横隔板对门式起重机箱形梁受力影响

侯爱国

（泰安市质量技术检验检测研究院 山东泰安 271000）

龙门起重机的金属门式构架，一般由主桥、上梁、支腿和下梁等构成。主桥是起重机的主要支撑部件，其施工方法通常是箱形结构。因为车辆轨道平常都会布置在主腹板层上及靠近主腹板层内侧的主梁上，所以极易产生容易偏心荷载。龙门起重机箱梁结构在偏心荷载作用下，易生成扭曲变形和横向变形。为增加龙门起重机箱梁结构的总体强度和局部稳定性，一般在箱梁下部设有隔墙板。因为箱梁的结构多为薄壁构件，所以偏心荷载又可以分为对称弯曲荷载（纯弯曲荷载）、扭曲负荷和畸变负荷。纯弯曲荷载基本上会产生竖向位移，纵向的正压应力都会均匀地分布在纵切面上；扭曲负荷会产生扭转翘曲正应力和剪应力；畸变负荷基本上会产生比较大的翘曲正应力以及比较小的畸变剪应力。当设置一定的横隔板数量的时候，纵向断面的扭曲与变形情况也会随着箱梁的扭曲强度的增加发生较大的改变。

1 门式起重机概述

门式起重机可按照门框构造、主梁型式、主梁构造及用途形式等加以划分。

1.1 门框结构

1.1.1 门式起重机

（1）全门式起重机：主梁上无悬伸，由车辆在主跨度内通过。

（2）半门式起重机：支腿的高低落差，可按照所用地方的混凝土建筑条件而定。

1.1.2 悬臂门式起重机

（1）双悬臂门式起重机：最常用的一门结构类型，其结构的整体受力及对场地面积的运用都是最合理的。

（2）单悬臂门式起重机：该种构造型式通常是由于场地的限制而被大量采用。

1.2 主梁形式

1.2.1 单主梁

单主桥门型起重机构造简易、生产安装简单，且其自身质量也较小，主梁为双偏心轨道的箱形架结构，与双梁门式起重机相同，总体强度也要弱一点。因此，在起重量Q≤50t、跨度S≤35m 时，也可选择该种型式。单主梁门式起重机的门脚结构主要为L 型和C 型。L 形结构便于安装，且受力状况良好。虽然它本身质量较小，但在提升货物时，支撑腿处的间隙相对较小。C形支脚做成斜面或曲线形状，其目的是有一个大的斜面空间，使货物能够顺利通过支撑脚。

1.2.2 双主梁

双主梁门式起重机的结构承载力较高，而且整机跨度较大，系统稳定性也较好。虽然种类众多，可与同样起重量的单梁门式起重机比较，其总体品质更高，成本更高。按照主柱构造的差异，它可以分成箱形梁和桁架两个形式。然而，通常使用的是箱形结构。

1.3 主梁结构

1.3.1 桁架梁

采用角钢或工字钢连接而成的构件型式，好处是费用少，墙体自重减轻，抗风性强。但因为焊点过多和桁架柱构造本身的缺点，桁架梁还存在着挠度高、强度低，且安全性相对较低，需频繁检测焊点的缺陷。因此，适合于对安全要求相对较低且起重量较小的工作场所。

1.3.2 箱梁

钢板连接的箱形结构具有安全性好、刚度高等优点，通常用作中、大吨数和超大型吨数的门式起重机。Mghz1200型为中国境内的主要门式起重机，总起重能力约为1200t级，主梁通常采取箱梁构造。但是，箱梁构造又有着费用高昂、墙体自重过大、抗风性较差等缺陷。

箱形上设有隔板，可提高梁体的扭转稳定性，提高断面宽度的侧向刚性，并限制了畸变应力。横隔墙是使桥形成空间整体结合的主要构件，需要具备适当的强度和刚性。它的强度越大，桥的稳定能力愈好，在负载作用下各主桥也可以良好地联合工作。

1.3.3 蜂窝梁

蜂窝梁一般指“等腰三角形蜂窝梁”，主桥端部为正三角形，两端斜腹板上有蜂窝孔，左右端有支弦柱。蜂窝柱吸取了桁架梁和箱梁的优点。它比桁架梁具有更大的强度、更小的挠度和更高的安全性。此外，由于使用了钢板焊接，自重和成本都略高于桁架桥，适用于高频应用及起重量较大的工作场所和梁场。但是，因为这些梁式构件是一项专利产品，在制造商中很少见。

1.4 用途形式

1.4.1 普通龙门起重机

这种起重机主要使用了箱式和桁架的结构，是应用最广泛的一种。它也能够装卸各种物品和散装物料。总起重量一般小于100kg，最大跨度为4～39m。带抓斗的普通龙门起重机也具备了较高的工作水准。一般门式起重机指吊钩、抓斗、电磁和葫芦门式起重机；另外还有半门式起重机。

