万能杆件拼装龙门设计计算书

1、湖北省路桥集团有限公司 万能杆件龙门设计计算书万能杆件拼装龙门设计计算书（净26×12m，额定起升荷载60t）设计： 计算： 复核： 批准： 湖北省路桥集团有限公司二九年十一月17目 录一、 参考资料和使用规范1二、 龙门设计尺寸1三、 起重机工作级别划分与荷载统计1四、 荷载组合2五、 结构模型及计算4六、 结论和注意事项 16万能杆件龙门设计计算书一、 参考资料和使用规范：武汉左岭至鄂州花湖公路施工图；万能杆件图集（中国人民解放军铁道兵工程学院训练部编印）；实用起重吊装手册杨文渊；起重机设计规范GB/T 3811-2008；钢结构设计规范GB50017-2003（参考）。二、 龙

2、门设计尺寸：龙门采用N型万能杆件拼装，设计净跨26m，设计净高12m，龙门主梁截面4m×2m，龙门支腿截面2m×2m，考虑抗风和纵向行走时驱动加速力作用下整体稳定性，下部支腿采用2m×6m拼装形式；支腿采用双轨平车支撑，平车行走方向采用节点板栓接，横向为销轴铰接，天车采用跨越式，具体结构见万能杆件龙门拼装结构图、天车及吊具加工图。三、 起重机工作级别划分与荷载统计：本项目龙门共需要吊装30mT梁575片，龙门总工作循环CT1.6×104，起重机使用等级为U0级。起重机需要经常吊装额定荷载，起重机的荷载状态级别为Q4级。按照起重机设计规范（GB/T 381

3、1-2008）起重机的整机工作级别为A2级。设计方法：基于数理统计的极限状态设计法。起重机质量引起的荷载，分项荷载系数P1：万能杆件自重PG1=50.2t，天车、卷扬机、吊具自重PG2=3t；起升冲击系数。总起升质量，分项荷载系数P2：T梁自重PQ1=27.1×2.65/2=71.82/236t，考虑其他项目的使用情况，龙门总起升质量设计60t。起升动荷载系数2=2min+2Vq=1.10+0.34×0.3=1.20式中为稳定起升速度，单位m/s；、为起升状态级别确定的系数，本例中为HC2级，分别取0.34和1.10。运行冲击荷载，分项荷载系数P4：运行冲击荷载指在起重机带

4、载或空载在具有一定弹性、接头处有空隙或高低错位钢轨上运行时，发生的垂直冲击荷载，包含起重机自重和起升质量。运行冲击系数式中为起重机运行速度，本例取0.25m/s；h为轨道接头处两轨面的高差，本例取10mm。驱动加速力，分项荷载系数P5：按照加速度计算的龙门纵向行走冲击荷载PAZ·=ma=（50.2+3+60）×0.078=8.83t。本例中龙门纵向运行速度0.25m/s，加速时间3.2s，加速度0.078m/s2。本例中传动系统存在微小间隙，采用其他一般的控制系统，加速力呈连续的但非平稳的变化，行走冲击系数。按照GB/T 3811-2008规范，龙门纵向行走冲击荷载乘以系数

5、后不应大于主动轮与钢轨的粘着力。本例中，龙门载重后的粘着力。故：龙门纵向行走冲击荷载PAZ×=8.83×1.5=13.245t。按照加速度计算的天车横向行走冲击荷载PAH·=ma=（3+60）×0.078=4.914t。本例中天车横向运行速度0.25m/s，加速时间3.2s，加速度0.078m/s2。本例中传动系统存在微小间隙，采用其他一般的控制系统，加速力呈连续的但非平稳的变化，行走冲击系数。按照GB/T 3811-2008规范，龙门纵向行走冲击荷载乘以系数后不应大于主动轮与钢轨的粘着力。本例中，天车载重后的粘着力。故：天车横向行走冲击荷载PAH

6、15;=4.914×1.5=7.37t。其它可变荷载：正常工作状态风荷载PW1、非工作状态风荷载PW2，分项荷载系数P7。龙门使用环境为内陆地区，按照GB/T 3811-2008规范选用的计算风压为：P1=90N/，P2=150N/，与P2对应的计算风速为15.5m/s。其中P1是起重机正常使用状态下的组合计算风压，P2是起重机工作状态最大计算风压，用于验算起重机驱动装置的过载能力和起重机整机的抗倾覆稳定性、抗风防滑安全性等。龙门的最不利风荷载为最大迎风面受力，万能杆件龙门的结构单片桁架迎风面积充实率=0.34，查表得挡风折减系数=0.51，万能杆件龙门可看成2片桁架，其总迎风面积A

