俞強(qiáng)華 （安徽建筑機(jī)械有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230601）

1 概 述

在塔式起重機(jī)實(shí)際使用過程中，由于結(jié)構(gòu)桿件在成型時(shí)未校直，桁架結(jié)構(gòu)焊接時(shí)產(chǎn)生過大焊接變形、安裝運(yùn)輸過程中的不當(dāng)操作、使用過程中輕微碰撞等原因，總會(huì)遇到有些桿件的直線度超出設(shè)計(jì)規(guī)定的范圍，給施工和檢驗(yàn)人員帶來一定的困惑。本文重點(diǎn)對(duì)桿件本身直線度對(duì)承載力的影響進(jìn)行分析，通過力學(xué)計(jì)算確定塔式起重機(jī)承載桿件直線度與桿件承載能力下降的相應(yīng)數(shù)理關(guān)系，據(jù)此推導(dǎo)直線度較大的桿件使塔式起重機(jī)使用過程中的安全系數(shù)下降程度，并以此判斷桿件所在結(jié)構(gòu)是否能夠繼續(xù)安全使用。

塔式起重機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，都要對(duì)承載桿件的直線度進(jìn)行明確要求，承受交變載荷的重要結(jié)構(gòu)桿件一般要求直線度不大于1‰，關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)桿件一般要求不大于1/750，如果因使用操作不當(dāng)或者超載后桿件失穩(wěn)造成直線度過大，因其塑性變形量較大、強(qiáng)度損失已超出安全使用的允許范圍，不在本文討論之列。本文所分析的桿件，除因直線度對(duì)桿件產(chǎn)生附加彎矩外，產(chǎn)生直線度較大的原因并沒有對(duì)桿件生成其它的內(nèi)應(yīng)力，或者生成的內(nèi)應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于桿件的承載能力，可以忽略不計(jì)。本文以現(xiàn)在建筑工程比較常用的QTZ63塔式起重機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢為例，從桿件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性分析直線度對(duì)桿件承載能力的影響。

2 確定標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢材料力學(xué)參數(shù)及載荷參數(shù)

圖1

根據(jù)現(xiàn)在國(guó)內(nèi)常用QTZ塔式起重機(jī)的機(jī)型結(jié)構(gòu)，我們確定標(biāo)準(zhǔn)節(jié)為等邊角鋼焊接而成的空間桁架結(jié)構(gòu)，高度為2.5m，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。選取標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢材料為熱軋等邊角鋼，材料牌號(hào)為Q235B，規(guī)格型號(hào)為L(zhǎng)160×16，其截面如圖2所示，并在計(jì)算過程中選取角鋼直線度為2‰（見圖1）。

根據(jù)空間桁架結(jié)構(gòu)的受力分析，我們知道此種結(jié)構(gòu)中，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢可以認(rèn)為是兩端固定只受拉、壓交變載荷的拉壓桿，桿件計(jì)算長(zhǎng)度為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)高度的1/2。據(jù)此我們可以確定標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢的計(jì)算參數(shù)如下。

δS——材料屈服強(qiáng)度，為235MPa

E——材料彈性模量，為2.03×105MPa

u——材料泊松比，為0.3

L——角鋼桿件計(jì)算長(zhǎng)度，為1.25m

D——角鋼桿件直線度，為2‰

A——角鋼截面面積，為49.067cm4

I——角鋼方向X 的慣性矩，為1175.08 cm4

Ix0——角鋼方向x0的慣性矩，為1865.57 cm4

Iy0——角鋼方向的慣性矩，為484.59 cm4

N——標(biāo)準(zhǔn)節(jié)最不利工況時(shí)主肢所受最大拉（壓）力

3 直線度對(duì)桿件強(qiáng)度的影響

由于桿件有彎曲變形，僅受拉力或者壓力的桿件將產(chǎn)生一個(gè)附加彎矩，使桿件所受應(yīng)力增加或減小。根據(jù)不利原則，我們選擇附加彎矩使應(yīng)力增加最大的部位進(jìn)行計(jì)算。假定彎曲桿件和理想桿件所受應(yīng)力相同，則此時(shí)彎曲桿件所受拉、壓力要比理想桿件小，設(shè)此值為N1,根據(jù)拉（壓）彎組合計(jì)算公式，我們可得，整理后得。據(jù)此公式我們將角鋼三個(gè)不同方向的彎曲變形對(duì)強(qiáng)度影響計(jì)算如下。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢產(chǎn)生X 方向的彎曲變形

