類型，其結構的整體受力及對場地面積的運用都是最合理的。

（2）單懸臂門式起重機：該種構造型式通常是由于場地的限制而被大量采用。

1.2 主梁形式

1.2.1 單主梁

單主橋門型起重機構造簡易、生產安裝簡單，且其自身質量也較小，主梁為雙偏心軌道的箱形架結構，與雙梁門式起重機相同，總體強度也要弱一點。因此，在起重量Q≤50t、跨度S≤35m時，也可選擇該種型式。單主梁門式起重機的門腳結構主要為L型和C型。L形結構便于安裝，且受力狀況良好。雖然它本身質量較小，但在提升貨物時，支撐腿處的間隙相對較小。C形支腳做成斜面或曲線形狀，其目的是有一個大的斜面空間，使貨物能夠順利通過支撐腳。

1.2.2 雙主梁

雙主梁門式起重機的結構承載力較高，而且整機跨度較大，系統穩定性也較好。雖然種類眾多，可與同樣起重量的單梁門式起重機比較，其總體品質更高，成本更高。按照主柱構造的差異，它可以分成箱形梁和桁架兩個形式。然而，通常使用的是箱形結構。

1.3 主梁結構

1.3.1 桁架梁

采用角鋼或工字鋼連接而成的構件型式，好處是費用少，墻體自重減輕，抗風性強。但因為焊點過多和桁架柱構造本身的缺點，桁架梁還存在著撓度高、強度低，且安全性相對較低，需頻繁檢測焊點的缺陷。因此，適合于對安全要求相對較低且起重量較小的工作場所。

1.3.2 箱梁

鋼板連接的箱形結構具有安全性好、剛度高等優點，通常用作中、大噸數和超大型噸數的門式起重機。Mghz1200型為中國境內的主要門式起重機，總起重能力約為1200t級，主梁通常采取箱梁構造。但是，箱梁構造又有著費用高昂、墻體自重過大、抗風性較差等缺陷。

箱形上設有隔板，可提高梁體的扭轉穩定性，提高斷面寬度的側向剛性，并限制了畸變應力。橫隔墻是使橋形成空間整體結合的主要構件，需要具備適當的強度和剛性。它的強度越大，橋的穩定能力愈好，在負載作用下各主橋也可以良好地聯合工作。

1.3.3 蜂窩梁

蜂窩梁一般指“等腰三角形蜂窩梁”，主橋端部為正三角形，兩端斜腹板上有蜂窩孔，左右端有支弦柱。蜂窩柱吸取了桁架梁和箱梁的優點。它比桁架梁具有更大的強度、更小的撓度和更高的安全性。此外，由于使用了鋼板焊接，自重和成本都略高于桁架橋，適用于高頻應用及起重量較大的工作場所和梁場。但是，因為這些梁式構件是一項專利產品，在制造商中很少見。

1.4 用途形式

1.4.1 普通龍門起重機

這種起重機主要使用了箱式和桁架的結構，是應用最廣泛的一種。它也能夠裝卸各種物品和散裝物料。總起重量一般小于100kg，最大跨度為4~39m。帶抓斗的普通龍門起重機也具備了較高的工作水準。一般門式起重機指吊鉤、抓斗、電磁和葫蘆門式起重機；另外還有半門式起重機。

1.4.2 水電站龍門起重機

其主要用于起重設備和啟閉閥門，也可進行裝配作業。起重能力為80~500t，但跨度較小，為8~16m；牽引速度一般較低，1~5m/min。雖然這種起重機不能長時間起吊，但一旦使用，工作相當繁瑣，所以要相應增加工作級別。

1.4.3 造船龍門起重機

用船臺拼裝船舶段，最常用的方式是用兩臺起重小車：一臺有兩個主鉤，在橋架上翅緣的軌跡上旋轉；而另一臺則有一組主鉤和一組副鉤，分別在橋翅緣的軌跡上旋轉，方便于翻轉和提升大型船段。最大的起重能力一般是100~1500kg，最大跨度一般為185m，最大上升速率通常為2~15m/min，微動率約為0.1~0.5m/min。

1.4.4 集裝箱龍門起重機

拖車將從車上卸下的集裝箱軌道門式起重機移至堆場中心或尾部后，再將集裝箱門式起重機進行堆放或直接裝卸運輸，可提高集裝箱運輸橋及其他起重機的周轉速率。可放置高度為3~4層、總長度為6排的大貨物集裝箱的堆場，通常采用輪胎或軌道的形式［1］。集裝箱龍門起重機也與大型集裝箱跨運車相似，它的跨度和門架兩側的直徑都比較大。為適應海港碼頭的運送需要，這種起重機的工作等級普遍較高。其主要提升速率大約為8~10m/min；而跨度大小則根據其要跨越的貨物集裝箱排數來決定，最高的60m對應于20ft、30ft、40ft長貨物集裝箱的最高起重量，依次大約為20t、25t和30t。

