千吨级桅杆起重机人字架结构设计

于志杰 李鹏举 张 峰 刘 彬

山东丰汇设备技术有限公司

1 引言

随着港口物流业务的不断发展，重件码头大件吊装作业持续增长，特别是海上风电设备装卸作业，对桅杆起重机的需求不断增加，港口固定用千吨级桅杆起重机应运而生。人字架结构作为千吨级桅杆起重机的重要承力构件，其后拉杆和前撑杆承受着数千吨以上的轴力，其结构的构造选择和优化设计十分必要。

2 构件设计

人字架整体结构为人形，为适应臂架头部的宽度和变幅要求，人字架上部窄下部宽，由头部横梁、后拉杆、前撑杆、连梁、支座和销轴等组成(见图1)。前撑杆、后拉杆上下两段和连梁为箱形结构，后拉杆中段为多翼板箱形结构。

1.头部横梁 2.后拉杆上段 3.后拉杆中段 4.后拉杆下段 5.后拉杆连梁 6.后拉杆支座 7.前撑杆支座 8.前撑杆 9.前撑杆连梁图1 人字架整体结构

3 节点设计

为便于人字架各部件高效拆装和转场运输，前撑杆、后拉杆及其连梁采用分段设计，节点之间全部采用销轴连接。

3.1 前撑杆节点

前撑杆节点采用刚性连接拉压接头，由构件、接头、4个销轴和2组连接件组成。构件承拉时，依靠4个销轴和2组连接件承拉，上下接头的拉力通过4个销轴传递给2组连接件，此时4个销轴受剪(见图2)。

图2 前撑杆节点 图3 前撑杆连接

上下接头为相同构造，接头由4个翼板和2个腹板焊接而成。构件承压时，依靠上下接头的接触面承压，接触面由4个翼板和2个腹板提供。

单组连接件由2片拉板和4个连接环焊接而成，销轴、连接件与单个接头连接示意图见图3。

前撑杆上部和头部横梁采用刚接点设计，双销轴八剪切面连接(见图4)。

图4 前撑杆和头部横梁连接 图5 后拉杆构件

3.2 后拉杆节点

后拉杆中段采用多翼板拉杆结构，承拉板数量多，每个单板薄，焊接变形更小，结构紧凑，应力传递更好。拉杆结构为4个翼缘和2个腹板焊接而成，双销轴八剪切面刚性连接。

根据整体连接长度要求，选择拉杆和销轴的数量，各拉杆依次首尾相接。拉杆结构见图5，节点连接见图6。

图6 后拉杆连接 图7 连梁节点

3.3 连梁节点

连梁设置在前撑杆或后拉杆的转折处，以抵消该处的水平载荷，前撑杆为主要受压构件，为减小其弱轴方向的长细比，设置3处连梁；后拉杆设置2处连梁。连梁两端采用双销轴与前撑杆或后拉杆连接(见图7)。

3.4 铰点设计

前撑杆与支座，后拉杆与支座，前撑杆与后拉杆的连接为铰接结构，采用单销轴四剪切面设计，见图8。

图8 铰点设计

4 结构优化

人字架和臂架结构设计中，最大额定起重量对应的最大幅度工况为最危险工况，人字架和臂架协调受力，进而对人字架的高度和上铰点位置进行优化[1]。在满足人字架和臂架的强度、刚度和稳定性要求下，寻求人字架与臂架的重量之和最小。采用三角函数法求解结构轴力，计算中通常将臂架和变幅系统的质量折算到臂架头部，作为总起升载荷的一部分[2]。人字架和臂架的受力简图见图9，符号定义见表1。

表1 符号定义

表2 人字架和臂架结构几何关系

前撑杆为压弯构件(受压为主)，后拉杆为拉弯构件(受拉为主)，由于弯矩相对较小，前撑杆和后拉杆更接近轴心受力构件；臂架为压弯构件，根据等稳设计，使前撑杆、后拉杆和臂架的稳定应力接近各自的极限设计应力。

5 自重和风载荷的影响

除变幅系统传递给人字架的载荷以外，人字架还承受自重和风载荷的作用，通过内力图分析两类载荷对人字架各组成构件的影响。

5.1 自重作用下的内力

人字架在其自重作用下的内力图见图10，经计算可知，在后拉杆所在平面及前撑杆所在平面，其弯矩较小，可忽略；后拉杆和前撑杆底部轴力较大，但其应力不大；在变幅平面，其弯矩较大，是重要内力，不可忽略。

图10 自重载荷作用下的内力图

5.2 变幅平面内风载荷作用下的内力

变幅平面内风载荷作用下的内力图见图11。风向向前或向后，对前撑杆和后拉杆的内力计算是有影响的，应使风载荷产生的作用与自重作用相互叠加，即校核前撑杆时风向向后，校核后拉杆时风向向前。

图11 变幅平面内风载荷作用下的内力图(风向为向前)

5.3 整机侧向风载荷作用下的内力

整机侧向风载荷作用下的内力图见图12，后拉杆所在平面内和前撑杆所在平面内，其各自的下层连梁存在较大的弯矩和弯曲应力。

图12 整机侧向风载荷作用下的内力图(风向为侧向)

综上可知，人字架自重在变幅平面内产生的弯矩较大，对前撑杆和后拉杆产生的应力也较大。一般情况下，风载荷对前撑杆和后拉杆的影响可忽略不计，但是前撑杆连梁和后拉杆连梁的横截面较小，整机侧向风载荷对前撑杆连梁和后拉杆连梁有较大影响，不可忽略。

校核中应注意计算位置、内力方向和内力叠加。轴力最大处在人字架下部，弯矩最大处在人字架中部和节点处。节点的约束情况会影响内力(轴力、剪力和弯矩)，应根据内力变化设计截面。危险截面一般发生在前撑杆和后拉杆中部，其中自重产生的弯曲强度应力为20～40 MPa。

6 结语

介绍千吨级桅杆起重机人字架的结构形式，阐述后拉杆和前撑杆的受力特点和结构拆分情况，阐述后拉杆和前撑杆的节点设计，给出其连接接头的不同构造类型，并根据其承载受力情况提出优化方法，为此类人字架结构设计提供参考。