冶炼厂冶炼车间上料平台的结构设计概述.doc

韶关冶炼厂冶炼车间上料平台的结构设计12级机械设计及其自动化2班 彭小禹指导老师：周周 副教授1 设计概述1.1基本情况介绍1.1.1 钢结构设计的背景我国钢产量大且品种齐全，2010年粗钢产量达到7亿吨，占世界第一位。其中钢结构行业消耗将近4%。钢结构在建筑工程、桥梁工程、地下工程、铁道工程中大量使用。由于钢材的性能优良，钢结构具有现代化、标准化的优势，又是一种可再生的材料，满足“低碳、节能、环保”可持续发展国策的基本要求，有着很好的发展前景与机遇。国内建成的北京奥运会场馆、广州亚运会建筑、横跨长江的多座大型桥梁、遍布全国的高速铁路基础设施等一批钢结构标志性工程，代表了世界的先进水平。钢结构在公共建筑、民用住宅等方面有巨大的发展潜力，今后必将占领更多的市场份额。新中国成立初期，国民经济处于起步阶段，钢结构仅在大型工业厂房中应用，鞍钢、武钢、包钢等钢铁厂的大型车间基本都采用了钢结构。20世纪50年代末在外国专家的帮助下，南京长江大桥成为我国第一座自己建造的大型钢结构桥梁。改革开放以后我国的钢产量大幅增加，使用钢材的政策由限制转变为推广使用，钢结构在高层和超高层建筑、多层房屋、轻钢建筑、大跨度体育场馆、各种会展中心、大型飞机安装检修库、大跨度公路铁路桥梁、海上采油平台、各种大中型仓库中都得到广泛应用。随着大型计算机的出现，先进的结构分析手段不断更新，大型复杂钢结构项目成为可能，我国出现许多项目的设计制造水平居世界一流。1.1.2 钢结构的特点（1）强度高、结构重量轻，但钢结构容易失稳。在承受同样荷载时，钢结构比钢筋混凝土和木材组成的结构重量减轻很多。正是因为强度高，钢结构的杠件就可以做得细长，组成杠件的板件也可能比较薄，这样，结构的整体稳定和板件的局部稳定就变得尤为突出，容易因为整体或局部失稳导致结构破坏。（2）在复杂情况下性能优越。钢材的弹性模量稳定，材质均匀性好，比较符合理想弹朔性体的力学假定，因而结构分析计算的结果与实际情况很接近；钢材具有良好的朔性、韧性、抗冲击和抗低温冷脆性能，在复杂受力情况下性能较好。（3）抗震性能好。钢结构可以建造的比较轻柔，受到的地震作用较小，而且其具有良好的能量耗散能力，在历次地震中损害的程度是最小的，钢材已经被工程界确定为最适合的抗震结构材料。（4）耐热性能好但抗火性能差。在温度不高于250摄氏度的一般受热情况下，钢结构的弹性模量、强度、变形等主要的力学指标变化不大，是一种较好的耐热结构材料。但是钢结构的抗火能力很差，当温度达到300摄氏度以上时，强度逐渐下降，在600摄氏度时强度不足三分之二，模量几乎为零，所以在火灾下不加防护的钢结构很快就会倒塌，需要引起特别的注意。（5）密封性好但脆性状态下裂纹容易扩展。焊接钢结构不渗漏，密封性好，适用于制造船舶、气柜油罐、压力容器、高压管道等。但是，由于钢结构整体刚度大，当焊接结构设计不当或工艺不好时，在低温和复杂受力情况下，微小裂纹有可能扩展导致整体断裂，这是焊接钢结构的弱点。（6）材料价格较贵，但钢结构工业化程度高，建筑工期短。使用钢结构与使用钢筋混凝土结构相比，高层建筑的总投资大约增加不到2%，低矮建筑就更少。