Дусье В. Е. , Наварский Ю. В., Жегульский В. П. 1 глава

В. Е. Дусье

Ю. В. Наварский

В. П. Жегульский

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ МОСТОВЫХ КРАНОВ

 

Учебное пособие

 

Научный редактор – проф., д-р техн. наук Г. Г. Кожушко

 

Екатеринбург

УГТУ—УПИ

 

УДК 621.874(075.8) Рецензенты:

ББК 39.9-02я73 кафедра горных машин и комплексов

Д84 Уральского государственного горного

университета (зав. кафедрой —

проф., д-р техн. наук Н. М. Суслов);

проф., д-р техн. наук В. В. Каржавин

 

Дусье В. Е., Наварский Ю. В., Жегульский В. П.

 

Д84 Расчет и проектирование металлических конструкций мостовых кранов: учебное пособие / В. Е. Дусье, Ю. В. Наварский, В. П. Жегульский. Екатеринбург: УГТУ—УПИ, 2007. 133 с.

 

ISBN 978-5-321-01095-2

 

Пособие содержит материалы по расчету и проектированию металлических конструкций коробчатого сечения мостовых кранов.

Рассмотрены вопросы расчета и конструирования сварных соединений как балок моста, так и соединений пролетных балок с концевыми.

Дана методика выполнения курсовой работы по дисциплине «Строительная механика и металлические конструкции ПТМ». Приведен числовой пример.

Работа предназначена для студентов всех форм обучения специальности 190205 – Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование

 

Библиогр.: 21 назв. Табл. 27. Рис.58

 

УДК 621.874(075.8)

ББК 39.9-02я73

 

 

ISBN 978-5-321-01095-2 © Уральский государственный
технический университет – УПИ, 2007

© В. Е. Дусье, Ю. В. Наварский, В. П. Жегульский, 2007

 

Оглавление

Введение. 5

1. Конструкционные материалы.. 6

1.1. Требования к материалам.. 6

1.2. Выбор марки стали. 6

1.3. Сварочные материалы.. 12

2. Методы расчета. 15

3. Расчетные случаи нагружения. Нормативные и расчетные нагрузки, их комбинации. 17

3.1. Нормативные и расчетные нагрузки. 17

3.2. Комбинации нагрузок. 17

4. Величины нагрузок и расчетные схемы их приложения. 19

4.1. Величины вертикальных нагрузок. 19

4.2. Расчетные схемы приложения вертикальных нагрузок. 24

4.3. Величины горизонтальных нагрузок и расчетные схемы их приложения. 27

5. Расчет размеров поперечного сечения пролетных балок с подтележечным рельсом по оси пояса. 32

6. Расчет размеров поперечного сечения пролетной балки с рельсом над стенкой. 40

6.1. Общие положения. 40

6.2. Расчет размеров поперечного сечения. 42

6.3. Нагрузки от эксцентриситета. 43

6.4. Прочность и устойчивость стенок. 45

6.5. Расчет основной поперечной диафрагмы – рамы.. 49

6.6. Продольные ребра жесткости. 49

7. Компоновочные схемы мостов. 50

7.1. Общие принципы компоновки. 50

7.2. Четырехколесные краны грузоподъемностью 5…50 т. 55

7.3. Краны грузоподъемностью 80…320 т. 61

7.4. Строительный подъем пролетных балок. 66

8. Рамещение ребер жесткости. 68

8.1. Общие принципы.. 68

8.2. Обеспечение прочности подтележечного рельса. 69

8.3. Проверка прочности верхнего пояса. 70

9. Сварные соединения элементов металлических конструкций 79

9.1. Общие положения. 79

9.2. Стыковые соединения. 80

9.3. Соединения с угловыми швами. 81

10. Пример расчетов металлических конструкций. 90

10.1. Исходные данные. 90

10.2. Выбор материала конструкции. 91

10.3. Расчетные нагрузки. 91

10.4. Наибольший изгибающий момент от вертикальных нагрузок 93

10.5. Определение оптимальных размеров поперечного сечения пролетной балки. 95

10.6. Компоновочная схема моста. 99

10.7. Размещение ребер жесткости. 103

10.8. Строительный подъем пролетных балок. 108

10.9. Прочность пролетной балки при ее общем изгибе в двух плоскостях. 109

10.10. Сварной шов, соединяющий накладку с концевой балкой 112

10.11. Сварной шов, соединяющий пояс со стенкой. 112

11. Организация выполнения курсовой работы. Требования по объему и оформлению.. 113

