【文章內(nèi)容簡介】 ）溫度載荷 在露天或高溫（低溫）環(huán)境工作的起重機超靜定結構，設計時應考慮溫度影響。常以金屬結構安裝時的溫度為初始溫度，使用時的溫度為末溫t，則計算溫差為。根據(jù)即可計算金屬結構的溫度變位，由可計算出結構的溫度應力。當缺乏任何資料時，可取溫度變化范圍為＋35℃～－35℃。 常用移動式起重機結構和跨度小于35m的超靜定結構，由于溫度影響較小，通常不計溫度載荷。 （三）地震載荷 根據(jù)我國幾次大地震后，起重機金屬結構均未遭到破壞的實際情況，在起重機金屬結構設計中不必考慮地震力對結構的影響。 （四）試驗載荷 起重機投入使用前，必須進行超載動態(tài)試驗及超載靜態(tài)試驗。試驗場地應堅實、平整。試驗載荷分別為動態(tài)試驗載荷Pdt和靜態(tài)試驗載荷Pst。 動態(tài)試驗載荷應作用于起重機最不利位置，且應考慮試驗時起重機需完成要求的各種運動和組合運動。Pdt值取為額定起升載荷PQ的110%與動載系數(shù)j6的乘積，即 （339）式中 j6──試驗時的動載系數(shù)。 靜態(tài)試驗載荷Pst值取為額定起升載荷PQ的125%。試驗載荷應作用于起重機最不利位置，且應平穩(wěn)無沖擊地加載。有特殊要求的起重機，其試驗載荷由用戶與制造廠簽訂合同予以規(guī)定。 工藝載荷和安裝載荷也是特殊載荷，在結構設計中一般不予計算。第四節(jié) 起重運輸機金屬結構的載荷組合及許用應力一、載荷組合 所有上述各種載荷，不可能同時作用于金屬結構，應按照各種載荷出現(xiàn)的頻繁程度和結構的重要性，根據(jù)起重機不同的工況，考慮最不利的情況進行合理的組合。按許用應力法計算起重機金屬結構時，采用以下三種載荷組合形式。 載荷組合I──只考慮基本載荷的載荷組合。這一組合規(guī)定起重機最多有兩個機構同時處于不穩(wěn)定運動狀態(tài)，該組合用于對結構進行疲勞強度計算。 載荷組合II──考慮基本載荷和附加載荷同時作用的情況。附加載荷主要是指水平風載荷和偏斜運行側向載荷。這一組合是保證起重機金屬結構正常工作狀態(tài)下具有可靠的強度和彈性穩(wěn)定性的主要計算載荷。該組合用于對結構進行強度、穩(wěn)定性和剛度計算。計算垂直剛度時不計動力系數(shù)和沖擊系數(shù)，不考慮水平慣性載荷；計算水平剛度時只考慮水平載荷。 載荷組合III──考慮基本載荷與特殊載荷同時作用，或基本載荷、附加載荷和特殊載荷同時作用的情況，該組合用于驗算結構的強度、彈性穩(wěn)定性和整機的抗傾覆穩(wěn)定性。 上述三類載荷組合列于表314。每一類組合中列出了若干種組合方式，計算時應根據(jù)具體的機種、工況和計算目的選取對所計算結構的最不利組合方式。結構構件或連接的強度和彈性穩(wěn)定性應同時滿足載荷組合I、II和III各類情況下的許用應力規(guī)定值，而疲勞強度只按載荷組合I進行計算。各類起重機金屬結構的載荷組合根據(jù)工況，參照表314確定。表315列出了龍門起重機金屬結構載荷組合推薦表，供設計時參考。二、許用應力 （一）結構件材料的許用應力 1. 基本許用應力 對結構件材料的拉伸、壓縮和彎曲許用應力，按不同的載荷組合（組合I、組合II、組合III）規(guī)定相應的安全系數(shù)和基本許用應力、和。 當＜，基本許用應力 （340） 當179。 ，基本許用應力23表314 載荷與載荷組合載 荷載 荷 組 合載荷名稱組合I組合II組合IIIⅢe?、骹基本載荷自重載荷起升沖擊系數(shù)—————運行沖擊系數(shù)起升載荷————起升載荷動載系數(shù)—————突然卸載沖擊系數(shù)——水平慣性載荷附加載荷工作狀態(tài)結構和物品承受的風載荷——————偏斜運行側向力—————特殊載荷非工作狀態(tài)風載荷——————碰撞載荷——帶剛性導架小車的傾翻水平力——試驗載荷———注：1. 表中為運行、回轉或變幅機構中最不利的一個機構處于不穩(wěn)定運動時所引起的水平慣性載荷。 為兩個機構處于不穩(wěn)定運動時所引起的水平慣性載荷；2. 和分別為動態(tài)試驗載荷和靜態(tài)試驗載荷，為動態(tài)試驗時的起升載荷動力系數(shù)；；3. 組合IIIf僅適用于無軌高速運行的輪式起重機在惡劣道路上行駛的工況，須按實際情況取值。