7、=（1-2）/(1-)××A0=（1-0.512）/(1-0.51)×0.34×190.8898。正常工作状态风荷载PW1=C×P1×A=1.7×90×98=14994N1.53t；非工作状态风荷载PW2=C×P2×A=1.7×150×98=24990N2.55t。本项目冰雪荷载和温度荷载不考虑。坡道阻力系数：本项目预制场轨道标高设计为水平面，不考虑坡道阻力系数。四、 荷载组合：按照GB/T3811-2008标准，荷载组合有如下几类：1、起重机无风工作情况下的荷载组合有如下四

8、种：A1起重机载正常工作状态下，无约束地提升地面物品，无工作状态风荷载及其他气候影响产生的荷载，此时只应与正常操作控制下的其他驱动机构（不包括提升机构）引起的驱动加速力相组合；A2起重机在正常工作状态下，突然卸除部分提升质量，无工作状态风荷载及其他气候影响产生的荷载，此时应按A1的驱动加速力组合；A3起重机在正常工作状态下，（空中）悬吊着物品，无工作状态风荷载及其他气候影响产生的荷载，此时应考虑悬吊物品及吊具的重力与正常操作控制的任何驱动机构（包括起升机构）在一连串运动状态中引起的加速力或减速力进行任何的组合；A4在正常工作状态下，起重机在不平道路或轨道上运行，无工作状态风荷载及其他气候影响产

9、生的荷载，此时应按A1的驱动加速力组合。2、起重机在有风工作情况下的荷载组合：B1B4其荷载组合在A1A4的组合相同，但应考虑加上工作状态风荷载及其他气候影响产生的荷载；B5在正常工作状态下，起重机在带坡度的不平的轨道上以恒速偏斜运行，有工作状态风荷载及其他气候影响产生的荷载（其他机构不运动）。3、起重机受到特殊荷载作用的工作情况或非工作情况下的荷载组合：C1起重机在工作状态下，用最大起升速度无约束地提升地面荷载，例如相当于电动机或发动机无约束地起升地面上松弛的钢丝绳，当荷载离地时起升速度达到最大值（使用导出的2max，其他机构不运动）；C2起重机在非工作状态下，有非工作状态风荷载及其他气候影

10、响产生的荷载；C3起重机在动荷载试验状态下，提升动载试验荷载，并有试验状态风荷载，与荷载组合A1的驱动加速力相组合；C4起重机带有额定起升荷载，与缓冲碰撞力产生的荷载相组合；C5起重机带有额定起升荷载，与倾翻力产生的荷载相组合；C6起重机带有额定起升荷载，与意外停机引起的荷载相组合；C7起重机带有额定起升荷载，与机构失效引起的荷载相组合；C8起重机带有额定起升荷载，与起重机基础外部激励产生的荷载相组合；C9起重机在安装、拆卸或运输期间产生的荷载相组合；结合本项目实际情况：天车的行走速度0.25m/s，龙门纵向移动的行走速度0.25m/s，小于0.7m/s，不考虑起重机所受的缓冲碰撞力；轨道布置

11、为水平面，不考虑坡道阻力系数；轨道基础为现浇钢筋砼基础，其横断面尺寸为0.4×0.8m，地基承载能力130Kpa，承载能力满足要求；仅对如下荷载组合进行计算：A1，A3，A4，B1，B3，B4，C2。其荷载组合分项系数见下表：荷载组合P1P2P4P5P7A11.16×11.34×21.55×5A31.161.341.55×5A41.16×41.55×5B11.05×11.22×21.41×51.10B31.051.221.41×51.10B41.05×41.41×5

12、1.10C21.051.10*空载1*活载1*为了方便龙门荷载试验验收，对龙门的空载和增加活载状态下的挠度分别进行了计算，实际验收时仅需测量活载挠度，其分项系数取1。A1组合需要考虑的荷载为：恒 载：龙门自重：1.16×0.95（1.05）×（50.2+3）t =58.63（64.80）t集中力：额定荷载：1.34×1.2×60t=96.48t龙门纵向行走冲击荷载：1.55×1.5×8.83t=20.52t天车横向行走冲击荷载：1.55×1.5×4.914t=11.425t龙门在做纵向行走的情况下，不允许进行天车横

13、向移动；天车在做横向移动的情况下，不允许龙门进行纵向移动。A3组合需要考虑的荷载为：恒 载：龙门自重：1.16×（50.2+3）t=61.712t 集中力：额定荷载：1.34×60t=80.4t龙门纵向行走冲击荷载：1.55×1.5×8.83t=20.52t天车横向行走冲击荷载：1.55×1.5×4.914t=11.425t龙门在做纵向行走的情况下，不允许进行天车横向移动；天车在做横向移动的情况下，不允许龙门进行纵向移动。A4组合需要考虑的荷载为：恒 载：龙门自重：1.16×1.15×（50.2+3）t =70.9

14、7t集中力：额定荷载：1.16×1.15×60t=80.04t龙门纵向行走冲击荷载：1.55×1.5×8.83t=20.52t天车横向行走冲击荷载：1.55×1.5×4.914t=11.425t龙门在做纵向行走的情况下，不允许进行天车横向移动；天车在做横向移动的情况下，不允许龙门进行纵向移动。B1组合需要考虑的荷载为：恒 载：龙门自重：1.05×0.95（1.05）×（50.2+3）t =53.07（58.65）t集中力：额定荷载：1.22×1.2×60t=87.84t龙门纵向行走冲击荷载：1.

