港口起重机钢结构加劲肋设计

吕 杰

天津港第四港埠有限公司

1 引言

钢结构用于承受和传递起重机的工作载荷和自重载荷，主要承载构件以梁结构、柱结构或柱梁结构等形式为代表，常采用箱形薄壁结构形式。为提高构件承载能力，满足结构稳定性要求，一般都设有纵向和横向加劲肋。加劲肋设计的几何要素要求，在《起重机设计规范》(GB/T3811-2008)中有明确的描述，但它们在本体结构中受力、传力及连接要求没有论述。在一些相关文献中，从不同的角度分析了加劲肋在结构本体中的作用，给结构设计者提供了方便。在相关文献的基础上，提出纵向加劲肋计算方法和不同部位横向加劲肋的作用及设计思路，以便设计者参考借鉴。

2 纵向加劲肋对结构产生的影响

文献[1]以板肋组合构件承压为计算模型，利用构件变形后的几何形状和位置，通过大变形理论和变形协调原理，解决了纵向加劲肋与结构本体连接问题。实际上，纵向加劲肋有强肋(刚性)与弱肋(柔性)之分，强肋有足够的弯曲刚度，能起到支承板的作用，即自身稳定性足够，板材仅在区格间失稳；弱肋存在两种失稳模式，即板材区格间失稳模式或板肋组合结构失稳模式，一般情况板肋组合结构失稳先于区格间失稳。文献[1]的连接计算方法采用弱肋板肋组合结构失稳模式，焊缝传力方向为垂直于本体结构。文献[2]也是采用文献[1]的变形模式，考虑存在初始缺陷板肋组合结构的承载能力问题。文献[3]也利用文献[1]的计算模型，采用虎克定律和变形协调原理，解决了承压板肋组合构件中纵向加劲肋与结构本体连接问题。文献[3]的连接计算方法建立在肋板肋组合结构整体受力的基础上，纵向加劲肋与板一起承载，焊缝传力方向为平行于本体结构。尽管文献[1]和文献[3]计算结果相近，显然纵向加劲肋连接传力方向不同，两者方向相互垂直，笔者认为文献[3]的纵向加劲肋连接传力方向与实际情况是一致的。

纵向加劲肋有强弱(刚柔)之分，在具体结构设计中，纵向加劲肋无论是强肋还是弱肋，只有连续布置和间断布置两种方式。连续布置横隔板开穿越孔或在横隔板处焊接，制造精度要求高；间断布置加劲肋端部需要加工，制造相对方便。文献[4]认为纵向加劲肋沿构件的长度方向连续改变构件的横截面特性，即纵向加劲肋连续布置方式。这种布置显然会引起构件截面特性的变化，根据材料力学可知，纵向加劲肋连续布置可提高构件的强度和刚度。纵向加劲肋若间断布置，一般认为仅起到提高局部稳定性作用，设计者认为这种加劲肋在工作过程中不承载，因此会出现主板结构采用Q355材料，纵向加劲肋会采用Q235材料的情况。港口起重机钢结构主要是梁结构、柱结构或柱梁结构。文献[3]认为纵向加劲肋即使间断布置，也与板一起参与工作，是直接承载的。

故以箱形薄壁梁结构为研究对象，用材料力学组合梁理论分析纵向加劲肋的承载和传载。由于纵向加劲肋对梁构件剪应力的影响较小，不予考虑。假设箱形薄壁梁结构由相同弹性模量E的材料组成,梁的宽度为b，翼板的厚度为t1,翼板的面积为A1；梁腹板高度为h,腹板厚度为t2；翼板纵向加劲肋与板连接部位的厚度为t3,加劲肋的面积为A2，n为纵向加劲肋的数量。梁横截面为双轴对称的等截面。梁在横力作用下弯曲为分析模型，梁结构满足材料力学假设：