表315 龍門起重機載荷組合表計算項目 起重機工況 載荷情況主 梁支 腿疲勞和強度計算強度計算疲勞和強度計算強度計算龍門架平面支腿平面龍門架平面支腿平面龍門架或支腿平面大車不動、吊重起升離地大車不動，小車運行至跨中或懸臂端制動，吊重下降制動，風向順著大車軌道方向大車運行制動，小車滿載在跨中或懸臂端下降制動，風向順著大車軌道大車不動，小車運行至跨中或懸臂端制動，吊重下降制動大車運行制動，小車滿載位于跨內(nèi)或跨中不動大車不動，小車滿載運行至跨中或懸臂端制動，吊重下降制動，風向垂直于大車軌道大車運行制動，小車位于跨中或懸臂端不動，吊重下降制動，風向平行于大車軌道大車不動，空載小車位于跨中或懸臂端，非工作狀態(tài)風載荷順大車軌道方向結構自重載荷小車自重載荷起升載荷大車制動慣性載荷小車制動慣性載荷工作狀態(tài)風載荷偏斜運行側向力非工作狀態(tài)風載荷碰撞載荷※試驗載荷注： 1. 為便于安全，突然卸載時，起升載荷的減載作用不考慮，即取 2. 大車不動時，龍門架平面應按一次超靜定計算； 3. ※小車運行在跨中制動時不考慮碰撞載荷。50 （341）式中──鋼材的基本許用應力。相應于載荷組合I、組合II、組合III分別為、和（N/mm2）； n──安全系數(shù)，相應于載荷組合I、組合II、組合III分別為nⅠ、nⅡ、nⅢ； ──鋼材的屈服點（當材料無明顯的屈服點時，取為。%時的試驗應力）（N/mm2）； ──鋼材的抗拉強度（N/mm2）。 2. 剪切許用應力和端面承壓許用應力 剪切許用應力和端面承壓許用應力用基本許用應力按下面的公式分別確定： （342） （343）式中 ──剪切許用應力，相應于載荷組合I、組合II、組合III分別為、（N/mm2）；──端面承壓許用應力。相應于載荷組合I、組合II、組合III分別為、（N/mm2）。 結構件許用應力和安全系數(shù)見表316。當時，以代替表內(nèi)的。表316 安全系數(shù)和許用應力載荷組合類別安全系數(shù)拉伸、壓縮、彎曲許用應力剪切許用應力端面承壓許用應力 [刨平頂緊]組合I組合II組合III注：如采用Q235沸騰鋼，對型鋼厚度大于15mm和鋼板厚度大于20mm的。 （二）連接材料的許用應力 1. 焊縫許用應力 按規(guī)定要求采用焊條、焊絲、焊劑施焊時，焊縫的許用應力見第四章。 2. 鉚釘、螺栓和銷軸連接的許用應力鉚釘、螺栓、銷軸連接的許用應力見表317。表317 鉚釘、螺栓和銷軸連接的許用應力接頭種類應力種類螺栓的鋼號構件鋼號ML2ML3Q235B35Q235B16Mn15MnTi鉚釘連接（I類孔）剪切[s]－－－－承壓－－[s][s][s]釘頭拉脫[s]－－－－精制螺栓連接（I類孔）拉伸－[s]－－－剪切－[s]－－－承壓－[s][s][s][s]普通螺栓連接拉伸－[s]－－－剪切－[s]－－－承壓－[s][s][s][s]銷軸連接彎曲－[s]－－－剪切－[s]－－－承壓－[s][s][s][s]注: 1. 表中[s]為該欄內(nèi)相應鋼號的基本許用應力。 2. 釘孔質量屬于下列情況者為I類孔： （1）在裝配好的結構件上按設計孔徑鉆成的孔。 （2）在單個零件和結構件上按設計孔徑分別用鉆模鉆成的孔。 （3）在單個零件上先鉆成或沖成較小的孔徑，然后在裝配好的結構件上再擴鉆至設計孔徑的孔。 （4）當為埋頭或半埋頭鉚釘時。 （5）工地安裝的連接鉚釘，其許用應力降低10%。 （6）當銷軸在工作中可能產(chǎn)生微動時，其承壓許用應力降低50%。第五節(jié) 設計計算方法一、現(xiàn)代設計方法簡介 現(xiàn)代設計計算方法顯著的特點是采用電子計算機這一先進手段，而計算手段的現(xiàn)代化又促進了設計計算理論的重大發(fā)展。 起重運輸機械金屬結構的設計計算不可避免地要涉及空間結構的超靜定問題，加上計算工況甚多，應用手算方法實際上難以應付如此復雜的分析和繁重的計算工作量，傳統(tǒng)的設計計算方法不得不作出各種各樣的簡化和假定，計算結果與實際情況有較大的出入，不得不加大安全系數(shù)給予補償。過去由于計算過于繁雜而不能解決的問題，借助于電子計算機已不是困難的事了。利用矩陣進行計算尤便于計算機程序的設計，矩陣理論的發(fā)展與電子計算機在結構分析中的應用相得益彰。 應用電子計算機進行結構分析最具普遍意義的方法是有限元法。