由于钢结构的工厂化生产，以及施工过程中机械化程度高，工期缩短带来的效益更为明显，越来越多的业主选择钢结构作为主要的土木工程结构。（7）钢结构耐腐蚀性差。因为易于被腐蚀，隔一段时间业主不得不对结构重新喷涂刷涂料。在海边、腐蚀性气体浓度比较大的环境中，这笔维护费用更大。耐候钢的出现使钢结构在腐蚀环境中有了更大的使用空间。通常情况下钢结构耐腐蚀性差的缺点不足以对钢结构的使用产生明显的负面影响。1.1.3钢结构合理应用范围基于它的特点，它的合理应用范围体现在以下方面：（1）大跨度结构。如飞机装配车间、飞机库、大会堂、体育馆、展览馆等。（2）工业厂房。如冶金厂房的转炉炼钢车间、连铸连轧车间；重型机械厂的铸钢车间、水压机车间锻压车间等。（3）可拆卸或移动的结构。如塔式起重机、履带式起重机的吊臂、龙门起重机等。（4）高耸结构和高层结构。钢结构电视塔、输电塔架等自重轻，便于安装和施工；高610米的广州新电视塔是目前世界第一高的电视塔，正在建造中的上海环球金融中心等高层建筑都是钢结构建筑。（5）密封和压力容器。钢材质地密实，抗拉强度高，做成容器后不渗油不透水，并且能承受较大的内部压力，广泛应用与轮船、各种油罐、气柜等。（6）版壳结构。如油罐、煤气柜、高炉炉壳、热风炉、漏斗、烟囱、水塔以及各种管道等。（7）承受动力荷载以及地震作用的结构。1.1.4钢结构构件的分类钢结构构件可以分为两类：钢结构杠件和钢结构板件。（1）钢结构杠件按受力状态可以分为受拉杠件、受压杠件、受弯杠件、拉弯杠件、压弯杠件、受拉索等。这些杠件是组成钢结构各种形式的最基本单元。钢结构杠件和杠件之间可以组合成合理的结构形式，充分利用钢材的各种优势，有效地承担各种作用和荷载，满足结构物各种功能要求并具有美观的造型。（2）钢结构板件是一种平面构件，一般在板件平面内拉应力、压应力和剪应力共同作用，工作状态比较复杂。在实际应用中，按照边界支承状况不同，板件可以分为四边简支版、三边简支一边自由板、带加劲肋的三边简支板等。钢结构有时还和混凝土组合在一起，形成组合构件；拱、钢架既是钢构件，也可以独立组成结构。1.1.5钢结构设计的基本方法钢结构设计方法的理论基础是结构的可靠度分析。无论对建筑结构还是桥梁结构，结构可靠度设计统一标准要求对不同结构取得相同的可靠度，从理论上制定出结构设计统一的目标可靠指标。目标可靠指标应该根据各种结构构件的重要性、破坏性质和失效产生的后果来确定。在结构构件设计时，涉及可靠度指标的参数隐含在计算公式里。结构工程师需要掌握的是钢结构极限状态法的基本原理，正确理解概率极限状态的概念和含义，以便正确处理设计、施工、工程事故分析、工程加固中出现的各种复杂问题。1.1.5钢结构的极限状态和其他土木工程结构一样，钢结构的极限状态分为承载力极限状态和正常使用极限状态两类。（1）承载力极限状态对应于构件和连接的强度破坏、疲劳破坏和因过度变形而不适于继续承载，结构和构件丧失稳定，结构转变为机动体系和结构倾覆。1.2 本设计（题目）的特点与性质1.2.1 使用功能要求根据上述的钢结构合理使用范围，考虑本设计为大跨度受动力荷载影响的结构,从其使用功能考虑宜采用钢结构的形式。1.2.2 荷载的受力分析本上料平台主要承受竖向可变荷载、结构的自重及附属连接的零部件的重力。