双箱梁通用门式起重机主梁与支腿连接处的结构分析

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通用门式起重机 (以下简称门机)广泛用于工厂、铁路货尝建筑工地等地方，额定起重量为 3.2～320 t 。当跨度小于 30 in时，金属结构通常采用双刚性支腿；当跨度大于 30 in时，需要考虑温度对钢结构变形的影响，常采用-刚-柔支腿结构。根据通用门机的受力特点，刚性支腿采用上下变截面形式，其上部截面与主梁截面大致相当，支腿与主梁形成刚性连接；柔性支腿为上下等截面，且与主梁形成柔性连接 J。通用门机的金属结构为-门形框架，结构主要由主梁、支腿和下横梁等组成。主梁及支腿通常采用箱形或桁架截面形式，本文以双箱梁门机结构为研究对象。

1 金属结构受力分析门机的起升载荷主要是通过起重小车的车轮，经主梁传到支腿和下横梁，最后通过大车车轮传递给地基，故主梁与支腿连接的结构形式对载荷的传递以及整机结构的使用寿命都有重要影响。

传统的主梁与支腿连接形式如图 1所示，这种结构形式通过将主梁下翼缘板折弯并圆弧过渡到主梁与支腿连接的法兰上。为保持主梁下翼缘《起重运输机械》 2013 (3)在门腿交接处载荷传递的连续性，通常按图 1所示在主梁内侧用-块连接板 (件 1)将两侧圆弧过渡的翼缘板连接起来。这种结构形式的主要缺点是：1)由于翼缘板圆弧弯折的精度不易保证，与连接板 (件 1)问容易产生缝隙，不利于保证焊缝质量；2)由于焊缝位置不好，故施焊难度大，且对缺陷焊缝处理困难 ；3)如果连接焊缝出现疲劳开裂，焊缝因处于半隐蔽状态而难以被发现；4)圆弧过渡处的翼缘板与对应腹板的连接焊缝受力复杂，应力集中比较严重，容易产生疲劳裂纹。

件1图 1 门机传统主梁与支腿连接形式示意图为克服上述结构形式的缺点，在实际设计 中将下翼缘贯通以保持其受力的连续性，并对翼缘贯通情况下的2种常用结构形式 (见图2)进行了分析对比，找出较为合理的结构形式加以应用。

- 15 - I/ (-件2 l lI I/ IU U- - n n(b)图 2 门机结构下翼缘贯通结构示意图1.1 主梁力学模型通用门机的主梁主要承受垂直载荷、水平载荷和扭转载荷。垂直载荷包括固定载荷和移动载荷，其中固定载荷有主梁、平 台和栏杆 的 自重，固定载荷以均布载荷的形式作用在主梁上；移动载荷主要是起吊物品和小车的质量，移动载荷以小车轮压 (集中载荷)的形式作用。水平载荷主要是风载荷，起 吊物品的斜拉载荷，以及大车和小车运行起、制动时引起的惯性载荷；扭转载荷与轨道的布置形式 (中轨或偏轨)有关，主要是由起重量及小车 自重引起。当大车或小车偏斜运行时，对主梁也会产生扭转载荷。

计算主梁结构时，如果门架结构为双刚性支腿，则采用-次超静定结构计算；如果为-刚-柔性支腿，则采用静定结构计算。出于安全的考虑，实际设计主梁时大多偏于保守的采用静定简支梁计算 。主梁在 自重载荷、移动载荷以及风载荷作用下的力学模型和弯矩图如图3所示。

1.2 支腿力学模型通用门机支腿的计算分门架平面内和支腿平面内的内力计算。在门架平面内，对于双侧刚性支腿门架应按-次超静定刚架结构进行计算；对于-侧为刚性、-侧为柔性支腿的门架，按静定结构进行- 1 6 - (n图3 门机主梁的力学模型和弯矩图《起重运输机械》 2013(3)计算。在支腿平面内，支腿刚架结构的计算应由支腿和下横梁连接处的刚度比值确定。当二者比值小于或等于0.6时，按 1次超静定结构计算；当二者比值大于0.6-1时，按 3次超静定结构计算 。

支腿在门架平面内主要承受主梁的自重载荷、满载的小车轮压和小车起、制动惯性力；在支腿平面内主要承受端梁的 自重载荷、大车运行起、制动惯性力以及风载荷等 (根据文献 [1]，计算风载荷时，只在支腿平面内考虑)，当大车偏斜运行时，还有偏斜运行侧向力 ，按水平载荷计算。