有限元法是把所要分析的彈性體假想地分割為有限個單元，各單元僅在節(jié)點處連接并傳遞內(nèi)力，連接應滿足變形協(xié)調條件。這個過程稱為離散化。外載荷也以節(jié)點載荷的形式出現(xiàn)，把所有的外力向節(jié)點移置。這樣將無限自由度的連續(xù)體的力學計算轉變?yōu)橛邢迒卧?jié)點參數(shù)的計算，以完成復雜結構的力學分析。在有限元法中，通常是以位移法來求解的。有限元法的計算精度取決于單元的數(shù)量和形狀，所以總可以達到所要求的精度。由于單元數(shù)量較多，必然要解數(shù)量很多的線性聯(lián)立方程，這就非用電子計算機不可。 在現(xiàn)代設計理論和方法中，優(yōu)化設計無疑占有重要地位。在結構設計的傳統(tǒng)方法中，除最簡單的構件設計外，都是首先憑借經(jīng)驗和判斷，選擇和確定結構方案，初選構件的截面尺寸，然后進行強度、剛度和穩(wěn)定性的校核驗算。對方案的修改或對為數(shù)不多的方案進行比較，同樣是校核性的。由于計算工作量的龐大，事實上只可能做少量的方案比較，結構設計的優(yōu)劣過大地依賴于設計者的水平和經(jīng)驗，即使是優(yōu)秀的設計者亦難達到很滿意的設計。從被動地進行安全校核轉變?yōu)橹鲃拥貜母鞣N可能的設計方案中尋求盡可能完善或是適宜的方案就是結構優(yōu)化設計所追求的目標。自然，要把結構設計人員的精力從繁重的計算工作中解放出來，把主要精力轉到優(yōu)化方案的選擇上去，也非依靠電子計算機不可。 結構優(yōu)化設計的理論和方法，基本上可以歸結為兩大類：第一類是準則方法，它是從結構力學的原理出發(fā)，首先選定使結構達到最優(yōu)的準則（例如滿應力準則、能量準則等），而后根據(jù)這些準則尋求結構的最優(yōu)解（即滿應力設計、滿應變能設計等）；第二類是數(shù)學方法，它是從解極值問題的數(shù)學原理出發(fā)，運用數(shù)學規(guī)劃和優(yōu)選法等各種方法，求得一系列設計參數(shù)的最優(yōu)解（例如最輕設計）。 結構優(yōu)化設計問題，廣義地說，應該把材料的用量、制造工藝和使用維修等各種因素綜合起來考慮。盡管材料的用量最少（結構最輕）并不就等于最經(jīng)濟或最優(yōu)，但仍不失為對結構設計方案進行比較的一個重要指標。滿應力設計與最輕設計并不一定是一回事，但是在不少情況下這兩種設計的結果是相同的，或者是相當接近的，而滿應力設計要比最輕設計簡單得多，所以滿應力設計是一種切實可行，而又是人們比較熟悉、比較容易掌握的一種優(yōu)化方法。通常采用應力比的方法逐次逼近滿應力（比例滿應力法）。它是先選定一個初始方案（各桿件的初始截面），計算在各種載荷組合下各桿件的最大內(nèi)力和相應的最大應力，然后將它們與許用應力相比，其比值k1即表示桿件原截面有富裕，k1即表示桿件原截面不足。將各桿件的截面乘以對應的k值作為新截面重新計算應力，如此循環(huán)迭代直到即得到滿應力設計方案。有時滿應力設計會收斂到非最優(yōu)點（超靜定結構退化為靜定結構）。為避免這種情況，通常采用齒行法。所謂齒行法是在滿應力設計法中增加射線步，即從坐標原點出發(fā)，經(jīng)過上一步比例滿應力的設計點，沿此連線方向回到約束曲線（根據(jù)約束條件確定的可行域與不可行域的分界線）。在每一步比例滿應力設計之后，加一步回到約束曲線的射線步，兩種步法間隔地進行。每一次射線步后記錄一次結構重量。當發(fā)現(xiàn)某一射線步后結構的重量大于上次的重量時，就取上次的設計點為最優(yōu)點。 第二類的優(yōu)化設計方法中的數(shù)學規(guī)劃，就是在用等式或不等式表示的限制（約束）條件下求多變量函數(shù)（目標函數(shù)）的極值問題。如果目標函數(shù)和約束方程是線性的，則尋求這類問題的最優(yōu)解即為用線性規(guī)劃進行結構的優(yōu)化設計；如果目標函數(shù)或約束方程是非線性的，則為用非線性規(guī)劃進行結構的優(yōu)化設計。結構設計中的優(yōu)化，通常是有約束的，是為約束最優(yōu)化問題。非線性規(guī)劃大致可分為三類：第一類是直接處理約束的方法，例如可行方向法、最速下降法、梯度投