其荷载的传递方式为:板面上的竖向永久荷载和竖向可变荷载，由叠合式板(DHB)以均布荷载的形式传给次梁(CL)，再由次梁以集中力的形式传给主梁(ZL),最后由主梁以集中力的形式传给格构式柱(GGZ)，由柱再传给基础(JC)，基础传给地基。综上所述，本设计采用大板式钢结构的单向板梁板结构形式。2 荷载的汇集21 结构的平面布置由设计规范可知次梁的经济跨度在5000-7000mm之间，主梁大于等于10000mm，以及考虑上料平台的具体的环境还有施工的便利性，其平面布置如下：2.2 标准情况下荷载标准值的计算 ： ： ：2.2.1竖向永久荷载2.2.2竖向可变荷载2.2.3竖向荷载组合3 次梁的截面设计3.1计算简图（不算次梁本身重量的前提下）次梁的计算简图如下，其中为设计值，为标准值，柱宽选取 图3.1次梁的静跨度为： 两支座反力距离为： 3.2 初选截面（算上次梁本身的重量）3.2.1 截面最大弯矩设计值的计算（不算本身重量）次梁的材料：Q235钢，塑性发展系数初取为1.05，则最大弯矩设计值为：= 3.2.2 需要的截面抵抗矩3.2.2 初选工字型钢查表选择型号为36c的工字钢，其几何性质为。，3.2.3验算截面抵抗矩查表得，为设计值，故 ，又，所以，而故所选工字型钢型号符合截面抵抗矩的条件。3.2.4验算抗弯承载力在算上本身重量时： (=1.05)即符合条件。3.2.5验算抗剪承载力（） 查表可知：所以即所选型号符合条件。3.2.6 验算工字钢的刚度限制挠度条件 通过以上截面抵抗矩，抗弯承载力、抗剪承载力和刚度的验算，所选工字型号钢型号是合理的。4主梁设计4.1 基本情况介绍4.11 计算简图（不算本身重量）计算图如下图4.1 4.1.2 主梁载荷为了满足安全可靠和经济合理的双重要求，对于本次设计中的工作环境的一个思考，现决定选取Q345的焊接组合工字型钢梁。下图为主梁的计算简图：图4.2 所以：上图中的静跨度 式中是支座圆柱的截面直径，由以往的习惯选择，即，故两支座反距离并有 4.1.3截面抵抗矩的计算（1）最大弯矩最大剪力（2）由得截面抵抗矩（对一般单向弯曲梁：当最大弯矩外无孔眼时）4.2截面设计4.2.1 梁截面沿长度的改变对于均布荷载作用下的简支梁，一般按跨中最大弯矩选定截面尺寸。但是考虑到弯矩沿跨度按抛物线分布，当梁跨度较大时，如在跨间随弯矩减小将截面改小，做成变截面梁，则可节约钢材减轻自重。焊接工字梁的截面改变一般是改变翼缘宽度。4.2.2 变换截面的连接如下图图4.3 下翼缘连接的坡口焊位置4.3 具体尺寸的计算4.3.1 各个名称: 13具体尺寸如图（不算本身重量的内力计算）4.3.2腹板高度（截面高度h）梁的截面高度应根据建筑高、刚度要求及经济要求确定。建筑高度是指按使用要求所允许的梁的最大高度。刚度要求是指为保证正常使用条件下，梁的挠度不超过规定容许挠度。经济要求是指在满足抗弯和稳定条件下，使腹板和翼缘的总用钢量最小。梁的经济高度可按下式计算根据上述三个条件，实际所取梁高h主要满足经济高度，即h=；可按h取稍小数值，同时应考虑钢板规格尺寸，并应该选取50的倍数。故可以取=900mm。4.3.3腹板厚度的确定腹板主要承担剪力，其厚度要满足抗剪强度条件，计算时近似假定最大剪应力为腹板平均剪应力的1.2倍，即（1） 故（2）考虑腹板局部稳定及构造要求，腹板不宜太薄，可用下列经验公式估算（3）选用时还符合钢板现有规格，一般不宜小于8mm，跨度较小时，不宜小于6mm，轻钢结构可适度减小。