根據(jù)觀察法可以確定，附加彎矩在B點(diǎn)出產(chǎn)生的影響最大，根據(jù)以上公式計(jì)算如下。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢產(chǎn)生X0 方向的彎曲變形

根據(jù)觀察法可以確定，附加彎矩在B、C點(diǎn)處產(chǎn)生的影響最大，根據(jù)以上公式計(jì)算如下。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢產(chǎn)生Y0 方向的彎曲變形

根據(jù)觀察法可以確定，附加彎矩在A點(diǎn)出產(chǎn)生的影響最大，根據(jù)以上公式計(jì)算如下。

通過以上計(jì)算結(jié)果可知，在Y0方向上產(chǎn)生彎曲變形最危險(xiǎn)，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢強(qiáng)度損失最大。三個(gè)方向的彎曲變形都對(duì)桿件強(qiáng)度有較大影響，2‰的直線度就會(huì)使桿件喪失10%以上的理想承載能力。

4 直線度對(duì)桿件剛度的影響

拉壓桿件除了產(chǎn)生軸向變形，還會(huì)產(chǎn)生橫向變形，桿件彎曲變形產(chǎn)生的附加彎矩也會(huì)使桿件出現(xiàn)撓度。為了驗(yàn)證附加彎矩會(huì)對(duì)桿件剛度產(chǎn)生多大的影響，我們分別計(jì)算以上兩者的最大變形量，并進(jìn)行比較分析。塔式起重機(jī)由于工作性質(zhì)惡劣，設(shè)計(jì)時(shí)使用Q235材料一般取許用應(yīng)力為[δ]=170 MPa。根據(jù)軸向拉壓橫向變形公式，可得上例中拉壓桿的最大橫向變形量為：

根據(jù)彎矩變形公式，可知1/2L處發(fā)生最大彎曲，就會(huì)帶來?xiàng)U件的最大撓度，直線度2‰附加彎矩會(huì)造成的最大撓度為：

最大撓度與長(zhǎng)度的比值為：

由以上計(jì)算結(jié)果可知，附加彎矩產(chǎn)生的撓度小于拉壓桿的橫向變形量，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直線度1‰的要求，所以附加彎矩對(duì)桿件的剛度沒有太大的影響。

5 直線度對(duì)桿件穩(wěn)定性的影響

計(jì)算壓桿穩(wěn)定，必須首先確定壓桿是大柔度桿還是中柔度桿，我們根據(jù)柔度計(jì)算公式可得上例標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢的最大柔度為：

式中長(zhǎng)度系數(shù)u 因壓桿是兩端固定，取值2。

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢材料是Q235，所以材料比例極限為：δp=200MPa，根據(jù)公式計(jì)算Q235材料的大柔度桿和中柔度桿的分界值為：

由于λ=79.6＜λp=100.1

所以上例標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢是中柔度桿。中柔度桿的臨界應(yīng)力可用直線經(jīng)驗(yàn)公式求得,對(duì)于Q235材料，系數(shù)a=304MPa、b=1.12MPa,由以上可求得標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢的臨界應(yīng)力為：

因臨界應(yīng)力已經(jīng)確定，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢彎曲變形產(chǎn)生的附加彎矩就會(huì)使主肢能夠承受正常應(yīng)力值減小，減小比率與強(qiáng)度損失相同。

6 結(jié) 語

綜上所述，塔式起重機(jī)承載桿件的直線度對(duì)桿件的剛度影響較小，但對(duì)桿件強(qiáng)度和穩(wěn)定性影響較大，2‰的直線度誤差就會(huì)使結(jié)構(gòu)桿件承載力下降10%以上，所以直線度誤差超過允許范圍的結(jié)構(gòu)桿件，必須經(jīng)專業(yè)人員評(píng)估，確定修整、強(qiáng)化方案后，才能進(jìn)行維修，并保證維修后強(qiáng)度不低于原結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。承受交變載荷的重要結(jié)構(gòu)桿件失穩(wěn)后，不得進(jìn)行修復(fù)，如塔式起重機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢、起重臂下弦桿。塔式起重機(jī)制造、使用單位都應(yīng)該嚴(yán)格控制塔式起重機(jī)重要承載桿件的直線度誤差，確保塔式起重機(jī)的使用安全。

[1] 張質(zhì)文,虞和謙,王金諾.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,2001.

[2] GB/T3811-2008,起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[3] 徐格寧.機(jī)械裝備金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（第2 版）[J].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[4] GB 6067,1-2010 起重機(jī)械安全規(guī)程[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2010.