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        鋼梁省材設(shè)計研究

        2014-12-25 04:26:55
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2014年2期
        關(guān)鍵詞:慣性矩翼緣板節(jié)省

        (北京南車時代機車車輛機械廠驗收室,北京 102249)

        鋼梁省材設(shè)計研究

        張振祥

        (北京南車時代機車車輛機械廠驗收室,北京 102249)

        鋼梁上翼緣板受壓,下翼緣板受拉,減薄或者去掉下翼緣板,在減薄的下翼緣板處增加高強鋼筋或鋼絲繩,就能補足或超出原下翼緣板所能承受的拉應(yīng)力。因為高強鋼筋或鋼絲繩的抗拉強度比普通鋼板高很多,這種方法,能夠節(jié)省一部分鋼材。

        鋼梁;等強設(shè)計;節(jié)省材料

        1 鋼梁的種類。

        鋼梁從結(jié)構(gòu)形式上可分成型工字鋼梁、焊接工字鋼梁、T型鋼梁,焊接雙腹鋼梁、花梁、異型鋼梁。

        2 箱形鋼梁結(jié)構(gòu)。

        箱形鋼梁,也稱為焊接雙腹鋼梁,典型的結(jié)構(gòu)是:上翼緣板,下翼緣板,腹板,大筋板,小筋板。上翼緣板承受鋼梁自身重量及載荷所產(chǎn)生的壓應(yīng)力。腹板和隔板保持整體剛度并承受剪力,腹板接近上翼緣板處輔助承擔(dān)部分壓應(yīng)力,腹板接近下翼緣板處輔助承擔(dān)部分拉應(yīng)力。下翼緣板,承受鋼梁自身重量及載荷所產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

        3 鋼梁節(jié)省材料結(jié)構(gòu)設(shè)計。

        對于箱形鋼梁,上翼緣板,腹板,大、小隔板都按原設(shè)計制作組裝。對于下

        翼緣板,在等強原則下應(yīng)有幾種方法。①保留但要減薄下翼緣板。在大隔板下面,并以大隔板為中心對稱布置寬200毫米厚度同上翼緣板的加強版,加強版下的耳板固定鋼絲繩并將力傳遞到鋼絲繩。②不在保留下翼緣板,在大隔板下面與兩腹板組焊一塊寬200毫米厚度同上翼緣板的加強板。其作用為保持箱梁的剛度,并在該板下加裝固定鋼絲繩的耳板。鋼絲繩在梁中心線兩側(cè)對稱布置;編花設(shè)置對鋼梁整體的剛度應(yīng)該更好。

        4 鋼梁的上拱度。

        正常情況下鋼梁在自重作用下會產(chǎn)生一定的下?lián)隙?,此時上翼緣板受壓

        下翼緣板受拉。增加鋼絲繩的鋼梁,可以人為地改變鋼梁撓度方向,利用鋼絲繩抗拉強度高的特點,在制作階段將鋼梁制出反拱,使鋼梁上翼緣板受拉下翼緣板受壓。鋼梁在受載使用階段,上翼緣板會從一定的拉應(yīng)力狀態(tài)逐步變?yōu)槭芰榱?,在從零起步逐步承受一定的壓?yīng)力。對應(yīng)于上翼緣板受力的變化,下翼緣板始終承受拉應(yīng)力,而鋼絲繩的特點是抗拉能力強。從而節(jié)省材料或提高鋼梁承載能力。對于需要產(chǎn)生上供的量,應(yīng)視具體情況具體確定。由于筆者不是專業(yè)設(shè)計人員,恕不能給出確切的數(shù)值。

        鋼絲繩梁端固定。簡單的受力不是很大的鋼梁,鋼絲繩可以直接固定在下翼緣板。當(dāng)鋼梁受力較大,且梁端剪力較大時,應(yīng)將鋼絲繩在梁端以45-60度角拉起,將鋼絲繩固定在上翼緣板。

