侯愛(ài)國(guó)

（泰安市質(zhì)量技術(shù)檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 山東泰安 271000）

龍門(mén)起重機(jī)的金屬門(mén)式構(gòu)架，一般由主橋、上梁、支腿和下梁等構(gòu)成。主橋是起重機(jī)的主要支撐部件，其施工方法通常是箱形結(jié)構(gòu)。因?yàn)檐囕v軌道平常都會(huì)布置在主腹板層上及靠近主腹板層內(nèi)側(cè)的主梁上，所以極易產(chǎn)生容易偏心荷載。龍門(mén)起重機(jī)箱梁結(jié)構(gòu)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(mén)起重機(jī)箱梁結(jié)構(gòu)的總體強(qiáng)度和局部穩(wěn)定性，一般在箱梁下部設(shè)有隔墻板。因?yàn)橄淞旱慕Y(jié)構(gòu)多為薄壁構(gòu)件，所以偏心荷載又可以分為對(duì)稱彎曲荷載（純彎曲荷載）、扭曲負(fù)荷和畸變負(fù)荷。純彎曲荷載基本上會(huì)產(chǎn)生豎向位移，縱向的正壓應(yīng)力都會(huì)均勻地分布在縱切面上；扭曲負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)翹曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力；畸變負(fù)荷基本上會(huì)產(chǎn)生比較大的翹曲正應(yīng)力以及比較小的畸變剪應(yīng)力。當(dāng)設(shè)置一定的橫隔板數(shù)量的時(shí)候，縱向斷面的扭曲與變形情況也會(huì)隨著箱梁的扭曲強(qiáng)度的增加發(fā)生較大的改變。

1 門(mén)式起重機(jī)概述

門(mén)式起重機(jī)可按照門(mén)框構(gòu)造、主梁型式、主梁構(gòu)造及用途形式等加以劃分。

1.1 門(mén)框結(jié)構(gòu)

1.1.1 門(mén)式起重機(jī)

（1）全門(mén)式起重機(jī)：主梁上無(wú)懸伸，由車輛在主跨度內(nèi)通過(guò)。

（2）半門(mén)式起重機(jī)：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(mén)式起重機(jī)

（1）雙懸臂門(mén)式起重機(jī)：最常用的一門(mén)結(jié)構(gòu)類型，其結(jié)構(gòu)的整體受力及對(duì)場(chǎng)地面積的運(yùn)用都是最合理的。

（2）單懸臂門(mén)式起重機(jī)：該種構(gòu)造型式通常是由于場(chǎng)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(mén)型起重機(jī)構(gòu)造簡(jiǎn)易、生產(chǎn)安裝簡(jiǎn)單，且其自身質(zhì)量也較小，主梁為雙偏心軌道的箱形架結(jié)構(gòu)，與雙梁門(mén)式起重機(jī)相同，總體強(qiáng)度也要弱一點(diǎn)。因此，在起重量Q≤50t、跨度S≤35m時(shí)，也可選擇該種型式。單主梁門(mén)式起重機(jī)的門(mén)腳結(jié)構(gòu)主要為L(zhǎng)型和C型。L形結(jié)構(gòu)便于安裝，且受力狀況良好。雖然它本身質(zhì)量較小，但在提升貨物時(shí)，支撐腿處的間隙相對(duì)較小。C形支腳做成斜面或曲線形狀，其目的是有一個(gè)大的斜面空間，使貨物能夠順利通過(guò)支撐腳。

1.2.2 雙主梁

雙主梁門(mén)式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)承載力較高，而且整機(jī)跨度較大，系統(tǒng)穩(wěn)定性也較好。雖然種類眾多，可與同樣起重量的單梁門(mén)式起重機(jī)比較，其總體品質(zhì)更高，成本更高。按照主柱構(gòu)造的差異，它可以分成箱形梁和桁架兩個(gè)形式。然而，通常使用的是箱形結(jié)構(gòu)。

1.3 主梁結(jié)構(gòu)

1.3.1 桁架梁

采用角鋼或工字鋼連接而成的構(gòu)件型式，好處是費(fèi)用少，墻體自重減輕，抗風(fēng)性強(qiáng)。但因?yàn)楹更c(diǎn)過(guò)多和桁架柱構(gòu)造本身的缺點(diǎn)，桁架梁還存在著撓度高、強(qiáng)度低，且安全性相對(duì)較低，需頻繁檢測(cè)焊點(diǎn)的缺陷。因此，適合于對(duì)安全要求相對(duì)較低且起重量較小的工作場(chǎng)所。