（4）应取2的倍数。由上述可知，选取=20mm.4.3.4翼缘宽度b及厚度t腹板尺寸确定之后，可按强度条件（即所选截面系数）确定翼缘面积.对于工形截面初选截面时取，经整理后可写为，又一般采用翼缘宽度b不宜过大，否则翼缘上应力分布不均匀。b值过小，不利于整体稳定，与其他构件连接也不方便。且满足制造和构造考虑的翼缘最小宽度所以取故而为了防止焊接残余变形的影响加大，取4.3.5梁高h的计算梁高的计算应满足建筑高度的最大值：，其中5500是使用功能要求最大高度，3600是工作要求最小净空高。梁的最小高度满足：，则，又因为，所以取。4.4主梁的截面设计4.4.1主梁截面几何性质计算（1）截面没有改变前的几何性质， ： ： ： ： 图4.7 主梁的截面变化情况尺寸图上图中 、,按照规范规定:当时是最经济的，故变换后的具体尺寸如下： 取，：径和。 4.4.2由主梁本身重量引发的均布荷载的计算（因为本身重量所引发的均布荷载，） 综上所述，在加入主梁本身重量后，它的具体的内力值如下： 4.4.3梁的强度计算 截面没有改变前 （。 截面改变后 （ 公式里面， 截面没有改变前C截面的弯矩和剪力： 截面改变后： 翼缘 综上所述，主应力的承载力达到要求，即主梁的强度要求满足。4.4.4主梁的刚度验算为了保证梁正常使用，梁应有足够的刚度，梁的正常使用极限状态要求限制的内容是梁的最大挠度，主要是控制荷载标准值引起的最大挠度不超过按受力和使用要求规定的容许值 4.5主梁的整体稳定4.5.1主梁整体稳定的概念概念：主梁一般做成高而窄的截面，承受横向荷载作用时，在最大刚度平面内产生弯曲变形，截面上翼缘受压，下翼缘受拉，当弯矩增大，使受拉翼缘的最大弯曲压应力达到某一数值对主梁会在偶然的很小的侧向干扰力下，突然向刚度很小的侧向发生较大的弯曲，由于受拉下翼缘的阻止，而使钢梁发生不可恢复的变扭屈曲，如弯矩继续增大，则弯矩变形迅速继续增大，从而使梁丧失承载能力。这种因弯矩超过临界限制而使钢梁从稳定平衡状态转变为不稳定平衡状态并发生侧向变扭屈曲的现象，称为主梁测扭屈曲或主梁丧失整体稳定。4.5.2 梁的整体稳定计算原理在小变形条件下，梁处于弹性阶段，根据薄壁构件的计算理论得梁失稳的临界弯矩为由上式可知，抗弯刚度，抗扭刚度、抗翘曲刚度愈大，则临界弯矩愈大，梁的跨度或测向支承点间距愈小，则临界弯矩愈大。因此，影响梁的整体稳定承载力的因素有荷载类型，荷载作用于载面上的位置、截面平面外的抗弯刚度和抗扭刚度以及梁受压翼缘侧向之承点的距离。提高梁整体稳定承载力最有效的措施是加大梁的侧向抗弯刚度和抗扭刚度，减小梁的侧向计算长度。4.5.3 梁的整体稳定系数梁的整体稳定系数为整体稳定临界应力与钢材屈服强度的比值即对一般的受横向荷载或不等端弯矩作用的焊接工字形等截面简支梁，包括单轴对称和双轴对称工字形截面。可用下式确定其整体稳定系数式中是梁整体稳定的等效临界弯矩系数，查表为=1.15；是梁在侧向支撑点面对截面弱轴y-y的长细比，=，A是梁的毛截面面积，A=36000，h,t是梁截面的全高和受压翼缘厚度，分别为h=960,t=30.