于志杰 李鵬舉 張 峰 劉 彬

山東豐匯設(shè)備技術(shù)有限公司

1 引言

隨著港口物流業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，重件碼頭大件吊裝作業(yè)持續(xù)增長，特別是海上風(fēng)電設(shè)備裝卸作業(yè)，對(duì)桅桿起重機(jī)的需求不斷增加，港口固定用千噸級(jí)桅桿起重機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。人字架結(jié)構(gòu)作為千噸級(jí)桅桿起重機(jī)的重要承力構(gòu)件，其后拉桿和前撐桿承受著數(shù)千噸以上的軸力，其結(jié)構(gòu)的構(gòu)造選擇和優(yōu)化設(shè)計(jì)十分必要。

2 構(gòu)件設(shè)計(jì)

人字架整體結(jié)構(gòu)為人形，為適應(yīng)臂架頭部的寬度和變幅要求，人字架上部窄下部寬，由頭部橫梁、后拉桿、前撐桿、連梁、支座和銷軸等組成(見圖1)。前撐桿、后拉桿上下兩段和連梁為箱形結(jié)構(gòu)，后拉桿中段為多翼板箱形結(jié)構(gòu)。

1.頭部橫梁 2.后拉桿上段 3.后拉桿中段 4.后拉桿下段 5.后拉桿連梁 6.后拉桿支座 7.前撐桿支座 8.前撐桿 9.前撐桿連梁圖1 人字架整體結(jié)構(gòu)

3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

為便于人字架各部件高效拆裝和轉(zhuǎn)場運(yùn)輸，前撐桿、后拉桿及其連梁采用分段設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)之間全部采用銷軸連接。

3.1 前撐桿節(jié)點(diǎn)

前撐桿節(jié)點(diǎn)采用剛性連接拉壓接頭，由構(gòu)件、接頭、4個(gè)銷軸和2組連接件組成。構(gòu)件承拉時(shí)，依靠4個(gè)銷軸和2組連接件承拉，上下接頭的拉力通過4個(gè)銷軸傳遞給2組連接件，此時(shí)4個(gè)銷軸受剪(見圖2)。

圖2 前撐桿節(jié)點(diǎn) 圖3 前撐桿連接

上下接頭為相同構(gòu)造，接頭由4個(gè)翼板和2個(gè)腹板焊接而成。構(gòu)件承壓時(shí)，依靠上下接頭的接觸面承壓，接觸面由4個(gè)翼板和2個(gè)腹板提供。

單組連接件由2片拉板和4個(gè)連接環(huán)焊接而成，銷軸、連接件與單個(gè)接頭連接示意圖見圖3。

前撐桿上部和頭部橫梁采用剛接點(diǎn)設(shè)計(jì)，雙銷軸八剪切面連接(見圖4)。

圖4 前撐桿和頭部橫梁連接 圖5 后拉桿構(gòu)件

3.2 后拉桿節(jié)點(diǎn)

后拉桿中段采用多翼板拉桿結(jié)構(gòu)，承拉板數(shù)量多，每個(gè)單板薄，焊接變形更小，結(jié)構(gòu)緊湊，應(yīng)力傳遞更好。拉桿結(jié)構(gòu)為4個(gè)翼緣和2個(gè)腹板焊接而成，雙銷軸八剪切面剛性連接。

根據(jù)整體連接長度要求，選擇拉桿和銷軸的數(shù)量，各拉桿依次首尾相接。拉桿結(jié)構(gòu)見圖5，節(jié)點(diǎn)連接見圖6。

圖6 后拉桿連接 圖7 連梁節(jié)點(diǎn)

3.3 連梁節(jié)點(diǎn)

連梁設(shè)置在前撐桿或后拉桿的轉(zhuǎn)折處，以抵消該處的水平載荷，前撐桿為主要受壓構(gòu)件，為減小其弱軸方向的長細(xì)比，設(shè)置3處連梁；后拉桿設(shè)置2處連梁。連梁兩端采用雙銷軸與前撐桿或后拉桿連接(見圖7)。

3.4 鉸點(diǎn)設(shè)計(jì)

前撐桿與支座，后拉桿與支座，前撐桿與后拉桿的連接為鉸接結(jié)構(gòu)，采用單銷軸四剪切面設(shè)計(jì)，見圖8。

圖8 鉸點(diǎn)設(shè)計(jì)

