呂 杰

天津港第四港埠有限公司

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)用于承受和傳遞起重機(jī)的工作載荷和自重載荷，主要承載構(gòu)件以梁結(jié)構(gòu)、柱結(jié)構(gòu)或柱梁結(jié)構(gòu)等形式為代表，常采用箱形薄壁結(jié)構(gòu)形式。為提高構(gòu)件承載能力，滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求，一般都設(shè)有縱向和橫向加勁肋。加勁肋設(shè)計(jì)的幾何要素要求，在《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T3811-2008)中有明確的描述，但它們?cè)诒倔w結(jié)構(gòu)中受力、傳力及連接要求沒(méi)有論述。在一些相關(guān)文獻(xiàn)中，從不同的角度分析了加勁肋在結(jié)構(gòu)本體中的作用，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者提供了方便。在相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出縱向加勁肋計(jì)算方法和不同部位橫向加勁肋的作用及設(shè)計(jì)思路，以便設(shè)計(jì)者參考借鑒。

2 縱向加勁肋對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響

文獻(xiàn)[1]以板肋組合構(gòu)件承壓為計(jì)算模型，利用構(gòu)件變形后的幾何形狀和位置，通過(guò)大變形理論和變形協(xié)調(diào)原理，解決了縱向加勁肋與結(jié)構(gòu)本體連接問(wèn)題。實(shí)際上，縱向加勁肋有強(qiáng)肋(剛性)與弱肋(柔性)之分，強(qiáng)肋有足夠的彎曲剛度，能起到支承板的作用，即自身穩(wěn)定性足夠，板材僅在區(qū)格間失穩(wěn)；弱肋存在兩種失穩(wěn)模式，即板材區(qū)格間失穩(wěn)模式或板肋組合結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模式，一般情況板肋組合結(jié)構(gòu)失穩(wěn)先于區(qū)格間失穩(wěn)。文獻(xiàn)[1]的連接計(jì)算方法采用弱肋板肋組合結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模式，焊縫傳力方向?yàn)榇怪庇诒倔w結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[2]也是采用文獻(xiàn)[1]的變形模式，考慮存在初始缺陷板肋組合結(jié)構(gòu)的承載能力問(wèn)題。文獻(xiàn)[3]也利用文獻(xiàn)[1]的計(jì)算模型，采用虎克定律和變形協(xié)調(diào)原理，解決了承壓板肋組合構(gòu)件中縱向加勁肋與結(jié)構(gòu)本體連接問(wèn)題。文獻(xiàn)[3]的連接計(jì)算方法建立在肋板肋組合結(jié)構(gòu)整體受力的基礎(chǔ)上，縱向加勁肋與板一起承載，焊縫傳力方向?yàn)槠叫杏诒倔w結(jié)構(gòu)。盡管文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[3]計(jì)算結(jié)果相近，顯然縱向加勁肋連接傳力方向不同，兩者方向相互垂直，筆者認(rèn)為文獻(xiàn)[3]的縱向加勁肋連接傳力方向與實(shí)際情況是一致的。

縱向加勁肋有強(qiáng)弱(剛?cè)?之分，在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，縱向加勁肋無(wú)論是強(qiáng)肋還是弱肋，只有連續(xù)布置和間斷布置兩種方式。連續(xù)布置橫隔板開(kāi)穿越孔或在橫隔板處焊接，制造精度要求高；間斷布置加勁肋端部需要加工，制造相對(duì)方便。文獻(xiàn)[4]認(rèn)為縱向加勁肋沿構(gòu)件的長(zhǎng)度方向連續(xù)改變構(gòu)件的橫截面特性，即縱向加勁肋連續(xù)布置方式。這種布置顯然會(huì)引起構(gòu)件截面特性的變化，根據(jù)材料力學(xué)可知，縱向加勁肋連續(xù)布置可提高構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度。縱向加勁肋若間斷布置，一般認(rèn)為僅起到提高局部穩(wěn)定性作用，設(shè)計(jì)者認(rèn)為這種加勁肋在工作過(guò)程中不承載，因此會(huì)出現(xiàn)主板結(jié)構(gòu)采用Q355材料，縱向加勁肋會(huì)采用Q235材料的情況。港口起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)主要是梁結(jié)構(gòu)、柱結(jié)構(gòu)或柱梁結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[3]認(rèn)為縱向加勁肋即使間斷布置，也與板一起參與工作，是直接承載的。