11.1. Компоновочная схема. 116

11.2. Сборочные чертежи металлоконструкций. 119

11.3. Содержание и оформление текстовых документов. 129

Библиографический список. 133

Введение

Грузоподъемные машины – высокоэффективное средство комплексной механизации и автоматизации подъемно-транспортных, погрузочно-разгрузочных и складских (ПРТС) работ.

Применение таких машин уменьшает объем использования тяжелых ручных операций и способствует резкому повышению производительности труда.

Работоспособность, надежность и безопасность эксплуатации грузоподъемных кранов во многом зависят от качества исполнения их несущих металлоконструкций. В связи с этим к крановым металлоконструкциям предъявляются определенные требования: прочность, общая и местная устойчивость их элементов, статическая и динамическая жесткость, выносливость и вместе с тем минимально возможная масса, высокая технологичность изготовления, ограниченные габариты и др. Выполнение этих требований должно обеспечиваться на стадии проектирования.

Пособие составлено с учетом существенных изменений, произошедших за последние годы в нормативно-технической литературе, посвященной вопросам расчета и проектирования грузоподъемных кранов. В работу включены также материалы научных разработок последнего времени, не отраженные в ранее выпущенных изданиях. Указанное позволит студентам, обучающимся на специальности «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование», ознакомиться с уточненными методами расчета и проектирования металлических конструкций мостовых кранов и в процессе выполнения курсовой работы по дисциплине «Строительная механика и металлические конструкции» приобрести практические навыки расчетно-проектных работ, связанных с металлическими конструкциями грузоподъемных кранов.

 

1. Конструкционные материалы

1.1. Требования к материалам

По требованиям «Правил устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов» [3] при проектировании металлоконструкций кранов и их элементов материалы должны применятся в соответствии с государственными стандартами и другими нормативными документами. Выбор материалов при проектировании металлоконструкции должен производится с учетом нижних предельных температур окружающей среды для рабочего и нерабочего состояния крана, степени нагруженности элементов, агрессивности окружающей среды и свариваемости.

Марки сталей для металлоконструкций мостовых грузоподъемных кранов регламентированы РД 24.090.52-90. Машины подъемно-транспортные. Материалы для сварных металлических конструкций.

1.2. Выбор марки стали

Применяемые стали подразделяются на две группы: стали углеродистые обыкновенного качества и стали повышенной прочности. Эксплутационные характеристики сталей зависят от их химического состава, вида и толщины проката.

Сталь обыкновенного качества поставляется с химическим составом по ГОСТ 380—94. Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки. Для изготовления несущих металлоконструкций используются преимущественно стали спокойной плавки Ст.3сп5 и Ст.3Гсп5. Механические характеристики проката в зависимости от его вида и толщины регламентируются:

- ГОСТ 535—88. Прокат сортовой и фасонный из стали углеродистой обыкновенного качества. Общие технические условия.

- ГОСТ 14637—89. Прокат толстолистовой из углеродистой стали обыкновенного качества. Технические условия.

Стали повышенной прочности (низколегированные) по химическому составу и механическим характеристикам поставляются по ГОСТ 19281—89. Прокат из стали повышенной прочности. Общие технические условия.

Наиболее применяемыми являются стали марки 09Г2‑12; 09Г2С-12; 15XСНД-12; 10ХСНД-12.

Применяются в основном следующие виды проката:

- ГОСТ 82—70^*. Прокат стальной горячекатаный широкополосный универсальный. Толщина проката от 6 до 60 мм при ширине от 200 до 1050 мм.

- ГОСТ 1903—74^*. Прокат листовой горячекатаный. Сортамент. Толщина листов от 0,4 мм до 160 мм, ширина от 500 мм до 3800 мм, длина листа до 9000 мм.

- ГОСТ 8239—89. Двутавры стальные горячекатаные. Сортамент.