(1)不同材料间无滑移(事实上也不滑移)。

(2)材料服从虎克定律。

(3)材料横截面发生弯曲后仍保持为平面。

(4)每种材料的每层纤维彼此隔开。

(5)材料弹性模量保持不变。

(6)不存在由热膨胀产生的应力。

组合梁发生弯曲变形时，其上每一种材料内的应力与应变应满足虎克定律，即：

σj=Eεj

(1)

其中应变εj又可通过纤维层的位置yj和曲率半径ρ表示为：

εj=yj/ρ

(2)

对于第j种材料，式(2)代入(1)可得：

σj=Eyj/ρ

(3)

由于在梁的每一横截面上合力必须为零，故有：

(4)

式中，dAj为对应的面积元。

另一方面，这些力的矩必须等于弯矩M：

(5)

M=EI/ρ

(6)

将式(6)代入式(3)，则有：

σj=Myj/I

(7)

应用式(7)则可计算板肋组合结构中翼板或腹板加劲肋的正应力，从而计算纵向加劲肋分担的载荷。

式(7)表明，纵向加劲肋不管是连续布置还是间断布置，均与板一起承载。两者区别在于纵向加劲肋连续布置对构件的强度和刚度都有一定的影响，可提高构件承载能力，而间断布置由于端头不连续则不能提高构件承载能力。间断布置纵向加劲肋要注意端部处理，要有平滑过渡区，避免几何突变产生的应力集中，有限元分析和应力测试均发现，间断布置加劲肋端部存在严重应力集中问题。

纵向加劲肋连接计算可根据式(7)计算加劲肋正应力σj，与加劲肋截面积相乘，得到加劲肋分担的负载。加劲肋分担负载记为Fj,则有：

Fj=σjA2

(8)

对于翼板的纵向加劲肋，式(8)中的σj可保守地取翼板应力。

加劲肋分担负载Fj通过连接的纵向角焊缝传递，加劲肋角焊缝有效高度记为Df，Df不得小于1.5(t2)1/2；角焊缝计算长度记为lw，lw不得小于10Df或50 mm，lw最大计算长度按承受动力载荷考虑，保守地取40Df；角焊缝许用剪切应力记为[τ]，也可取加劲肋母材许用剪切应力。这样有：

40Df2[τ]=Fj=σjA2

(9)

Df=(σjA2/(40[τ]))1/2

(10)

式(10)计算结果与Df不得小于1.5(t2)1/2要求一致。

纵向加劲肋连接焊缝实际设计时应考虑港口起重机承受动力载荷，建议：①加劲肋端部不焊接，尽管端部焊缝承载能力比侧焊缝高22%，但端部焊缝刚性大，变形能力比侧焊缝小；②考虑到港口起重机作业区域气候环境，要求加劲肋焊缝一侧采用连续焊接，焊高Df不得小于1.5(t2)1/2，另一侧采用大间距焊接，焊缝长度不得小于10Df或50 mm的大值，这个要求有利于提高疲劳强度和局部稳定性可靠性；③纵向加劲肋采用连续布置形式，可以明显提高结构强度和刚度、减轻结构自重、降低成本，同时减少加劲肋端部处理和应力集中点，有效提高构件疲劳强度。

3 横向加劲肋对结构产生的影响

薄壁箱形构件为满足局部稳定性的需要，保证腹板平面外的整体稳定性，腹板一般要求配置横向加劲肋，也称横隔板。横向加劲肋一般制成开孔的横隔板形式或在开孔处包板的横隔板形式。配置要求在《起重机设计规范》(GB/T3811-2008)中有明确的规定，但要注意开孔圆角半径，圆角半径过小，扭转载荷作用下会出现比较大的应力集中，应力集中系数记为k，则有：

k=1+δ/r

(11)