1.4.2 水电站龙门起重机

其主要用于起重设备和启闭阀门，也可进行装配作业。起重能力为80～500t，但跨度较小，为8～16m；牵引速度一般较低，1～5m/min。虽然这种起重机不能长时间起吊，但一旦使用，工作相当繁琐，所以要相应增加工作级别。

1.4.3 造船龙门起重机

用船台拼装船舶段，最常用的方式是用两台起重小车：一台有两个主钩，在桥架上翅缘的轨迹上旋转；而另一台则有一组主钩和一组副钩，分别在桥翅缘的轨迹上旋转，方便于翻转和提升大型船段。最大的起重能力一般是100～1500kg，最大跨度一般为185m，最大上升速率通常为2～15m/min，微动率约为0.1～0.5m/min。

1.4.4 集装箱龙门起重机

拖车将从车上卸下的集装箱轨道门式起重机移至堆场中心或尾部后，再将集装箱门式起重机进行堆放或直接装卸运输，可提高集装箱运输桥及其他起重机的周转速率。可放置高度为3～4层、总长度为6排的大货物集装箱的堆场，通常采用轮胎或轨道的形式［1］。集装箱龙门起重机也与大型集装箱跨运车相似，它的跨度和门架两侧的直径都比较大。为适应海港码头的运送需要，这种起重机的工作等级普遍较高。其主要提升速率大约为8～10m/min；而跨度大小则根据其要跨越的货物集装箱排数来决定，最高的60m 对应于20ft、30ft、40ft 长货物集装箱的最高起重量，依次大约为20t、25t和30t。

2 工程背景及模型建立

以36t 龙门起重机主桥（即箱形梁）为重点研制对象。箱梁宽度b为1.3m，高度h为2m，跨度L为30m，有效的悬臂L1为7.5m，箱梁顶部tp和底板的tD厚度分别为12m，左腹层厚tL为16m，右腹层厚tR为20mm，小车车轮的距离L0为2.9m。在关键工作条件下，假设小车处在箱梁跨度内，起重机将在满载下工作。在不考虑风荷载的情形下，可忽略对起重机箱形梁自重的影响。当起重机车辆满载时，行走轮的轮压仅等于车辆重力与满载后起重机轮压之和。如果计算，每个车轮的车轮压力为p=137.5kN。

在ANSYS 的软件系统中，能够对36t 门式起重机简支箱梁结构进行有限元仿真。并按照箱梁材质的各向同性原理，将网架结构分割为三维四节点的181 壳单元，弹性模量为210GPA，泊松比为0.3，整体材质密度为7850kg/m3。在箱梁的中跨，依次在厚板上加上不同的荷载。在当设置为边界状态时，因为起重机箱梁能够简单支承，所以在箱梁的一端设定了二个自由UX和UY约束，而在相对一端则只设定了一个自由UY约束。在此基础上，利用有限元分析方法对无横隔梁箱梁与多横隔梁箱梁进行了仿真。

3 横隔板数量的影响

为了研究扭转与畸变应力及其偏心载荷在横隔板数量变化下的影响，在关键的工况要求下，将高度集中、对称扭转，以及刚性扭曲和畸变荷载应用在安装了6 个横隔板数量（0、2、4、6、8 和10）的起重箱形梁模型中。其中，当集中偏心荷载为137.5kN，对称荷载为p/2=68.75kN 时，刚体扭转负荷和畸变荷载分别为Pb/（4h）=22.52kN 和p/4=34.76kN。箱梁模型上，分别有2、4、6、8 和10 个横隔板。横隔板等距离布置，各层横向隔板距离均为17m、10.2m、7.2m、5.6m、4.6m，横隔板厚度为8mm。

根据计算，可以选择分析箱梁顶板的纵向应力，在偏心集中荷载、对称弯曲荷载、扭转荷载以及畸变荷载的联合影响下，不同数量横隔板模型的正应力发生变化。

随着横隔板量的增多，箱梁顶板上纵向正应力的变动范围也逐步缩小。无隔板、新设置的2、4、6、8 和10 个隔板的最大正应力变形值分别为15.647MPa、15.89MPa、16.25MPa、16.68MPa、16.54MPa和16.53MPa。

伴随着横隔板的不断增加数量，箱梁顶板的纵向正应力也会在其影响下不断增加；只有在横隔板的数量增加到8 个以上时，整个箱梁跨度中的最大纵向正应力才会开始不断减少，但是横隔板的最高纵向水平正应力却并没有随之变化过大。

在对称荷载作用下，没有横隔板的箱梁顶板中部的最大弯曲正应力大概为16.01MPa，但是最大纵向弯曲正应力（约16.6MPa）在横隔板数量的变化影响并不明显。对于隔板的特殊情况，随着隔板数量的增加，约束点处的弯曲正应力大大增加。

在扭转负荷的影响下，横隔板处扭转翘曲正应力值也发生了显著变化，扭转翘曲正应力值略低于畸变翘曲正应力值。随着横隔板数量的增加，由于箱梁的扭转翘曲，正应力的变化越来越小［2］。