- ГОСТ 8240—89. Швеллеры стальные горячекатаные. Сортамент.

- ГОСТ 8278—83^*. Швеллеры стальные гнутые равнополочные. Сортамент.

- ГОСТ 8509—93. Уголки стальные горячекатаные равнополочные. Сортамент.

- ГОСТ 8510—86^*. Уголки стальные горячекатаные неравнополочные. Сортамент.

Области применения некоторых наиболее используемых марок сталей в зависимости от вида и толщины проката и минимальной температуры эксплуатации приведены в табл. 1.1.

Для кранов, эксплуатируемых при температуре не ниже минус 20°С, применение низколегированных сталей может оказаться целесообразным для изготовления металлоконструкций кранов большой грузоподъемности и больших пролетов, так как в этих случаях может быть достигнуто снижение веса крана. В металлоконструкциях этих типов допускается сочетание низколегированных и малоуглеродистых сталей. При оценке целесообразности замены малоуглеродистой стали сталью низколегированной следует иметь в виду, что стоимость сталей 09Г2 и 09Г2С выше стоимости стали Ст3сп5 примерно на 10%, а сталей 15ХСНД и 10ХСНД соответственно на 15 и 25%.

Таблица 1.1 Области применения проката из наиболее распространённых марок конструкционных сталей
Марка стали	ГОСТ на химический состав	ГОСТ на технические условия	Вид* и толщина, мм, проката при температуре эксплуатации, °С, не ниже
—20° С	—40° С
Ст.3сп4 Ст.3сп5	380—94	535—88	Ф до 25	Ф до 10
14637—89	Л до 25	Л до 10
Ст.3сп6	380—94	14637—89		Л до 40
Ст.3Гсп5	380—94	535—88 14637—89		Л, Ф от 11 до 30
Ст.3Гсп6	380—94	14637—89		Л от 11 до 30
09Г2-12	19281—89			Л до 32
Ф до20
09Г2С-12			Л до 60; Ф до 25
15ХСНД-12			Л до 32; Ф до 20
10ХСНД-12			Л до 40; Ф до 15
* Обозначения: Ф — фасонный прокат (горячекатаные уголки, швеллеры, двутавры), Л — листовой прокат.

Низколегированные стали более чувствительны к концентрации напряжений и, следовательно, при разработке конструкций и технологии изготовления должны быть предусмотрены специальные меры понижения концентрации напряжений, особенно для кранов режимных групп А6…А8 (ИСО 4301/1. Краны грузоподъемные. Классификация), для которых лимитирующим фактором может явиться усталость металла.

Нецелесообразно использование низколегированных сталей в тех случаях, когда лимитирующим фактором является жесткость конструкции, так как модули упругости всех сталей практически одинаковы, и, следовательно, одинаковыми в этом случае будут и поперечные сечения несущих элементов.

В зависимости от механических характеристик, гарантированных Государственными стандартами, стали можно подразделять по классам и группам прочности.

Класс прочности обозначается величиной предела текучести s_Т в МПа, группа прочности – величиной временного сопротивления разрыву s_В, МПа. Стандартные значения s_Т и s_В принимаются как нормативные сопротивления. Расчетные сопротивления принимаются с учетом возможной неравномерности свойств сталей и вида напряженного состояния. Нормативные и расчетные сопротивления листового и фасонного проката приведены в табл. 1.2, формулы для определения расчетного сопротивления — в табл. 1.3.

Вспомогательные (нерасчетные) элементы металлоконструкций (лестницы, перила, настилы и т. д.) можно изготовлять из сталей марок Ст3пс2, Ст3пс5 по ГОСТ 380—94 с толщиной проката до 30 мм при температуре эксплуатации не ниже —20°С; с толщиной до 10 и 20 мм соответственно при температуре не ниже —40°С и с толщиной до 5 и 10 мм соответственно при температуре не ниже —65°С.

При расчетах следует принимать следующие физические характеристики стали:

- модуль упругости Е =2,06·10⁵, МПа;

- модуль сдвига G =0,78·10⁵, МПа;

- коэффициент поперечной деформации (Пуассона) ;

- коэффициент линейного расширения α=0,12·10^-4, ° С ^-1.