是截面不对称影响系数，为.故=11.710.6,因为大于0.6，说明梁在弹朔性状态下失稳，应用下式计算的代替值：4.5.4 梁的整体稳定计算方法计算公式，是饶强轴作用的最大弯矩；为即即满足整体稳定条件4.6主梁的局部稳定性设计4.6.1基本情况介绍：定义：在梁的强度和整体稳定承载力都能得到保证的前提下，腹板或翼缘部分作为板件首先发生屈曲失去稳定，称为梁丧失局部稳定性. 理论局部稳定原因和条件：原因：梁的上翼缘受到均匀分布的最大弯曲正应力，当宽厚比超过某一限制，上翼缘就会产生凹凸变形丧失稳定。条件：采取的办法保证稳定 梁受压翼缘自由外伸宽度b与其厚度之比，应符合下式要求截面尺即尽量是小 恰当布置加劲肋使 减小。4.6.2加劲肋的设计加劲肋的布置和构造要求：加劲肋可按如下原则布置 1、仅布置横向加劲肋2、同时布置纵向加劲肋和横向加劲肋3、同时布置纵向加劲肋横向加劲肋和短加劲肋。纵向加劲肋对提高腹板的弯曲临界应力特别有效；横向加劲肋能提高腹板临界应力并作为纵向加劲肋的支承；短加劲肋常用于局部压应力较大的情况。钢结构设计规范规定：（1）当时，对有局部压应力的梁，应按构造配置横向加劲肋；但对无局部压应力的梁，可不配置加劲肋。（2）当时，应配置横向加劲肋，并计算腹板的局部稳定性。（3）当，应在弯曲应力较大曲格的受压区不但要配置横向加劲肋，还有配置纵向加劲肋。局部压应力很大的梁，必要时宜在受压区配置短加劲肋。（4）梁的支座处和上翼缘受有较大固定集中荷载处，宜设置支承加劲肋。加劲肋的布置要求：加劲肋宜在腹板两侧成对配置，也可单侧配置但支承加劲肋、重级工作制起重机梁的加劲肋不应单侧配置。本设计中。由上所述，按钢结构规范规定布置横向加劲肋，又因为施工便利，按规范在梁的支座处和上翼缘受有较大的固定荷载处布置支承加劲肋。取a=1000加劲肋的尺寸计算加劲肋各部分的尺寸如下图： ，是5的倍数。取，是2的倍数。取 取 取 加劲肋的焊接钢结构在焊接过程中，局部区域受到高温作用，引起不均匀的加热和冷却，使构件产生焊接变形。由于在冷却时，焊缝和焊缝附近的钢材不能自由收缩，受到约束而产生焊接残余应力。焊接残余变形和焊接残余应力是焊接结构的主要问题之一，它将影响结构的实际工作。焊接残余应力有纵向残余应力，横向残余应力和沿厚度方向残余应力。纵向残余应力指沿焊缝长度方向的应力，横向残余应力是垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力，沿厚度方向的残余应力则是垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力。这三种残余应力都是由收缩变形引起的。4.6.3 ，4.6.4 支承加劲肋的设计（拟采用凸缘式支承加劲肋）: 基本情况介绍支承加劲肋一般由成对布置的钢板做成，也可以用凸缘式加劲肋，其凸缘长度不得大于其厚度的2倍。支承加劲肋除保证腹板局部稳定外，还要将支反力或固定集中力传递到支座或梁截面内，因此支承加劲肋的截面除满足加劲肋的各项要求外，还应按传递支反力或集中力的轴心压杠进行计算，其截面常常比一般加劲肋截面稍大一些。本设计采用凸缘式支承加劲肋。