2 工程背景及模型建立

以36t龍門起重機主橋（即箱形梁）為重點研制對象。箱梁寬度b為1.3m，高度h為2m，跨度L為30m，有效的懸臂L1為7.5m，箱梁頂部tp和底板的tD厚度分別為12m，左腹層厚tL為16m，右腹層厚tR為20mm，小車車輪的距離L0為2.9m。在關鍵工作條件下，假設小車處在箱梁跨度內，起重機將在滿載下工作。在不考慮風荷載的情形下，可忽略對起重機箱形梁自重的影響。當起重機車輛滿載時，行走輪的輪壓僅等于車輛重力與滿載后起重機輪壓之和。如果計算，每個車輪的車輪壓力為p=137.5kN。

在ANSYS的軟件系統中，能夠對36t門式起重機簡支箱梁結構進行有限元仿真。并按照箱梁材質的各向同性原理，將網架結構分割為三維四節點的181殼單元，彈性模量為210GPA，泊松比為0.3，整體材質密度為7850kg/m3。在箱梁的中跨，依次在厚板上加上不同的荷載。在當設置為邊界狀態時，因為起重機箱梁能夠簡單支承，所以在箱梁的一端設定了二個自由UX和UY約束，而在相對一端則只設定了一個自由UY約束。在此基礎上，利用有限元分析方法對無橫隔梁箱梁與多橫隔梁箱梁進行了仿真。

3 橫隔板數量的影響

為了研究扭轉與畸變應力及其偏心載荷在橫隔板數量變化下的影響，在關鍵的工況要求下，將高度集中、對稱扭轉，以及剛性扭曲和畸變荷載應用在安裝了6個橫隔板數量（0、2、4、6、8和10）的起重箱形梁模型中。其中，當集中偏心荷載為137.5kN，對稱荷載為p/2=68.75kN時，剛體扭轉負荷和畸變荷載分別為Pb/（4h）=22.52kN和p/4=34.76kN。箱梁模型上，分別有2、4、6、8和10個橫隔板。橫隔板等距離布置，各層橫向隔板距離均為17m、10.2m、7.2m、5.6m、4.6m，橫隔板厚度為8mm。

根據計算，可以選擇分析箱梁頂板的縱向應力，在偏心集中荷載、對稱彎曲荷載、扭轉荷載以及畸變荷載的聯合影響下，不同數量橫隔板模型的正應力發生變化。

隨著橫隔板量的增多，箱梁頂板上縱向正應力的變動范圍也逐步縮小。無隔板、新設置的2、4、6、8和10個隔板的最大正應力變形值分別為15.647MPa、15.89MPa、16.25MPa、16.68MPa、16.54MPa和16.53MPa。

伴隨著橫隔板的不斷增加數量，箱梁頂板的縱向正應力也會在其影響下不斷增加；只有在橫隔板的數量增加到8個以上時，整個箱梁跨度中的最大縱向正應力才會開始不斷減少，但是橫隔板的最高縱向水平正應力卻并沒有隨之變化過大。

在對稱荷載作用下，沒有橫隔板的箱梁頂板中部的最大彎曲正應力大概為16.01MPa，但是最大縱向彎曲正應力（約16.6MPa）在橫隔板數量的變化影響并不明顯。對于隔板的特殊情況，隨著隔板數量的增加，約束點處的彎曲正應力大大增加。

在扭轉負荷的影響下，橫隔板處扭轉翹曲正應力值也發生了顯著變化，扭轉翹曲正應力值略低于畸變翹曲正應力值。隨著橫隔板數量的增加，由于箱梁的扭轉翹曲，正應力的變化越來越小［2］。

經過畸變荷載的作用影響下，畸變翹曲正應力的變化律在某種程度上和扭轉翹曲正應力的變化規律非常接近，沿縱向角度的變化亦極為接近。當橫隔板的總量由零逐漸上升至6時，隨之也會加大箱梁中的畸變翹曲的最大正應力；不過，畸變翹曲正應力也會伴隨著橫隔板總量的不斷增加開始減小，因此，橫隔梁畸變正應力的突變將逐漸變得不那么明顯［3］。