Нормативные и расчетные сопротивления некоторых марок
Марка стали	ГОСТ на прокат	Толщина проката, мм	Нормативные
Листового
R УП	R ИП
Ст. 3 сп	535—88 14637—89	до 10 вкл.
св. 10 до 20 вкл.
св. 20 до 25 вкл.
Ст. 3 Г сп	14637—89	до 20 вкл.
св. 20 до 40 вкл.
09Г2	19281—89	до 20 вкл.
св. 20 до 32 вкл.
09Г2С	19281—89	до 10 вкл.
св. 10 до 20 вкл.
св. 20 до 32 вкл.
15ХСНД	19281—89	до 10 вкл.
до 32 вкл.
10ХСНД	19281—89	до 40 вкл. (лист) до 15 вкл. (фасон)

 

Таблица 1.2 для листового и фасонного проката сталей [4, 5]
сопротивления, МПа	Расчетные сопротивления, МПа
Фасонного	Листового	Фасонного
R УП	R ИП	R У	R И	R У	R И
-	-			-	-
-	-			-	-

 

Таблица 1.3 Формулы для определения расчетного сопротивления проката [4]
Напряженное состояние и его условное обозначение	Формула
Растяжение, сжатие, изгиб	По пределу текучести	Ry	Ry = Ry П/γ m
По временному сопротивлению	R И	R И= R ИП/γ m
Сдвиг (срез)	RS	RS =0,58 Ry П/γ m
Растяжение в направлении толщины проката (до 60 мм)	Rth	Rth =0,5 R ИП/γ m
Смятие местное в цилиндрических шарнирах (цапфах) при плотном касании	Rlp	Rlp =0,5 R ИП/γ m
Примечания. 1. За нормативное сопротивление Rу П и R ИП принимают соответственно значения предела текучести σТ и временного сопротивления σВ по соответствующим стандартам и техническим условиям на марки материала и вид проката. 2. γ m — коэффициент надежности по материалу; для сталей с пределом текучести до 380 МПа γ m =1,05; при σТ>380 МПа γ m =1,1.

1.3. Сварочные материалы

Сварочные материалы, применяемые для сварки несущих конструкций грузоподъемных кранов, должны обеспечивать механические свойства металла шва и сварного соединения не ниже нижнего предела механических свойств основного металла, установленного для данной марки стали Государственным стандартом или техническими условиями.

При выборе материалов необходимо, чтобы временное сопротивление наплавленного металла обеспечивалось в пределах 110—125% от сопротивления свариваемых сталей. Типы сварных швов должны соответствовать действующим стандартам.

Рекомендуемые сварочные материалы приведены в табл. 1.4.

Таблица 1.4 Сварочные материалы [5]
Стали для сварки несущих конструкций	Электроды	Марка флюса	Марка сварочной проволоки для сварки
Тип	Марка	под флюсом	в среде углекислого газа
Расчетная температура до —20°С
Углеродистые	Э42А Э46А Э42 Э42	УОНИ 13/45 УОНИ 13/45 ОЗС-4 АНО-4	АНЦ-1 АН-348А ОСЦ-45 —	СВ-08ГА СВ-08ГА СВ-08ГА —	СВ-08Г2С СВ-09Г2СЦ ПП-АН8 ПП-АН3
Расчетная температура до —40°С
Низколегированные	Э50А Э50А Э50А	УОНИ-13/75 АНО-10 АНО-30	АН-47 АН-47 АН-60	СВ-08ГА СВ-10Г2 СВ-10Г2	СВ-08Г2С СВ-09Г2СЦ ПП-АН4

Расчетные сопротивления сварных соединений в зависимости от вида соединения и напряженного состояния следует определять по формулам, приведенным в табл.1.5. Для стыковых соединений указаны формулы при автоматической или ручной сварке с физическим контролем качества.

Значения R_{W ИП} для швов, выполненных ручной сваркой, принимают по табл. 1.6, автоматической или полуавтоматической — по табл. 1.7.

