偏心导致的结构承载能力下降的设计修正



偏心导致的结构承载能力下降的设计修正

华电重工股份有限公司上海分公司　崔玉华　姚　欣

摘　要： 起重运输机械钢结构设计过程中，有时为了避免干涉，会设计出偏心的结构。这种结构会造成附加弯矩的产生，从而导致结构从拉压构件变成压弯或拉弯构件的情况。分析了这种结构的危害，并结合实例介绍了其修正方法。

关键词： 偏心结构； 附加弯矩； 压弯

1　引言

在起重运输机械设计中，结构特别是传力结构存在偏心往往会产生较大的危害，因为轴力构件产生了附加弯矩。结构设计之所以会出现偏心结构，主要是因为在结构设计时为了避免干涉或者给附属的设备留下空间。而一般情况下，没有偏心的结构在满足规范要求下，都足以承受比工作载荷大得多的载荷。设计人员会认为较小的偏心不会造成结构承载能力的严重下降，因此忽略了偏心的危害。

本文通过分析和比较偏心结构和非偏心结构受载后的强度，说明了偏心构件的危害，并列举了几个实际项目的偏心结构设计来说明这个问题以求避免在今后的设计中出现这种结构，保证设计出来的产品的安全性，同时也避免设计返工，浪费时间，增加成本。

2　偏心构件受力分析

为了分析偏心结构的受力，本文利用一个简单的悬臂梁受压结构在受载后的强度来说明，见图1。结构的截面为箱梁，其中翼缘板宽200 mm,翼缘板厚12 mm；腹板高300 mm，腹板厚10 mm。

图1　轴力构件及偏心构件

图2为悬臂形式的轴力结构和偏心结构的受力简图，载荷为40 t。

图2　轴力构件和偏心构件受力简图

悬臂梁没有偏心时只受压，截面的面积为A=10 800 mm，压力F=40 t。通过计算，截面的压应力为σ=36.33 MPa。同理，对于偏心结构，BC段梁近似为受压构件；而AC段为压弯构件,偏心距为500 mm，附加的弯矩为M=1.962 E+8 Nmm，轴力为F=40 t。截面惯性矩Ix=1.618 7E+8 mm3，翼板上侧的截面抗弯模量Wx=1.038E+6。截面的弯曲应力σM=189 MPa，综合应力σ=225 MPa。偏心结构箱梁截面的最大应力比非偏心结构的应力增大了6.2倍。对于偏心结构，附加弯矩随偏心距的增大而增加。

通过有限元分析可知，结构不存在偏心时，箱梁应力只有35 MPa左右，承载能力有非常大的余量，一旦发生偏心时，AC段的受压侧翼板应力大大超过Q345材料许用值，结构将发生破坏。

3　条形料场取料机横梁偏心结构设计及修改

图3　固定端下横梁偏心结构设计及强度结果

为了更好地说明偏心结构的危害，首先以某条形料场取料机为例，在最初设计时， 为了避免固定端钢结构和台车组的干涉，将固定端下横梁设计为偏心构件，见图3。 横梁1和2梁高900 mm,中心线在竖直方向上偏差了600 mm。由于取料机行走取料过程中，存在很大的侧向力，而刮板机支架的长度较长，作用在刮板机根部的弯矩很大。而载荷大部分需要通过下横梁传递到台车组，下横梁的轴力很大，而偏心结构又产生了很大的附加弯矩，因此通过有限元分析后发现，下横梁的应力超过了《GB3811-2008 起重机设计规范》[1]中的I类工况许用的230 MPa，结构设计不满足使用要求。

通过分析表明，下横梁作为刮板机侧向力的主要传力结构，存在着较大的轴力，因此偏心结构会造成较大的弯矩，驼是造成下横梁应力过大的根本原因。通过修改设计将横梁1设计成倾斜和横梁2对接，中心线相交于一点。这样既解决了横梁和车轮干涉的问题，又避免了结构偏心，修改后的设计和在同样载荷下的强度计算结果见图4。

图4　固定端下横梁无偏心结构设计及强度结果

从图4中可以看出，在梁截面不变的情况下，仅仅将偏心结构改为非偏心结构，在横梁对接处，结构的应力从超过规范要求减小为满足要求且有足够大的余量。因此合理的设计，可以在不增加材料使用量的情况下，提高承载能力，且存在优化空间。

4　堆料机结构偏心设计及修改

图5为圆形料场取料机上部回转平台的简图。其中3为配重侧的铰耳，5为前臂架侧的铰耳，3为组成框架主体的工字梁，钢框架的梁4和铰耳板3、4的偏心距为240 mm。结构最初的设计存在偏心是基于铰耳距离比整个钢框架的宽度小。

图5　取料机上部转台框架设计

图6　偏心和非偏心框架的应力图

图6为上部转台框架偏心设计及不偏心设计，在同样载荷作用下的应力图。从图6中可看出，当存在偏心时，作用在铰耳梁上的载荷对于框架工字梁来说是弱轴方向的载荷，工字梁将完全失效。

为了防止工字梁承担弱轴方向的载荷，因此将梁4移动位置直接连接3和5。这样的设计可以保证前后钢丝绳的拉力互相抵消。修改后的设计计算结果见图6下图，整个框架的应力完全满足规范要求。

5　结语

通过简单的悬臂梁偏心及不偏心结构受载后的强度分析，说明了偏心结构的危害。偏心结构受载后会产生很大的附加弯矩，造成结构应力大幅度的增加。同时，结合条形料场取料机固定端下侧横梁及圆料场堆料机回转结构在设计初期出现的偏心结构的强度分析，进一步说明偏心结构是在设计中必须严格避免的结构。

参 考 文 献

[1]　国家质检总局． 起重机设计规范 GB/T 3811[S]． 中国标准出版社，2008.

[2]　张质文，王金诺，程文明等主编． 起重机设计手册. 北京：中国铁道出版社, 2013：23-27.

[3]　F.E.M 1.001，Rules for the design of hoistingappliances 3RD edition 1987.

[4]　AS 4324 Mobile equipment for continuous handling of bulk materials 1995.

崔玉华: 200122， 上海市浦东新区福山路458号同盛大厦21F

Design Update of the Carrying Capacity Decreasing Resulting from Eccentricity

Shanghai R&D Center, Huadian Heavy Industries 　Cui Yuhua　Yao Xin

Abstract: To avoiding the structure interfere, eccentric construction is designed in the process of crane's structural design.The additional bending moment in the structure will change the structure from compressed structure to press bending structure. This paper analyzed the danger of eccentric construction and give an example for specification.

Key words: eccentric construction; additional bending moment; compression bending

DOI： 10.3963/j.issn.1000-8969.2016.01.008

收稿日期： 2015-10-14