支承加劲肋的设计主要包括下面三个方面：1） 腹板平面外的稳定性 为了保证支承加劲肋能安全地传递支反力或集中荷载F，梁的支承加劲肋，应按承受梁支座反力或固定集中荷载的轴心受压构件计算其在腹板平面外的稳定性。此受压构件的截面应包括加劲肋和加劲肋每侧范围内的腹板面积，计算长度取2） 端面承压强度 支承加劲肋的端部一般刨平顶紧于梁翼或支座，应按下式计算端面承压应力3） 支承加劲肋与腹板的连接焊缝 可假定F力沿焊缝全长均匀分布进行计算。支承加劲肋与腹板的连接焊缝应按承受全部支座反力计算。通常采用角焊缝连接，焊脚尺寸应满足构造要求。 ，取， ，取，则，如图所示。（1） 性， ，取 ，（3） 符合条件要求。4.6.5 局部受压承载力验算 ， 部有：（ 4.7 焊接计算角焊缝的焊脚尺寸是指焊缝跟脚至焊缝外边的尺寸如下图。普通焊缝最小截面在方向，不计凸部分的余高 称为焊缝截面的有效厚度；为避免焊缝烧穿较薄的焊件，减小主体金属的翘曲和焊接残余应力，角焊缝的焊脚尺寸不宜太大。最大焊脚尺寸不宜大于较薄焊件厚度的1.2倍（但钢管结构可酌量增加）。对板边缘的角焊缝，则应满足。圆孔或槽孔内的不宜大于圆孔直径或槽孔短径的主要计算尺寸除了焊脚尺寸还有焊缝计算长度。考虑施焊时起弧和落弧的影响，每条焊缝的计算长度取其实际长度减去。4.7.1 4.7.2焊缝长度的设计计算脚焊缝的长度不得小于和40mm也不宜大于 使焊缝不 且。4.7.3 具体公式计算：如，那么如,那么,因，故 ， ， ，所以 式中： ：） ， ， ，又 ：则，且取5 5.1 5.1.1 截面高度较大的压弯构件采用格沟式可以节省材料，所以格构式压弯构件一般用于厂房的框架柱和高大的独立支柱。由于截面高度受有较大的外剪力故构件常常用缀条连接。缀板连接的格沟式压弯构件较少采用，本设计中，也采用缀条式格沟柱，其截面各部分名称如左图。 图5.1中要求，是为了日述5.2 格构式柱的尺寸设计计算5.2.1 缀条式格构柱的肢件设计 ； ， ，由又，则，则，查号为；;； 图5.2 14b截面的基本尺寸图 按照规范规定：，选取。所以。 总的两槽钢的。 ， :：其中: ，； 综上可图5.3 缀板式格构柱截面各部分尺寸图5.2.2缀条的设计计算 选择角钢 ， ，则， 定义 ，由，则5.3 肢体设计5.3.1 肢架整体稳定性验算当弯矩作用在与缀材面相垂直的主平面内时，构件绕实轴产生弯曲失稳，它的受力性能与实腹式压弯构件完全相同。因此，弯矩绕实轴作用的格构式压弯构件，弯矩作用平面内和平面外的整体稳定计算均与实腹式构件相同，在计算弯矩作用平面外的整体稳定时，长细比取换算长细比，整体稳定系数取 长细比计算有公式: 公式中:， 绕虚轴失稳的换算长细比 代替，得最大长细比的计算有，则，的稳定系数；由件的稳定系数： 有公式 有：（满足肢件的整体稳定性要求）5.3.2 单肢体的稳定性验算 其中： 1-1矢稳时的长细比 ， 对于缀条，应满足，有（满足单肢件的整体稳定性要求）。5.3.3 肢体的刚度验算因为，所以满足刚度要求5.3.4 肢体的刚度问题 ，其较小，按照规范规定，不进行局部稳定性。5.4 缀条设计5.4.1 计算内力值：，其中，,故5.4.2 ，其中，则，由 Q235按b类系数5.4.3 倍。 ，为,肢尖为5.4.4 整体稳定性验算 ，其中有，则5.4.5 计算缀条与肢体