一种提高钢吊车梁梁端变截面范围疲劳寿命的设计方法与流程

本发明属于钢结构疲劳，具体地说，是一种提高钢吊车梁梁端变截面范围疲劳寿命的设计方法。

背景技术：

1、吊车梁在厂房柱肩梁支座处采用变截面的做法在厂房设计中比较普遍。主要原因是工艺设备布置的需要，同一柱列采用不同的柱距，造成了吊车梁跨度、截面高度的无法统一，为了保持厂房柱肩梁高度的一致和减少上柱的长度，对于跨度大、截面高度相对较高的吊车梁在柱肩梁支座处采用减少截面高度的做法，称之为梁端变截面。

2、钢吊车梁梁端变截面的方式主要有三种：锲形渐变式，如图1所示。圆弧突变式，如图2所示。直角插板突变式，如图3所示。图1为已知的锲形渐变式吊车梁结构示意图，图2为已知的圆弧突变式吊车梁结构示意图，图3为已知的直角插板突变式吊车梁结构示意图。

3、圆弧突变式是上世纪八十年代日方设计的国内项目中采用的做法，在重级超重级工作制吊车梁在未达到设计寿命时有发生圆弧处开裂，已较少采用；目前钢吊车梁支座处的变截面方式以采用锲形渐变式和直角插板突变式为主。

4、吊车梁的端部与跨中相比，其弯矩虽不是最大，但剪力比较大，再加上梁端变截面处有效截面的缩小突变和板件构造造成的焊缝多、焊缝缺陷等因素易导致吊车梁梁端变截面范围最先产生疲劳裂纹而达不到预期工作寿命，尤其在重级超重级工作制吊车梁中。

5、吊车梁梁端变截面处的应力幅计算通常是采用材料力学方法计算名义应力再乘以应集中系数的方法[4]，应力集中系数根据试验和有限元方法计算对比确定，锲形渐变式应力集中系数为1.31-1.8；圆弧式应力集中系数为1.14-1.76；直角插板突变式应力集中系数为1.5～7.0。集中系数离散性较大，也不能准确反映计算结果与实际应力状态之间的偏差，即使是正常设计和正常施工的吊车梁，在梁端变截面范围最先出现疲劳开裂的工程实例仍屡见不鲜。《钢结构设计标准》gb50017-2017[2]规定对工作制为a6～a8、起重量≥1000kn的吊车梁不宜采用变截面支座，由此限制了变截面吊车梁使用范围。

6、对于新建工程项目，起重量＜1000kn的吊车梁仍可以选择梁端变截面；对改造项目而言，原厂房柱肩梁标高往往已无法改变，更换后的吊车梁仍需采用梁端变截面，因此对吊车梁梁端变截面疲劳寿命的探索仍然具有实际应用价值。

7、自上世纪八十年代以来，国内相关单位也对梁端采用不同变截面方式的疲劳性能进行了许多的研究。根据郑廷银和卢铁鹰的研究，采用有限元方法进行了共计6组不同梁端变截面方式进行了计算，分别从应力集中系数、应力集中宽度以及裂纹驱动能三个方面进行了对比分析，主要结论如下：

8、疲劳裂纹敏感区：锲形渐变式位于斜翼缘上弯折点及其附近区域；圆弧突变式位于这圆弧翼缘及其附近腹板区域；直角插板突变式位于端封板与插入板的焊缝位置及其附近腹板区域。

9、疲劳裂纹首发点：锲形渐变式为斜翼缘上弯折点翼缘与腹板的焊缝位置；圆弧突变式为圆弧起始点翼缘与腹板的连接焊缝位置；直角插板突变式为支座下翼缘与插入板交界处的腹板焊缝位置或插入板与端封板的焊缝位置。

10、各支座的开裂寿命按锲形渐变式、圆弧突变式、直角插板突变式次序递减，即锲形渐变式长，圆弧突变式次之、直角插板突变式较短。

11、各支座的裂纹扩展驱动能按锲形渐变式、直角插板突变式、圆弧突变式次序递增，即抗疲劳性能按该次序递减，锲形渐变式疲劳性能最好，直角插板突变式次之，圆弧突变式较差。

12、通过对已有三种变截面方式的应力集中、疲劳性能的研究分析得知，锲形渐变式应力集中最小，在疲劳开裂之前的疲劳寿命相对也较长，但由于斜翼缘板的弯折点存在应力集中、且需要焊缝拼接。