1.3.2 箱梁

鋼板連接的箱形結(jié)構(gòu)具有安全性好、剛度高等優(yōu)點(diǎn)，通常用作中、大噸數(shù)和超大型噸數(shù)的門(mén)式起重機(jī)。Mghz1200型為中國(guó)境內(nèi)的主要門(mén)式起重機(jī)，總起重能力約為1200t級(jí)，主梁通常采取箱梁構(gòu)造。但是，箱梁構(gòu)造又有著費(fèi)用高昂、墻體自重過(guò)大、抗風(fēng)性較差等缺陷。

箱形上設(shè)有隔板，可提高梁體的扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，提高斷面寬度的側(cè)向剛性，并限制了畸變應(yīng)力。橫隔墻是使橋形成空間整體結(jié)合的主要構(gòu)件，需要具備適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和剛性。它的強(qiáng)度越大，橋的穩(wěn)定能力愈好，在負(fù)載作用下各主橋也可以良好地聯(lián)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(yōu)點(diǎn)。它比桁架梁具有更大的強(qiáng)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(yīng)用及起重量較大的工作場(chǎng)所和梁場(chǎng)。但是，因?yàn)檫@些梁式構(gòu)件是一項(xiàng)專利產(chǎn)品，在制造商中很少見(jiàn)。

1.4 用途形式

1.4.1 普通龍門(mén)起重機(jī)

這種起重機(jī)主要使用了箱式和桁架的結(jié)構(gòu)，是應(yīng)用最廣泛的一種。它也能夠裝卸各種物品和散裝物料?？偲鹬亓恳话阈∮?00kg，最大跨度為4~39m。帶抓斗的普通龍門(mén)起重機(jī)也具備了較高的工作水準(zhǔn)。一般門(mén)式起重機(jī)指吊鉤、抓斗、電磁和葫蘆門(mén)式起重機(jī)；另外還有半門(mén)式起重機(jī)。

1.4.2 水電站龍門(mén)起重機(jī)

其主要用于起重設(shè)備和啟閉閥門(mén)，也可進(jìn)行裝配作業(yè)。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(jī)不能長(zhǎng)時(shí)間起吊，但一旦使用，工作相當(dāng)繁瑣，所以要相應(yīng)增加工作級(jí)別。

1.4.3 造船龍門(mén)起重機(jī)

用船臺(tái)拼裝船舶段，最常用的方式是用兩臺(tái)起重小車：一臺(tái)有兩個(gè)主鉤，在橋架上翅緣的軌跡上旋轉(zhuǎn)；而另一臺(tái)則有一組主鉤和一組副鉤，分別在橋翅緣的軌跡上旋轉(zhuǎn)，方便于翻轉(zhuǎn)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(dòng)率約為0.1~0.5m/min。

1.4.4 集裝箱龍門(mén)起重機(jī)

拖車將從車上卸下的集裝箱軌道門(mén)式起重機(jī)移至堆場(chǎng)中心或尾部后，再將集裝箱門(mén)式起重機(jī)進(jìn)行堆放或直接裝卸運(yùn)輸，可提高集裝箱運(yùn)輸橋及其他起重機(jī)的周轉(zhuǎn)速率。可放置高度為3~4層、總長(zhǎng)度為6排的大貨物集裝箱的堆場(chǎng)，通常采用輪胎或軌道的形式［1］。集裝箱龍門(mén)起重機(jī)也與大型集裝箱跨運(yùn)車相似，它的跨度和門(mén)架兩側(cè)的直徑都比較大。為適應(yīng)海港碼頭的運(yùn)送需要，這種起重機(jī)的工作等級(jí)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(jù)其要跨越的貨物集裝箱排數(shù)來(lái)決定，最高的60m對(duì)應(yīng)于20ft、30ft、40ft長(zhǎng)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(mén)起重機(jī)主橋（即箱形梁）為重點(diǎn)研制對(duì)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(guān)鍵工作條件下，假設(shè)小車處在箱梁跨度內(nèi)，起重機(jī)將在滿載下工作。在不考慮風(fēng)荷載的情形下，可忽略對(duì)起重機(jī)箱形梁自重的影響。當(dāng)起重機(jī)車輛滿載時(shí)，行走輪的輪壓僅等于車輛重力與滿載后起重機(jī)輪壓之和。如果計(jì)算，每個(gè)車輪的車輪壓力為p=137.5kN。

