钢梁省材设计研究

2014-12-25 04:26
中国新技术新产品 2014年2期
关键词:翼缘板惯性矩节省

(北京南车时代机车车辆机械厂验收室,北京 102249)

钢梁省材设计研究

张振祥

(北京南车时代机车车辆机械厂验收室,北京 102249)

钢梁上翼缘板受压,下翼缘板受拉,减薄或者去掉下翼缘板,在减薄的下翼缘板处增加高强钢筋或钢丝绳,就能补足或超出原下翼缘板所能承受的拉应力。因为高强钢筋或钢丝绳的抗拉强度比普通钢板高很多,这种方法,能够节省一部分钢材。

钢梁;等强设计;节省材料

1 钢梁的种类。

钢梁从结构形式上可分成型工字钢梁、焊接工字钢梁、T型钢梁,焊接双腹钢梁、花梁、异型钢梁。

2 箱形钢梁结构。

箱形钢梁,也称为焊接双腹钢梁,典型的结构是:上翼缘板,下翼缘板,腹板,大筋板,小筋板。上翼缘板承受钢梁自身重量及载荷所产生的压应力。腹板和隔板保持整体刚度并承受剪力,腹板接近上翼缘板处辅助承担部分压应力,腹板接近下翼缘板处辅助承担部分拉应力。下翼缘板,承受钢梁自身重量及载荷所产生的拉应力。

3 钢梁节省材料结构设计。

对于箱形钢梁,上翼缘板,腹板,大、小隔板都按原设计制作组装。对于下

翼缘板,在等强原则下应有几种方法。①保留但要减薄下翼缘板。在大隔板下面,并以大隔板为中心对称布置宽200毫米厚度同上翼缘板的加强版,加强版下的耳板固定钢丝绳并将力传递到钢丝绳。②不在保留下翼缘板,在大隔板下面与两腹板组焊一块宽200毫米厚度同上翼缘板的加强板。其作用为保持箱梁的刚度,并在该板下加装固定钢丝绳的耳板。钢丝绳在梁中心线两侧对称布置;编花设置对钢梁整体的刚度应该更好。

4 钢梁的上拱度。

正常情况下钢梁在自重作用下会产生一定的下挠度,此时上翼缘板受压

下翼缘板受拉。增加钢丝绳的钢梁,可以人为地改变钢梁挠度方向,利用钢丝绳抗拉强度高的特点,在制作阶段将钢梁制出反拱,使钢梁上翼缘板受拉下翼缘板受压。钢梁在受载使用阶段,上翼缘板会从一定的拉应力状态逐步变为受力为零,在从零起步逐步承受一定的压应力。对应于上翼缘板受力的变化,下翼缘板始终承受拉应力,而钢丝绳的特点是抗拉能力强。从而节省材料或提高钢梁承载能力。对于需要产生上供的量,应视具体情况具体确定。由于笔者不是专业设计人员,恕不能给出确切的数值。

钢丝绳梁端固定。简单的受力不是很大的钢梁,钢丝绳可以直接固定在下翼缘板。当钢梁受力较大,且梁端剪力较大时,应将钢丝绳在梁端以45-60度角拉起,将钢丝绳固定在上翼缘板。

5 钢梁节省材料的原理

节省材料并提高钢梁承载能力来源于四部分。①理论上讲,普通钢梁中心线以上受压、以下受拉。如上所述减薄或去掉下翼缘板,则下翼缘板不再承担由自重及载荷所产生的拉应力,拉应力完全由钢丝绳来承担,减薄或者去掉了下翼缘板,相对于增加的钢丝绳来说显而易见的就节省了钢材。②被去掉的下翼缘板,其重量远大于钢丝绳的重量,从而减轻了自重,在承载力不变时,可以减薄上翼缘板和腹板的用材量。③正常钢梁,上翼缘受压下翼缘受拉,而去掉下翼缘板并增加钢丝绳的钢梁,其上翼缘与腹板应该都是受压构件,其截面惯性矩及抗弯模量要远远大于没有去掉下翼缘板的钢梁。在承载力不变时,可以减薄上翼缘板和腹板的用材量。④钢丝绳抗拉强度远远大于普通钢板,利用这一特点,在钢梁组焊结束加装钢丝绳时,使用工装将钢丝绳拉紧、受力。最终钢梁会出现上拱,确定并达到一定的上拱量时,将钢丝绳固定在钢梁上。这时的钢梁上翼缘板受拉,靠近钢丝绳的下边缘受压。其受力状况与正常钢梁相反。逐步加载,加载初期,钢梁上翼缘板所受拉应力逐步减少,逐渐趋近于零,之后上翼缘板由受拉应力进而变成受压应力。钢梁上翼缘板从受拉应力到受力为零时,已经承担了一定的载荷。当外载荷或承载力不变时,可以减薄上翼缘。

6 理论设计

钢梁上、下翼缘板20毫米厚500毫米宽,两腹板厚14毫米,梁高800毫米,梁长L米,梁中部集中载荷P。正常梁截面惯性矩轴与梁型心轴重合,其截面惯性矩J=(500*20^3/12+500*20*390^2)*2+2*14*380^3/12=3.107*10^9MM^4; 当去掉下翼缘板增加钢丝绳后,梁截面惯性矩轴在梁的最下边缘,此时,上翼缘板面积A上=500*20=10000M^2,型 心Y上 =20/2+760+20=790MM, 腹板 面 积 A复 =14*760*2=21280M^2,腹 板 型 心Y复=760/2+20=400MM,异形梁截面型心纵坐标Y异=(10000*790+21280*400)/(10000+21280)=524.68MM,上翼缘板截面惯性矩为J上 =(500*20^3/12+500*20*790^2)=6.24*10^9MM^4 。J复 =14*760^3/12*2+ 14*760*2*524.68^2=6.88*10^9MM^4。 异形梁的截面惯性矩J异=6.24*10^9MM ^4+6.88*10^9MM^4=13.12*10^9MM^4。13.12*10^9MM^4/3.107*10^9MM^4=4.22倍。由此可见增加了钢丝绳的异型钢梁,其承载能力有了很大提高。

正常钢梁σ正=PL400/2/3.1*10^9。异型钢梁σ异=PL790/2/13.1210^9。σ 异 /σ 正 =PL790/2/13.1210^9/ PL400/2/3.1*10^9=0.47。就是说增加了钢丝绳钢梁,在相同载荷作用下,材料所受应力只是正常钢梁所受应力的0.47倍。相当于承载能力提高2.14倍。考虑到钢梁施加反拱,还可以提高承载能力。

7 其他用途

处于动载状态下的箱形钢梁,如桥式起重机,大型龙门式起重机、花梁门吊等起重设备,长期使用上拱消失,并产生下挠度影响使用。修复下挠度的方法有多种:①火炎校正修复上拱度;②再次电焊增加角焊缝强度;③在下翼缘板处焊接补强板等;④本文的所述也是较好选项之一。

[1]结构设计[Z].

TU37 < class="emphasis_bold"> 文献标识码:A

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