2 主梁与支腿连接形式对比分析2.1 2种连接形式的制造对比分析图2a所示的连接形式中 (以下简称形式 1)，将与箱形门腿翼缘板对应的连接板 (件 2)对称倾斜与主梁下翼缘板相交，并与主梁内侧大隔板对应 ，与主梁下翼缘采用焊缝连接。这种结构形式构造简单，加工制作方便。

图2b所示的连接形式中 (以下简称形式 2)，将与箱形门腿 2块翼缘板对应的连接板 (件 3)垂直与主梁下翼缘板相交，并与主梁内侧大隔板对应，与主梁下翼缘采用焊缝连接，支腿翼缘外侧采用弧形加筋板加强。这种结构形式构造略显复杂，圆弧切割边要求光滑平整。

2.2 2种连接形式的焊接对比分析形式 1当中，连接板 (件 2)与主梁下翼缘的连接焊缝受力较大，为传力可靠、减小应力集中，对焊缝的内在和外观质量要求较高，全长采用I类焊缝 (DL/T 676《电站钢结构通用技术条件》)，按GB 1 1345BI级检验。通过实际应用情况看，这里I类焊缝质量比较容易保证，完全满足金属结构的承载要求，门机运行过程中没有发现焊缝开裂的现象。

形式2当中，连接板 (件 3)与主梁下翼缘的连接焊缝 因外侧弧形加筋板的作用而受力较小，质量要求相对较低，但弧形加筋板外侧 的立板(件4)与主梁下翼缘的连接焊缝受力较大，为传力可靠 、减小应力集 中，其质量应与上述形式 1对应位置的焊缝要求相同。这种连接形式较形式 1的焊接工作量大。

2.3 2种连接形式的承载能力对比分析通用门机的载荷当中，对门架结构影响最大的载荷是垂直方向的载荷。从图3b和图3d可以看出，弯矩沿着支腿长度成线性分布，在主梁和支腿连接处最大。根据强度校核公式，弯矩引起的应力为《起重运输机械》 2013(3) ≤[ ] (1)式中： 为危险截面的最大弯矩， 为危险截面的抗弯截面模量， [ti]为材料的许用应力。

在 相同的情况下， 越大，截面的应力就越校形式 1中危险截面的抗弯截面模量 大于形式 2中的抗弯截面模量 (图 2a和图2b中的截面A-A)，故在相同工况下，形式 1的截面应力要小于形式2的截面应力，或者说形式 1比形式 2具有更大的承载能力。

由于形式 2中危险截面的最大应力发生在起辅助作用的弧形加筋板上，而应该起主要作用的支撑板 (件 3)应力却比较小，材料没有得到充分利用，不符合 主板起主要作用，筋板起辅助作用”的设计原则。

形式 1传力比较直接、顺畅，弯曲应力沿支撑板纤维方向比较均匀，应力集中小；形式 2中应力沿弧形板不能均匀传递，切割边附近应力很大，加之切割边极易产生应力集 中，长期使用很容易产生裂纹。

3 主梁与支腿连接处的有限元分析运用 Pro/E建立主梁与支腿连接处的三维模型，把模型导入 Ansys软件进行有限元分析。有限元模型按小车在跨中满载起升物品，大车运行起制动工况施加载荷。通过对2种连接形式有限元模型的节点位移、应力和应变结果比较，可直观地反映出 2种连接形式的承载特点，具体数据见表 l。

表 1 2种连接形式的有限元结果名称 位移/mm 应力/MPa 应变连接形式 1 1.858 54.7 0.345连接形式2 1.869 127 0.578比值百分差 0.5% 56.9% 40.3%4 结论1)通过对主梁与支腿 2种连接结构的有限计算元结果分析可以看到，在相同载荷作用下，在最大位移、最大应力和最大应变 3个方面，连接结构形式2均大于连接形式结构1，三者的百分比差值分别为0.5%、56.9%和40.3%。由此可得：形式 1在承受载荷方面比形式 2更为合理，载荷传递平顺。

2)从图4-图9的结构应力和应变矢量图可看出，形式1在支撑板与下翼缘板焊缝处存在应力- 17 -