Таблица 1.5 Формулы для определения расчетных сопротивлений сварных соединений [4]
Сварные соеди-нения	Напряженное состояние	Условные обозначения	Расчетное сопротивление сварных соединений
Стыковые	Сжатие, растяжение, изгиб	по пределу текучести	RW У	RW У= R У*
по временному сопротивлению	RW У	RW И= R И*
Сдвиг	RWS	RWS = RS
С угло-выми швами	Срез (условный) по металлу	шва	RWf	RWf =0,55 RW ИП/g W Т**
границы сплавления	RWZ	RWZ =0,45 R ИП
* При условии полного провара соединяемых элементов; ** значение коэффициента надежности по материалу g W Т следует принимать равным 1,25 при значении нормативного сопротивления металла шва RW ИП не более 490 МПа; 1,35 – при значениях RW ИП=590 МПа и более.

 

Таблица 1.6 Нормативные и расчетные сопротивления металла угловых швов сварных соединений, выполненных ручной сваркой [4]
Сварочные материалы	RW ИП, МПа	RWf, МПа
Тип электрода (ГОСТ 9467—75)	Марка проволоки
Э42, Э42А Э46, Э46А Э50, Э50А	Св‑08, Св‑08А, Св‑08ГА Св‑10ГА, Св‑08Г2С Св‑08Г2СЦ, ПП‑АН8, ПП‑АН3

 

Таблица 1.7 Нормативные сопротивления металла швов, выполненных автоматической или полуавтоматической сваркой [4]
Марка проволоки (ГОСТ 2246—70) для автоматической и полуавтоматической сварки	Марка порошковой проволоки (ГОСТ 2671—84)	Значения нормативного сопротивления металла шва RW ИП, МПа
Под флюсом (ГОСТ 9087—81)	В углекислом газе (ГОСТ 8050—85)
Св-08, Св-08А Св-08ГА Св-10ГА Св-10НМА Св-10Г2	- Св-08Г2С Св-08Г2СЦ Св-08Г2С Св-08Г2СЦ	- - ПП-АН8 ПП-АН3 -	590* -
* При сварке проволокой Св-08Г2С и Св-08Г2СЦ значение RW ИП=590 МПа следует принимать только для угловых швов с катетом Kf <8 мм в конструкциях из стали с пределом текучести 440 МПа и более.

2. Методы расчета

В соответствии с ГОСТ 28609—90 [7] расчеты металлоконструкций грузоподъемных кранов должны проводиться по методу предельных состояний.

ПЕРВОЕ предельное состояние — потеря несущей способности по условиям:

- разрушения (хрупкого, вязкого, усталостного) элемента или соединения конструкции;

- достижения состояния, при котором дальнейшее увеличение нагрузок приведет к переходу конструкции или ее элемента в изменяемую систему (например, вследствие потери устойчивости формы или достижения напряжениями в отдельных зонах сечения предела текучести.)

Основная расчетная зависимость при проверочных расчетах:

, (2.1)

при проектных расчетах

, (2.2)

где P _{Н i} — нормативные значения внешних нагрузок для принятого расчетного случая; α _i — усилие (момент) в рассчитываемом элементе (сечении) при P_i =1; g _fi — коэффициенты надежности по нагрузке (коэффициенты перегрузки), учитывающие возможность отклонения действительной величины нагрузки от ее нормативного значения; Ф — геометрический фактор, зависящий от вида деформации элемента (площадь поперечного сечения, момент сопротивления и др.); R — расчетное сопротивление материала при данном виде деформации (табл. 1.2);
g _d — коэффициент неполноты расчета, учитывающий: степень ответственности рассчитываемого элемента, зависящую от возможных последствий его разрушения; отклонение фактических геометрических размеров конструкции от проектных; качество изготовления конструкций; несовершенства расчета, связанные с неточностью расчетных схем, неполнотой методов расчета и др.

ВТОРОЕ предельное состояние – потеря несущей способности по условиям:

- возникновения деформаций, препятствующих нормальной эксплуатации крана при сохранении несущей способности по условиям первого предельного состояния;

- возникновения длительных незатухающих колебаний, препятствующих достижению необходимой точности работы (для монтажных кранов) и оказывающих неблагоприятные воздействия на машиниста крана.