在ANSYS的軟件系統(tǒng)中，能夠?qū)?6t門(mén)式起重機(jī)簡(jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真。并按照箱梁材質(zhì)的各向同性原理，將網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分割為三維四節(jié)點(diǎn)的181殼單元，彈性模量為210GPA，泊松比為0.3，整體材質(zhì)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(dāng)設(shè)置為邊界狀態(tài)時(shí)，因?yàn)槠鹬貦C(jī)箱梁能夠簡(jiǎn)單支承，所以在箱梁的一端設(shè)定了二個(gè)自由UX和UY約束，而在相對(duì)一端則只設(shè)定了一個(gè)自由UY約束。在此基礎(chǔ)上，利用有限元分析方法對(duì)無(wú)橫隔梁箱梁與多橫隔梁箱梁進(jìn)行了仿真。

3 橫隔板數(shù)量的影響

為了研究扭轉(zhuǎn)與畸變應(yīng)力及其偏心載荷在橫隔板數(shù)量變化下的影響，在關(guān)鍵的工況要求下，將高度集中、對(duì)稱扭轉(zhuǎn)，以及剛性扭曲和畸變荷載應(yīng)用在安裝了6個(gè)橫隔板數(shù)量（0、2、4、6、8和10）的起重箱形梁模型中。其中，當(dāng)集中偏心荷載為137.5kN，對(duì)稱荷載為p/2=68.75kN時(shí)，剛體扭轉(zhuǎn)負(fù)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(gè)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(jù)計(jì)算，可以選擇分析箱梁頂板的縱向應(yīng)力，在偏心集中荷載、對(duì)稱彎曲荷載、扭轉(zhuǎn)荷載以及畸變荷載的聯(lián)合影響下，不同數(shù)量橫隔板模型的正應(yīng)力發(fā)生變化。

隨著橫隔板量的增多，箱梁頂板上縱向正應(yīng)力的變動(dòng)范圍也逐步縮小。無(wú)隔板、新設(shè)置的2、4、6、8和10個(gè)隔板的最大正應(yīng)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(shù)量，箱梁頂板的縱向正應(yīng)力也會(huì)在其影響下不斷增加；只有在橫隔板的數(shù)量增加到8個(gè)以上時(shí)，整個(gè)箱梁跨度中的最大縱向正應(yīng)力才會(huì)開(kāi)始不斷減少，但是橫隔板的最高縱向水平正應(yīng)力卻并沒(méi)有隨之變化過(guò)大。

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

在扭轉(zhuǎn)負(fù)荷的影響下，橫隔板處扭轉(zhuǎn)翹曲正應(yīng)力值也發(fā)生了顯著變化，扭轉(zhuǎn)翹曲正應(yīng)力值略低于畸變翹曲正應(yīng)力值。隨著橫隔板數(shù)量的增加，由于箱梁的扭轉(zhuǎn)翹曲，正應(yīng)力的變化越來(lái)越?。?］。

經(jīng)過(guò)畸變荷載的作用影響下，畸變翹曲正應(yīng)力的變化律在某種程度上和扭轉(zhuǎn)翹曲正應(yīng)力的變化規(guī)律非常接近，沿縱向角度的變化亦極為接近。當(dāng)橫隔板的總量由零逐漸上升至6時(shí)，隨之也會(huì)加大箱梁中的畸變翹曲的最大正應(yīng)力；不過(guò)，畸變翹曲正應(yīng)力也會(huì)伴隨著橫隔板總量的不斷增加開(kāi)始減小，因此，橫隔梁畸變正應(yīng)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(wú)橫隔板的縱向正應(yīng)力值隨著縱向方向的改變而基本相同，其正應(yīng)力值在跨度內(nèi)也達(dá)到了最大，并逐漸減小到約束狀態(tài)。隨著橫隔板數(shù)量的增多，彎曲正應(yīng)力也將逐步增大。如此，起重機(jī)箱梁的扭轉(zhuǎn)和畸變翹曲正應(yīng)力，尤其是扭曲翹曲正應(yīng)力的影響因素很大源于相應(yīng)數(shù)量的橫隔板。這種情況下，扭轉(zhuǎn)載荷產(chǎn)生的翹曲正應(yīng)力將比畸變載荷產(chǎn)生的翹曲正應(yīng)力小得多，說(shuō)明了在偏心負(fù)荷的影響下，畸變翹曲正應(yīng)力將占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，想要減少偏心荷載所引起的畸變翹曲正應(yīng)力，就需要利用橫隔板數(shù)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(shù)不做出改變。在這里，橫隔板的數(shù)量設(shè)定為6個(gè)，而厚度則依次設(shè)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(duì)稱彎曲荷載、扭轉(zhuǎn)荷載和畸變荷載分解的共同影響下，頂板中心線法正應(yīng)力的改變。