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

人字架和臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，最大額定起重量對(duì)應(yīng)的最大幅度工況為最危險(xiǎn)工況，人字架和臂架協(xié)調(diào)受力，進(jìn)而對(duì)人字架的高度和上鉸點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化[1]。在滿足人字架和臂架的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求下，尋求人字架與臂架的重量之和最小。采用三角函數(shù)法求解結(jié)構(gòu)軸力，計(jì)算中通常將臂架和變幅系統(tǒng)的質(zhì)量折算到臂架頭部，作為總起升載荷的一部分[2]。人字架和臂架的受力簡圖見圖9，符號(hào)定義見表1。

表1 符號(hào)定義

表2 人字架和臂架結(jié)構(gòu)幾何關(guān)系

前撐桿為壓彎構(gòu)件(受壓為主)，后拉桿為拉彎構(gòu)件(受拉為主)，由于彎矩相對(duì)較小，前撐桿和后拉桿更接近軸心受力構(gòu)件；臂架為壓彎構(gòu)件，根據(jù)等穩(wěn)設(shè)計(jì)，使前撐桿、后拉桿和臂架的穩(wěn)定應(yīng)力接近各自的極限設(shè)計(jì)應(yīng)力。

5 自重和風(fēng)載荷的影響

除變幅系統(tǒng)傳遞給人字架的載荷以外，人字架還承受自重和風(fēng)載荷的作用，通過內(nèi)力圖分析兩類載荷對(duì)人字架各組成構(gòu)件的影響。

5.1 自重作用下的內(nèi)力

人字架在其自重作用下的內(nèi)力圖見圖10，經(jīng)計(jì)算可知，在后拉桿所在平面及前撐桿所在平面，其彎矩較小，可忽略；后拉桿和前撐桿底部軸力較大，但其應(yīng)力不大；在變幅平面，其彎矩較大，是重要內(nèi)力，不可忽略。

圖10 自重載荷作用下的內(nèi)力圖

5.2 變幅平面內(nèi)風(fēng)載荷作用下的內(nèi)力

變幅平面內(nèi)風(fēng)載荷作用下的內(nèi)力圖見圖11。風(fēng)向向前或向后，對(duì)前撐桿和后拉桿的內(nèi)力計(jì)算是有影響的，應(yīng)使風(fēng)載荷產(chǎn)生的作用與自重作用相互疊加，即校核前撐桿時(shí)風(fēng)向向后，校核后拉桿時(shí)風(fēng)向向前。

圖11 變幅平面內(nèi)風(fēng)載荷作用下的內(nèi)力圖(風(fēng)向?yàn)橄蚯?

5.3 整機(jī)側(cè)向風(fēng)載荷作用下的內(nèi)力

整機(jī)側(cè)向風(fēng)載荷作用下的內(nèi)力圖見圖12，后拉桿所在平面內(nèi)和前撐桿所在平面內(nèi)，其各自的下層連梁存在較大的彎矩和彎曲應(yīng)力。

圖12 整機(jī)側(cè)向風(fēng)載荷作用下的內(nèi)力圖(風(fēng)向?yàn)閭?cè)向)

綜上可知，人字架自重在變幅平面內(nèi)產(chǎn)生的彎矩較大，對(duì)前撐桿和后拉桿產(chǎn)生的應(yīng)力也較大。一般情況下，風(fēng)載荷對(duì)前撐桿和后拉桿的影響可忽略不計(jì)，但是前撐桿連梁和后拉桿連梁的橫截面較小，整機(jī)側(cè)向風(fēng)載荷對(duì)前撐桿連梁和后拉桿連梁有較大影響，不可忽略。

校核中應(yīng)注意計(jì)算位置、內(nèi)力方向和內(nèi)力疊加。軸力最大處在人字架下部，彎矩最大處在人字架中部和節(jié)點(diǎn)處。節(jié)點(diǎn)的約束情況會(huì)影響內(nèi)力(軸力、剪力和彎矩)，應(yīng)根據(jù)內(nèi)力變化設(shè)計(jì)截面。危險(xiǎn)截面一般發(fā)生在前撐桿和后拉桿中部，其中自重產(chǎn)生的彎曲強(qiáng)度應(yīng)力為20～40 MPa。

6 結(jié)語

介紹千噸級(jí)桅桿起重機(jī)人字架的結(jié)構(gòu)形式，闡述后拉桿和前撐桿的受力特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)拆分情況，闡述后拉桿和前撐桿的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，給出其連接接頭的不同構(gòu)造類型，并根據(jù)其承載受力情況提出優(yōu)化方法，為此類人字架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。