Расчетные зависимости второго предельного состояния:

; (2.3)

, (2.4)

где — расчетная комбинация нормативных нагрузок (g _f =1,0); С — коэффициент жесткости конструкции;
t _З — фактическое (расчетное) время затухания колебаний конструкции после подъема груза; f _ПРЕД и t _ПРЕД — предельные величины упругого прогиба и времени затухания колебаний.

3. Расчетные случаи нагружения.
Нормативные и расчетные нагрузки,
их комбинации

3.1. Нормативные и расчетные нагрузки

Нормативные величины нагрузок принимаются на основании технического задания. В случае неполноты исходных данных нагрузки принимаются на основании спецификаций по аналогии с существующими конструкциями или на основании литературных данных.

Расчетные величины нагрузок назначаются с учетом возможного отклонения (как правило, в сторону увеличения) фактических величин от нормативных значений, т. е.

P_i = P _{Н i} g _fi, (3.1)

где P_i — расчетная величина нагрузки; P _{Н i} — нормативная величина нагрузки; g _fi — коэффициент надежности по нагрузке (коэффициент перегрузки).

3.2. Комбинации нагрузок

Комбинации нормативных и расчетных нагрузок, рекомендуемые ВНИИПТМАШ [6, 8], приведены в табл. 3.1.

Обозначения в табл. 3.1 следующие.

 

I, II, III – расчетные случаи нагружения.

I – расчет на действие нормальных эксплуатационных нагрузок: работа с эквивалентными грузами (как правило – меньше номинальной грузоподъемности и с учетом распределения масс грузов по количеству циклов). Данная комбинация используется при расчетах на выносливость;

II – расчет на действие максимальных рабочих нагрузок. Комбинация рассматривается при проектных и проверочных расчетах на прочность и устойчивость;

III — расчет на действие нерабочих нагрузок (ураганного ветра, аварийных нагрузок и др.). Учет ветрового давления производится при пролете крана свыше 32 м.

 

Буквы А, Б, В, Г означают комбинации при различных сочетаниях работы крана:

А — кран и тележка неподвижны, производится ускоренный подъем (или торможение при опускании) груза. Комбинация нагрузок применяется для проектного или проверочного расчета главных балок моста в средней части пролета.

Б — разгон (торможение) крана при расположении тележки с грузом в середине пролета при совместном действии вертикальных и горизонтальных нагрузок.

В — движение крана при расположении тележки с грузом у концевой балки. Комбинация используется для проверки прочности опорного сечения пролетной балки, прочности концевой балки и прочности узла сопряжения балок при совместном действии вертикальных нагрузок и горизонтальной силы перекоса.

Г — положение тележки с номинальным грузом в средней части пролета. Комбинация используется для проектного и проверочного расчета статической
жесткости крана в вертикальной плоскости, в том числе и при действии испытательного груза. В последнем случае расчеты проводятся на действие испытательного груза G _ИСП. По правилам Гостехнадзора [3] G _ИСП=1,25 G _Н.

 

Таблица 3.1 Комбинации нагрузок мостовых кранов общего назначения
Нормативные нагрузки	Комбинации расчетных нагрузок
Виды нагрузок	Обо-зна-че-ния	I А	I Б	II А	II Б	II В	II Г	III
Вес металличес-кой конструкции крана с учетом коэффициента толчков КТ	G МК	G МК	K M KQG М	gМ G МК	gМКТ G МК	gМ G МК	-	G МК
Вес оборудования на конструкции	Gi	g GGi	g GGi	g GGi	g GGi	g GGi	-	Gi
Вес тележки	G T	G T	G T	gТ G Т	gТ G Т	gТ G Т	G Т	G Т
Вес груза G Г включая грузо-захват с учетом динамических коэффициентов ψI и ψII	G Г	ψIgГ G Г	gГ G Г	ψIIgГ G Г	gГ G Г	gГ G Г	G Н	-
Горизонтальные силы инерции	P И	-	P И	-	P И	-	-	-
Сила перекоса при движении крана	P ПЕР	-	-	-	-	P ПЕР	-	-
Давление ветра	P ВЕТ	-	-	P ВЕТ	P ВЕТ	-	-	P ВЕТ

4. Величины нагрузок
и расчетные схемы их приложения