式中，δ为开孔隔板宽度，r为圆角半径。

由材料力学梁构件在承受拉压、弯曲应力与位移计算公式可得，由于横向加劲肋仅在其自身所在截面内改变梁的截面性质，对强度和刚度几乎没有影响，用有限元法很容易验证。从梁构件扭转应力和角位移计算公式中也可得出，横向加劲肋对强度和刚度没有影响。事实上，横向加劲肋可以保证薄壁箱形构件形状，阻止横截面形状改变，增加空间抗扭刚度，限制横截面形状变形和扭转共同引起的横向弯曲畸变应力和纵向正应力，改善载荷横向分布，承担大的局部集中载荷，起到局部约束截面扭转作用。

在港口起重机梁结构、柱结构或柱梁结构中，仅保证构件局部稳定性的横隔板设计比较简单，满足《起重机设计规范》(GB/T3811-2008)规定的要求即可；在固定集中载荷处或梁的支座处的支承加劲肋设计也非常明确。但在具体梁、柱构件设计时，经常会碰到两种或以上构件相互连接在一起，连接部位没有显式的集中载荷，设计者一般也会采用横隔板的方式予以加固。这些部位的横隔板不仅要满足局部稳定性要求，还要承担传递载荷作用，设计稍有不慎，就会出现严重后果。下面就这种横隔板设计理念做简要论述。

港口常用16 t、25 t和40 t等门座起重机，一般采用板凳式门架，由圆筒结构、横梁和端梁组成。圆筒结构和横梁连接、横梁和端梁连接均存在横向加劲肋承载和传载问题。圆筒与横梁连接处，在圆筒内部必须设置横向加劲肋，加劲肋不但需满足《起重机设计规范》(GB/T3811-2008)规定要求，而且要满足强度要求，横向加劲肋设计使其惯性矩与横梁翼板惯性矩等同、连接部位焊缝要求与翼板等强度。横梁和端梁连接也存在横向加劲肋设计，要考虑强度问题；端梁与横梁连接处横隔板及连接设计要满足强度要求，还要注意与横梁连接的端梁上面板，其上开孔要注意，必要时予以加固，结构设计要符合单体结构完整性与等强度要求。与端梁连接的横梁内侧横隔板要考虑强度问题，内侧横隔板的强度不得低于端梁外侧端板的强度，连接焊缝满足等强度要求。

在梁、柱构件具体设计时，经常出现变截面情况，变截面有截面微小变化和较大变化两种不同情况。微小变化指腹板保持不变，仅改变翼板厚度，可采用直接对接焊，与等截面梁、柱构件的拼接没有什么区别。截面变化较大一侧翼板外表面平齐，而另一侧翼板折弯或双侧翼板均弯折。在翼板弯折处必须设置横隔板，以保持折弯翼板形状，此处横隔板及连接设计要满足强度要求，按翼板承受的载荷分解成沿平行于横隔板和垂直于横隔板两方面，并据此计算横隔板强度及连接强度。

在梁、柱构件具体设计时，还有一种特殊情况需要注意，就是海上大型浮式固定臂架起重机。这种起重机固定臂架主要有两种形式，一种是单肢或双肢桁架结构，另一种是单肢或双肢箱形薄壁结构。为了提高双肢臂架的整体稳定性，在双臂架之间设置联系横梁，此联系横梁在起重机正常作业时受力很小，但在拖航工况或在海域锚泊工况下，由于船舶运动，臂架部分产生巨大惯性载荷，联系横梁会承担很大的惯性载荷。此时与联系横梁连接处的臂架必须设置满足强度要求的横隔板，横隔板及连接强度不得低于横梁强度，甚至高于联系横梁强度。另外，联系横梁与臂架连接部位、横隔板及连接设计要有良好几何过渡，降低应力集中，避免由于船舶运动造成臂架结构疲劳开裂。

4 结语

基于材料力学详细分析了港口起重机箱形薄壁构件为满足稳定性设置的加劲肋在构件承载和传载中的作用。纵向加劲肋建议采用连续布置形式且端部不焊接；对于类似梁、柱交接处的横向加劲肋，其设计应不仅满足箱形薄壁结构的局部稳定性要求，还要验算加劲肋本身的强度和连接强度。