故以箱形薄壁梁結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，用材料力學(xué)組合梁理論分析縱向加勁肋的承載和傳載。由于縱向加勁肋對(duì)梁構(gòu)件剪應(yīng)力的影響較小，不予考慮。假設(shè)箱形薄壁梁結(jié)構(gòu)由相同彈性模量E的材料組成,梁的寬度為b，翼板的厚度為t1,翼板的面積為A1；梁腹板高度為h,腹板厚度為t2；翼板縱向加勁肋與板連接部位的厚度為t3,加勁肋的面積為A2，n為縱向加勁肋的數(shù)量。梁橫截面為雙軸對(duì)稱的等截面。梁在橫力作用下彎曲為分析模型，梁結(jié)構(gòu)滿足材料力學(xué)假設(shè)：

(1)不同材料間無(wú)滑移(事實(shí)上也不滑移)。

(2)材料服從虎克定律。

(3)材料橫截面發(fā)生彎曲后仍保持為平面。

(4)每種材料的每層纖維彼此隔開(kāi)。

(5)材料彈性模量保持不變。

(6)不存在由熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力。

組合梁發(fā)生彎曲變形時(shí)，其上每一種材料內(nèi)的應(yīng)力與應(yīng)變應(yīng)滿足虎克定律，即：

σj=Eεj

(1)

其中應(yīng)變?chǔ)舑又可通過(guò)纖維層的位置yj和曲率半徑ρ表示為：

εj=yj/ρ

(2)

對(duì)于第j種材料，式(2)代入(1)可得：

σj=Eyj/ρ

(3)

由于在梁的每一橫截面上合力必須為零，故有：

(4)

式中，dAj為對(duì)應(yīng)的面積元。

另一方面，這些力的矩必須等于彎矩M：

(5)

M=EI/ρ

(6)

將式(6)代入式(3)，則有：

σj=Myj/I

(7)

應(yīng)用式(7)則可計(jì)算板肋組合結(jié)構(gòu)中翼板或腹板加勁肋的正應(yīng)力，從而計(jì)算縱向加勁肋分擔(dān)的載荷。

式(7)表明，縱向加勁肋不管是連續(xù)布置還是間斷布置，均與板一起承載。兩者區(qū)別在于縱向加勁肋連續(xù)布置對(duì)構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度都有一定的影響，可提高構(gòu)件承載能力，而間斷布置由于端頭不連續(xù)則不能提高構(gòu)件承載能力。間斷布置縱向加勁肋要注意端部處理，要有平滑過(guò)渡區(qū)，避免幾何突變產(chǎn)生的應(yīng)力集中，有限元分析和應(yīng)力測(cè)試均發(fā)現(xiàn)，間斷布置加勁肋端部存在嚴(yán)重應(yīng)力集中問(wèn)題。

縱向加勁肋連接計(jì)算可根據(jù)式(7)計(jì)算加勁肋正應(yīng)力σj，與加勁肋截面積相乘，得到加勁肋分擔(dān)的負(fù)載。加勁肋分擔(dān)負(fù)載記為Fj,則有：

Fj=σjA2

(8)

對(duì)于翼板的縱向加勁肋，式(8)中的σj可保守地取翼板應(yīng)力。

加勁肋分擔(dān)負(fù)載Fj通過(guò)連接的縱向角焊縫傳遞，加勁肋角焊縫有效高度記為Df，Df不得小于1.5(t2)1/2；角焊縫計(jì)算長(zhǎng)度記為lw，lw不得小于10Df或50 mm，lw最大計(jì)算長(zhǎng)度按承受動(dòng)力載荷考慮，保守地取40Df；角焊縫許用剪切應(yīng)力記為[τ]，也可取加勁肋母材許用剪切應(yīng)力。這樣有：