13、因此，现有技术中，对于如何完成在锲形渐变式基础上对斜翼缘上弯折点拼接焊缝及其附近区域的疲劳寿命的薄弱部位作出改进成了本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的，在于提出一种安全可靠的提高钢吊车梁梁端变截面范围疲劳寿命的设计方法。

2、为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

3、一种提高钢吊车梁梁端变截面范围疲劳寿命的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

4、a、钢吊车梁梁端变截面长度范围的下翼缘板采用由支座下翼缘板、梁端变截面长度范围弧形板、跨中下翼缘板组成，支座下翼缘板和跨中支座下翼缘板在几何上与弧形板采用平接；梁端变截面范围内的腹板随下翼缘板的形状而变化；

5、b、梁端变截面长度范围的下翼缘板采用整板，整个梁端变截面范围内的下翼缘板通过辊压弯曲制成，不设拼接焊缝；

6、c、梁端变截面长度范围的下翼缘板的弧形半径根据板厚通过计算确定；

7、d、改进后的吊车梁梁端部变截面方式设为弧形渐变式。

8、本发明的提高钢吊车梁梁端变截面范围疲劳寿命的设计方法还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

9、前述的方法，其中所述梁端变截面长度范围为所述支座至跨中下翼缘板，支座与跨中下翼缘板的中点设有反弯点。

10、前述的方法，其中所述反弯点两侧的两个弧形板的弧形方向相反、弧长相等。

11、前述的方法，其中所述计算公式：

12、

13、

14、

15、

16、要求：l1-l0≤ε×l0(5)

17、式中ε为钢材弹性阶段范围的应变值，取ε≤0.002；

18、即由此可得到：

19、

20、根据《钢结构设计标准》，当吊车梁端部采用变截面时，要求：

21、故可取

22、当r和h3已知时，通过(1)式可得：

23、

24、

25、(b)变截面范围内截面上各点名义应力计算，材料力学方法:

26、变截面范围内截面上某点弯曲正应力幅：

27、

28、截面上某点剪应力幅：

29、

30、变截面范围内截面上某点主应力幅：

31、

32、变截面范围内截面上某点等效应力幅：

33、

34、其中：r为圆弧段的弧半径、q为弧长度的夹角、l0为板厚中线弧长，l1为板厚上表面弧长，l2为板厚下表面弧长，l3为变截面范围，h为吊车梁高度，h1为吊车梁端高度，h2为圆弧段总高度，h3为圆弧高度,t为板厚度。

35、采用上述技术方案后，本发明的提高钢吊车梁梁端变截面范围疲劳寿命的设计方法具有以下优点：

36、1、采用弧形渐变式后，吊车梁截面从支座处截面高度h1到跨中处的吊车梁梁高h实现了弧形过渡，最大程度地减少了应力集中；下翼缘板和腹板形状在整个变截面范围也无突变转折，避免了缺口应力集中效应。

37、2、采用弧形渐变式后，变截面范围内吊车梁下翼板没有焊缝拼接，变截面范围内吊车梁下翼板疲劳强度可按疲劳验算连接类别z1类验算，而锲形渐变式和直角插板突变式的下翼缘都有拼接焊缝需按z2类验算。根据《钢结构设计标准》(gb50017-17)16.2.1-1表，在2x106循环次数下，连接类别z1容许应力幅为176mpa，连接类别z2容许应力幅为144mpa；在5x106循环次数下，连接类别z1容许应力幅为140mpa，连接类别z2容许应力幅为115mpa。故在相同的吊车梁荷载和截面尺寸条件下，弧形渐变式相比于锲形渐变式和直角插板突变式具有更好的抗疲劳性能。

38、3、吊车梁梁端采用弧形渐变式，变截面范围截面上各点应力仍可采用材料力学公式计算。在求得所在截面各点的弯曲正应力和剪应力后，通过应力变换确定等效应力幅(也就是名义应力)，用该等效应力幅与相应循环次数的疲劳容许应力幅比较，小于容许疲劳应力幅时疲劳满足要求。以实际工程为例，用半跨吊车梁模型分别用有限元方法和材料力学方法计算相同截面相同点的等效应力幅。从对比结果表明：材料力学方法与有限元分析方法计算结果两者偏差最大不超过16％，多数偏差在10％以下，说明弧形渐变式变截面可以用材料力学方法进行计算等效应力，并具有较高准确性。实际设计时可以按材料力学公式计算等效应力幅，然后乘以不超过1.2的系数作为对材料力学方法偏差的修正，这样处理得到的等效应力幅与容许疲劳应力幅比较是偏于安全的。