從隔板厚度的厚度來(lái)講，集中偏心荷載形成的縱向正應(yīng)力與對(duì)稱荷載形成的彎曲正應(yīng)力的影響因素與隔板厚度的影響沒(méi)有什么太大的變化，然而其厚度卻對(duì)扭曲和畸變翹曲應(yīng)力會(huì)有很大的影響因素。當(dāng)隔墻厚度為4mm時(shí)，扭轉(zhuǎn)翹曲正應(yīng)力與畸變翹曲正應(yīng)力之間的變動(dòng)相對(duì)較小，且扭轉(zhuǎn)翹曲正應(yīng)力也隨著隔墻厚度的增大而有所上升；而當(dāng)橫隔墻板厚增大至8mm時(shí)，畸變翹曲正應(yīng)力的變動(dòng)相對(duì)極小。

5 橫隔板位置影響

在保持起重機(jī)箱形梁和其他幾何材料的參數(shù)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(wú)隔板的模型進(jìn)行比較。

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

在偏心集中負(fù)荷作用下，當(dāng)橫隔板連續(xù)移動(dòng)時(shí)，在箱梁頂板中部的正應(yīng)力變動(dòng)不大，而在5/16部位的縱向正應(yīng)力變動(dòng)卻很大。由于從該位置向跨中不斷移動(dòng)，縱向正應(yīng)力逐步降低［4］。因此，假設(shè)兩隔板間的距離相等，則隔板處的縱向正應(yīng)力將達(dá)到最大值。

在對(duì)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(dòng)，箱板的彎曲正應(yīng)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(yīng)力可大大增加，約束附近的彎曲正應(yīng)力也增加［5］。

在扭轉(zhuǎn)載荷的影響下，施加在橫隔板上的扭轉(zhuǎn)翹曲正應(yīng)力發(fā)生變化。隨著橫隔板向跨度中間移動(dòng)，橫隔板處的應(yīng)力繼續(xù)上升?？缰薪孛鎽?yīng)力在從最初設(shè)計(jì)的無(wú)橫隔板降低到新設(shè)橫隔板的3/16以上后進(jìn)一步降低。當(dāng)橫隔板繼續(xù)向中橫移時(shí)，它的扭轉(zhuǎn)翹曲應(yīng)力再次開(kāi)始增加［6］。

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

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在對(duì)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(yīng)力變化不大，但最大扭轉(zhuǎn)翹曲正應(yīng)力顯著增大。只有當(dāng)兩個(gè)橫向隔板之間的距離接近時(shí)，最大畸變翹曲應(yīng)力才會(huì)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(yīng)力雖在對(duì)稱荷載的影響下不發(fā)生改變，然而，最大扭轉(zhuǎn)翹曲正應(yīng)力顯著增加。只有當(dāng)2個(gè)橫隔板之間的間距接近時(shí)，最大畸變翹曲應(yīng)力才會(huì)減小。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著橫隔墻板量的增多，起重機(jī)箱梁的最大畸變翹曲正應(yīng)力在開(kāi)始增加后也逐步降低，其最大畸變壓扣正應(yīng)力也超過(guò)了最大扭轉(zhuǎn)壓扣正應(yīng)力。因此，畸變翹曲在偏心載荷下的翹曲應(yīng)力中起著重要作用。所以，通過(guò)增加相應(yīng)數(shù)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(yīng)力，而橫隔板厚薄對(duì)于扭轉(zhuǎn)和變形翹曲產(chǎn)生的正應(yīng)力也有重要影響。而經(jīng)過(guò)對(duì)橫隔梁位移和變形程度的研究，在與橫隔板等長(zhǎng)度設(shè)置下，箱形梁的抗扭曲畸變效果比較好。