40Df2[τ]=Fj=σjA2

(9)

Df=(σjA2/(40[τ]))1/2

(10)

式(10)計(jì)算結(jié)果與Df不得小于1.5(t2)1/2要求一致。

縱向加勁肋連接焊縫實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮港口起重機(jī)承受動(dòng)力載荷，建議：①加勁肋端部不焊接，盡管端部焊縫承載能力比側(cè)焊縫高22%，但端部焊縫剛性大，變形能力比側(cè)焊縫?。虎诳紤]到港口起重機(jī)作業(yè)區(qū)域氣候環(huán)境，要求加勁肋焊縫一側(cè)采用連續(xù)焊接，焊高Df不得小于1.5(t2)1/2，另一側(cè)采用大間距焊接，焊縫長(zhǎng)度不得小于10Df或50 mm的大值，這個(gè)要求有利于提高疲勞強(qiáng)度和局部穩(wěn)定性可靠性；③縱向加勁肋采用連續(xù)布置形式，可以明顯提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度、減輕結(jié)構(gòu)自重、降低成本，同時(shí)減少加勁肋端部處理和應(yīng)力集中點(diǎn)，有效提高構(gòu)件疲勞強(qiáng)度。

3 橫向加勁肋對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響

薄壁箱形構(gòu)件為滿足局部穩(wěn)定性的需要，保證腹板平面外的整體穩(wěn)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(kāi)孔的橫隔板形式或在開(kāi)孔處包板的橫隔板形式。配置要求在《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T3811-2008)中有明確的規(guī)定，但要注意開(kāi)孔圓角半徑，圓角半徑過(guò)小，扭轉(zhuǎn)載荷作用下會(huì)出現(xiàn)比較大的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)記為k，則有：

k=1+δ/r

(11)

式中，δ為開(kāi)孔隔板寬度，r為圓角半徑。

由材料力學(xué)梁構(gòu)件在承受拉壓、彎曲應(yīng)力與位移計(jì)算公式可得，由于橫向加勁肋僅在其自身所在截面內(nèi)改變梁的截面性質(zhì)，對(duì)強(qiáng)度和剛度幾乎沒(méi)有影響，用有限元法很容易驗(yàn)證。從梁構(gòu)件扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和角位移計(jì)算公式中也可得出，橫向加勁肋對(duì)強(qiáng)度和剛度沒(méi)有影響。事實(shí)上，橫向加勁肋可以保證薄壁箱形構(gòu)件形狀，阻止橫截面形狀改變，增加空間抗扭剛度，限制橫截面形狀變形和扭轉(zhuǎn)共同引起的橫向彎曲畸變應(yīng)力和縱向正應(yīng)力，改善載荷橫向分布，承擔(dān)大的局部集中載荷，起到局部約束截面扭轉(zhuǎn)作用。

在港口起重機(jī)梁結(jié)構(gòu)、柱結(jié)構(gòu)或柱梁結(jié)構(gòu)中，僅保證構(gòu)件局部穩(wěn)定性的橫隔板設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，滿足《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T3811-2008)規(guī)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(shè)計(jì)也非常明確。但在具體梁、柱構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常會(huì)碰到兩種或以上構(gòu)件相互連接在一起，連接部位沒(méi)有顯式的集中載荷，設(shè)計(jì)者一般也會(huì)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(wěn)定性要求，還要承擔(dān)傳遞載荷作用，設(shè)計(jì)稍有不慎，就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重后果。下面就這種橫隔板設(shè)計(jì)理念做簡(jiǎn)要論述。