在集中偏心荷載的情況下，吊車上各梁之間，有無橫隔板的縱向正應力值隨著縱向方向的改變而基本相同，其正應力值在跨度內也達到了最大，并逐漸減小到約束狀態。隨著橫隔板數量的增多，彎曲正應力也將逐步增大。如此，起重機箱梁的扭轉和畸變翹曲正應力，尤其是扭曲翹曲正應力的影響因素很大源于相應數量的橫隔板。這種情況下，扭轉載荷產生的翹曲正應力將比畸變載荷產生的翹曲正應力小得多，說明了在偏心負荷的影響下，畸變翹曲正應力將占據主導地位。因此，想要減少偏心荷載所引起的畸變翹曲正應力，就需要利用橫隔板數量的增大。

4 橫隔板厚度影響

保持箱梁的其他幾何特性和材料參數不做出改變。在這里，橫隔板的數量設定為6個，而厚度則依次設定為4mm、8mm、12mm、16mm、20mm，顯示了不同厚度下箱梁模型的偏心集中荷載，包括在對稱彎曲荷載、扭轉荷載和畸變荷載分解的共同影響下，頂板中心線法正應力的改變。

從隔板厚度的厚度來講，集中偏心荷載形成的縱向正應力與對稱荷載形成的彎曲正應力的影響因素與隔板厚度的影響沒有什么太大的變化，然而其厚度卻對扭曲和畸變翹曲應力會有很大的影響因素。當隔墻厚度為4mm時，扭轉翹曲正應力與畸變翹曲正應力之間的變動相對較小，且扭轉翹曲正應力也隨著隔墻厚度的增大而有所上升；而當橫隔墻板厚增大至8mm時，畸變翹曲正應力的變動相對極小。

5 橫隔板位置影響

在保持起重機箱形梁和其他幾何材料的參數不改變的情況下，該模型一共配置了兩塊橫隔板，兩塊橫隔板的厚度均為8mm，并增加了無隔板的模型進行比較。

在各種各樣的橫隔板布置方法下，箱梁頂縱向正應力還可以在偏心荷載、對稱荷載、扭轉荷載和畸變荷載作用下進行比較分析。

在偏心集中負荷作用下，當橫隔板連續移動時，在箱梁頂板中部的正應力變動不大，而在5/16部位的縱向正應力變動卻很大。由于從該位置向跨中不斷移動，縱向正應力逐步降低［4］。因此，假設兩隔板間的距離相等，則隔板處的縱向正應力將達到最大值。

在對稱荷載的影響下，由于橫隔梁位置的變化逐漸向橫隔梁中部移動，箱板的彎曲正應力基本不變，但在距橫隔梁約5/16處，頂板周圍的跨中彎曲正應力可大大增加，約束附近的彎曲正應力也增加［5］。

在扭轉載荷的影響下，施加在橫隔板上的扭轉翹曲正應力發生變化。隨著橫隔板向跨度中間移動，橫隔板處的應力繼續上升。跨中截面應力在從最初設計的無橫隔板降低到新設橫隔板的3/16以上后進一步降低。當橫隔板繼續向中橫移時，它的扭轉翹曲應力再次開始增加［6］。

在畸變載荷作用下，橫隔板上的畸變翹曲正應力改變不大。當橫隔板移至跨度中間時，橫隔板中畸變翹曲正應力強度的改變程度相對較小，變化范圍顯著增大［7］。當與橫隔板等距時，橫隔板的畸變縱向正應力作用強度顯著降低。

簡單來說，在對稱荷載作用下，隨著跨中橫隔板間距的逐漸減小，箱梁的最大彎曲正應力變化不大，但最大扭轉翹曲正應力顯著增大。只有當兩個橫向隔板之間的距離接近時，最大畸變翹曲應力才會顯著降低。

由于跨中橫隔板間距的逐步減小，箱梁最大彎曲正應力雖在對稱荷載的影響下不發生改變，然而，最大扭轉翹曲正應力顯著增加。只有當2個橫隔板之間的間距接近時，最大畸變翹曲應力才會減小。

6 結語

隨著橫隔墻板量的增多，起重機箱梁的最大畸變翹曲正應力在開始增加后也逐步降低，其最大畸變壓扣正應力也超過了最大扭轉壓扣正應力。因此，畸變翹曲在偏心載荷下的翹曲應力中起著重要作用。所以，通過增加相應數量的橫隔板，就可以明顯降低由于偏心載荷所形成的翹曲正應力，而橫隔板厚薄對于扭轉和變形翹曲產生的正應力也有重要影響。而經過對橫隔梁位移和變形程度的研究，在與橫隔板等長度設置下，箱形梁的抗扭曲畸變效果比較好。