经过畸变荷载的作用影响下，畸变翘曲正应力的变化律在某种程度上和扭转翘曲正应力的变化规律非常接近，沿纵向角度的变化亦极为接近。当横隔板的总量由零逐渐上升至6 时，随之也会加大箱梁中的畸变翘曲的最大正应力；不过，畸变翘曲正应力也会伴随着横隔板总量的不断增加开始减小，因此，横隔梁畸变正应力的突变将逐渐变得不那么明显［3］。

在集中偏心荷载的情况下，吊车上各梁之间，有无横隔板的纵向正应力值随着纵向方向的改变而基本相同，其正应力值在跨度内也达到了最大，并逐渐减小到约束状态。随着横隔板数量的增多，弯曲正应力也将逐步增大。如此，起重机箱梁的扭转和畸变翘曲正应力，尤其是扭曲翘曲正应力的影响因素很大源于相应数量的横隔板。这种情况下，扭转载荷产生的翘曲正应力将比畸变载荷产生的翘曲正应力小得多，说明了在偏心负荷的影响下，畸变翘曲正应力将占据主导地位。因此，想要减少偏心荷载所引起的畸变翘曲正应力，就需要利用横隔板数量的增大。

4 横隔板厚度影响

保持箱梁的其他几何特性和材料参数不做出改变。在这里，横隔板的数量设定为6个，而厚度则依次设定为4mm、8mm、12mm、16mm、20mm，显示了不同厚度下箱梁模型的偏心集中荷载，包括在对称弯曲荷载、扭转荷载和畸变荷载分解的共同影响下，顶板中心线法正应力的改变。

从隔板厚度的厚度来讲，集中偏心荷载形成的纵向正应力与对称荷载形成的弯曲正应力的影响因素与隔板厚度的影响没有什么太大的变化，然而其厚度却对扭曲和畸变翘曲应力会有很大的影响因素。当隔墙厚度为4mm时，扭转翘曲正应力与畸变翘曲正应力之间的变动相对较小，且扭转翘曲正应力也随着隔墙厚度的增大而有所上升；而当横隔墙板厚增大至8mm时，畸变翘曲正应力的变动相对极小。

5 横隔板位置影响

在保持起重机箱形梁和其他几何材料的参数不改变的情况下，该模型一共配置了两块横隔板，两块横隔板的厚度均为8mm，并增加了无隔板的模型进行比较。

在各种各样的横隔板布置方法下，箱梁顶纵向正应力还可以在偏心荷载、对称荷载、扭转荷载和畸变荷载作用下进行比较分析。

在偏心集中负荷作用下，当横隔板连续移动时，在箱梁顶板中部的正应力变动不大，而在5/16 部位的纵向正应力变动却很大。由于从该位置向跨中不断移动，纵向正应力逐步降低［4］。因此，假设两隔板间的距离相等，则隔板处的纵向正应力将达到最大值。

在对称荷载的影响下，由于横隔梁位置的变化逐渐向横隔梁中部移动，箱板的弯曲正应力基本不变，但在距横隔梁约5/16 处，顶板周围的跨中弯曲正应力可大大增加，约束附近的弯曲正应力也增加［5］。

在扭转载荷的影响下，施加在横隔板上的扭转翘曲正应力发生变化。随着横隔板向跨度中间移动，横隔板处的应力继续上升。跨中截面应力在从最初设计的无横隔板降低到新设横隔板的3/16以上后进一步降低。当横隔板继续向中横移时，它的扭转翘曲应力再次开始增加［6］。

在畸变载荷作用下，横隔板上的畸变翘曲正应力改变不大。当横隔板移至跨度中间时，横隔板中畸变翘曲正应力强度的改变程度相对较小，变化范围显著增大［7］。当与横隔板等距时，横隔板的畸变纵向正应力作用强度显著降低。

简单来说，在对称荷载作用下，随着跨中横隔板间距的逐渐减小，箱梁的最大弯曲正应力变化不大，但最大扭转翘曲正应力显著增大。只有当两个横向隔板之间的距离接近时，最大畸变翘曲应力才会显著降低。

由于跨中横隔板间距的逐步减小，箱梁最大弯曲正应力虽在对称荷载的影响下不发生改变，然而，最大扭转翘曲正应力显著增加。只有当2个横隔板之间的间距接近时，最大畸变翘曲应力才会减小。

6 结语

随着横隔墙板量的增多，起重机箱梁的最大畸变翘曲正应力在开始增加后也逐步降低，其最大畸变压扣正应力也超过了最大扭转压扣正应力。因此，畸变翘曲在偏心载荷下的翘曲应力中起着重要作用。所以，通过增加相应数量的横隔板，就可以明显降低由于偏心载荷所形成的翘曲正应力，而横隔板厚薄对于扭转和变形翘曲产生的正应力也有重要影响。而经过对横隔梁位移和变形程度的研究，在与横隔板等长度设置下，箱形梁的抗扭曲畸变效果比较好。