港口常用16 t、25 t和40 t等門座起重機(jī)，一般采用板凳式門架，由圓筒結(jié)構(gòu)、橫梁和端梁組成。圓筒結(jié)構(gòu)和橫梁連接、橫梁和端梁連接均存在橫向加勁肋承載和傳載問(wèn)題。圓筒與橫梁連接處，在圓筒內(nèi)部必須設(shè)置橫向加勁肋，加勁肋不但需滿足《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T3811-2008)規(guī)定要求，而且要滿足強(qiáng)度要求，橫向加勁肋設(shè)計(jì)使其慣性矩與橫梁翼板慣性矩等同、連接部位焊縫要求與翼板等強(qiáng)度。橫梁和端梁連接也存在橫向加勁肋設(shè)計(jì)，要考慮強(qiáng)度問(wèn)題；端梁與橫梁連接處橫隔板及連接設(shè)計(jì)要滿足強(qiáng)度要求，還要注意與橫梁連接的端梁上面板，其上開(kāi)孔要注意，必要時(shí)予以加固，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要符合單體結(jié)構(gòu)完整性與等強(qiáng)度要求。與端梁連接的橫梁內(nèi)側(cè)橫隔板要考慮強(qiáng)度問(wèn)題，內(nèi)側(cè)橫隔板的強(qiáng)度不得低于端梁外側(cè)端板的強(qiáng)度，連接焊縫滿足等強(qiáng)度要求。

在梁、柱構(gòu)件具體設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)變截面情況，變截面有截面微小變化和較大變化兩種不同情況。微小變化指腹板保持不變，僅改變翼板厚度，可采用直接對(duì)接焊，與等截面梁、柱構(gòu)件的拼接沒(méi)有什么區(qū)別。截面變化較大一側(cè)翼板外表面平齊，而另一側(cè)翼板折彎或雙側(cè)翼板均彎折。在翼板彎折處必須設(shè)置橫隔板，以保持折彎翼板形狀，此處橫隔板及連接設(shè)計(jì)要滿足強(qiáng)度要求，按翼板承受的載荷分解成沿平行于橫隔板和垂直于橫隔板兩方面，并據(jù)此計(jì)算橫隔板強(qiáng)度及連接強(qiáng)度。

在梁、柱構(gòu)件具體設(shè)計(jì)時(shí)，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(jī)。這種起重機(jī)固定臂架主要有兩種形式，一種是單肢或雙肢桁架結(jié)構(gòu)，另一種是單肢或雙肢箱形薄壁結(jié)構(gòu)。為了提高雙肢臂架的整體穩(wěn)定性，在雙臂架之間設(shè)置聯(lián)系橫梁，此聯(lián)系橫梁在起重機(jī)正常作業(yè)時(shí)受力很小，但在拖航工況或在海域錨泊工況下，由于船舶運(yùn)動(dòng)，臂架部分產(chǎn)生巨大慣性載荷，聯(lián)系橫梁會(huì)承擔(dān)很大的慣性載荷。此時(shí)與聯(lián)系橫梁連接處的臂架必須設(shè)置滿足強(qiáng)度要求的橫隔板，橫隔板及連接強(qiáng)度不得低于橫梁強(qiáng)度，甚至高于聯(lián)系橫梁強(qiáng)度。另外，聯(lián)系橫梁與臂架連接部位、橫隔板及連接設(shè)計(jì)要有良好幾何過(guò)渡，降低應(yīng)力集中，避免由于船舶運(yùn)動(dòng)造成臂架結(jié)構(gòu)疲勞開(kāi)裂。

4 結(jié)語(yǔ)

基于材料力學(xué)詳細(xì)分析了港口起重機(jī)箱形薄壁構(gòu)件為滿足穩(wěn)定性設(shè)置的加勁肋在構(gòu)件承載和傳載中的作用?？v向加勁肋建議采用連續(xù)布置形式且端部不焊接；對(duì)于類似梁、柱交接處的橫向加勁肋，其設(shè)計(jì)應(yīng)不僅滿足箱形薄壁結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定性要求，還要驗(yàn)算加勁肋本身的強(qiáng)度和連接強(qiáng)度。