        5 鋼梁節(jié)省材料的原理

        節(jié)省材料并提高鋼梁承載能力來源于四部分。①理論上講,普通鋼梁中心線以上受壓、以下受拉。如上所述減薄或去掉下翼緣板,則下翼緣板不再承擔(dān)由自重及載荷所產(chǎn)生的拉應(yīng)力,拉應(yīng)力完全由鋼絲繩來承擔(dān),減薄或者去掉了下翼緣板,相對于增加的鋼絲繩來說顯而易見的就節(jié)省了鋼材。②被去掉的下翼緣板,其重量遠(yuǎn)大于鋼絲繩的重量,從而減輕了自重,在承載力不變時,可以減薄上翼緣板和腹板的用材量。③正常鋼梁,上翼緣受壓下翼緣受拉,而去掉下翼緣板并增加鋼絲繩的鋼梁,其上翼緣與腹板應(yīng)該都是受壓構(gòu)件,其截面慣性矩及抗彎模量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沒有去掉下翼緣板的鋼梁。在承載力不變時,可以減薄上翼緣板和腹板的用材量。④鋼絲繩抗拉強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通鋼板,利用這一特點,在鋼梁組焊結(jié)束加裝鋼絲繩時,使用工裝將鋼絲繩拉緊、受力。最終鋼梁會出現(xiàn)上拱,確定并達到一定的上拱量時,將鋼絲繩固定在鋼梁上。這時的鋼梁上翼緣板受拉,靠近鋼絲繩的下邊緣受壓。其受力狀況與正常鋼梁相反。逐步加載,加載初期,鋼梁上翼緣板所受拉應(yīng)力逐步減少,逐漸趨近于零,之后上翼緣板由受拉應(yīng)力進而變成受壓應(yīng)力。鋼梁上翼緣板從受拉應(yīng)力到受力為零時,已經(jīng)承擔(dān)了一定的載荷。當(dāng)外載荷或承載力不變時,可以減薄上翼緣。

        6 理論設(shè)計

        鋼梁上、下翼緣板20毫米厚500毫米寬,兩腹板厚14毫米,梁高800毫米,梁長L米,梁中部集中載荷P。正常梁截面慣性矩軸與梁型心軸重合,其截面慣性矩J=(500*20^3/12+500*20*390^2)*2+2*14*380^3/12=3.107*10^9MM^4; 當(dāng)去掉下翼緣板增加鋼絲繩后,梁截面慣性矩軸在梁的最下邊緣,此時,上翼緣板面積A上=500*20=10000M^2,型 心Y上 =20/2+760+20=790MM, 腹板 面 積 A復(fù) =14*760*2=21280M^2,腹 板 型 心Y復(fù)=760/2+20=400MM,異形梁截面型心縱坐標(biāo)Y異=(10000*790+21280*400)/(10000+21280)=524.68MM,上翼緣板截面慣性矩為J上 =(500*20^3/12+500*20*790^2)=6.24*10^9MM^4 。J復(fù) =14*760^3/12*2+ 14*760*2*524.68^2=6.88*10^9MM^4。 異形梁的截面慣性矩J異=6.24*10^9MM ^4+6.88*10^9MM^4=13.12*10^9MM^4。13.12*10^9MM^4/3.107*10^9MM^4=4.22倍。由此可見增加了鋼絲繩的異型鋼梁,其承載能力有了很大提高。

        正常鋼梁σ正=PL400/2/3.1*10^9。異型鋼梁σ異=PL790/2/13.1210^9。σ 異 /σ 正 =PL790/2/13.1210^9/ PL400/2/3.1*10^9=0.47。就是說增加了鋼絲繩鋼梁,在相同載荷作用下,材料所受應(yīng)力只是正常鋼梁所受應(yīng)力的0.47倍。相當(dāng)于承載能力提高2.14倍??紤]到鋼梁施加反拱,還可以提高承載能力。

        7 其他用途

        處于動載狀態(tài)下的箱形鋼梁,如橋式起重機,大型龍門式起重機、花梁門吊等起重設(shè)備,長期使用上拱消失,并產(chǎn)生下?lián)隙扔绊懯褂?。修?fù)下?lián)隙鹊姆椒ㄓ卸喾N:①火炎校正修復(fù)上拱度;②再次電焊增加角焊縫強度;③在下翼緣板處焊接補強板等;④本文的所述也是較好選項之一。

        [1]結(jié)構(gòu)設(shè)計[Z].

        TU37 < class="emphasis_bold"> 文獻標(biāo)識碼:A

        A

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