15、41×1.5×8.83t=18.68t天车横向行走冲击荷载：1.41×1.5×4.914t=10.39t风荷载：1.1×1.53t=1.683t龙门在做纵向行走的情况下，不允许进行天车横向移动。天车在做横向移动的情况下，不允许龙门进行纵向移动。B3组合需要考虑的荷载为：恒 载：龙门自重：1.05×（50.2+3）t=55.86t 集中力：额定荷载：1.22×60t=73.2t龙门纵向行走冲击荷载：1.41×1.5×8.83t=18.68t天车横向行走冲击荷载：1.41×1.5×4.91

16、4t=10.39t风荷载：1.1×1.53t=1.683t龙门在做纵向行走的情况下，不允许进行天车横向移动；天车在做横向移动的情况下，不允许龙门进行纵向移动。B4组合需要考虑的荷载为：恒 载：龙门自重：1.05×1.15×（50.2+3）t=64.24t 集中力：额定荷载：1.05×1.15×60t=72.45t龙门纵向行走冲击荷载：1.41×1.5×8.83t=18.68t天车横向行走冲击荷载：1.41×1.5×4.914t=10.39t风荷载：1.1×1.53t=1.683t龙门在做纵向行走

17、的情况下，不允许进行天车横向移动；天车在做横向移动的情况下，不允许龙门进行纵向移动。C2组合需要考虑的荷载为：恒 载：龙门自重：1.05×（50.2+3）t =55.86t集中力： 风荷载：1.1×2.55t=2.81t五、 结构模型及计算：结构计算采用MIDAS CIVIL 5.9通用有限元程序。由于在有限元模型中未能考虑节点板和螺栓等连接件的自重，在计算程序中按照实际自重对重力加速度系数进行了调整，龙门自重通过程序自动统计，其余集中荷载通过节点加载考虑在计算模型中。龙门的许用应力。式中、为高危险度系数和荷载增大系数，本例中取用1.05和1.1。首先通过结构的有限元分析计

18、算确定了龙门最不利的受力状态，并比照了不同荷载组合下的各杆件应力、龙门挠度、支点反力，对需要验算整体稳定性和压杆稳定性的工况和单元进行了识别和归类。同时对不同工况组合进行了对比，减少了不必要的计算工况，使得验算尽量简单合理，并能够确保安全。对识别出来的抗倾覆验算工况进行了整体抗倾覆验算。对单元件的应力、压屈稳定进行了分类和列表计算。1、 A1工况（共8个荷载组合子工况）下计算模型及应力、位移、支点反力图：A1-1工况计算模型：跨中受集中力96.48t，纵向冲击荷载20.52t，龙门自重通过设置重力加速度系数由程序自动统计，自重荷载58.63t。最大拉应力149Mpa，出现在天梁上弦杆，最大压应

19、力-154Mpa，出现在天梁下弦杆。受力节点处最大竖向位移2.4cm。最大支点反力42.8t，最小支点反力-10.7t，出现一侧平车脱空现象，龙门可能在该工况下倾覆，需要做抗倾覆验算。A1-2工况计算模型：龙门一侧受集中力96.48t，纵向冲击荷载20.52t，龙门自重通过设置重力加速度系数由程序自动统计，自重荷载58.63t。最大拉应力115Mpa，出现在天梁上弦杆，最大压应力-139Mpa，出现在内侧立柱上。受力节点处最大竖向位移1.1cm。最大支点反力57.4t，最小支点反力-22.4t，出现一侧平车脱空现象，龙门可能在该工况下倾覆，需要做抗倾覆验算。A1-3工况计算模型：龙门跨中受集中

20、力96.48t，横向冲击荷载11.425t，龙门自重通过设置重力加速度系数由程序自动统计，自重荷载58.63t。最大拉应力119Mpa，出现在天梁上弦杆，最大压应力-125Mpa，出现在天梁下弦杆。受力节点处最大竖向位移2.0cm。最大支点反力22.5t，最小支点反力6.4t。A1-4工况计算模型：龙门一侧受集中力96.48t，横向冲击荷载11.425t，龙门自重通过设置重力加速度系数由程序自动统计，自重荷载58.63t。最大拉应力124Mpa，出现在支腿转角处2N5杆件上，最大压应力-129Mpa，出现在梁柱连接处2N3杆件上。受力节点处最大竖向位移0.95cm。最大支点反力29.8t，最小

21、支点反力2.1t。A1-5工况计算模型：龙门跨中受集中力96.48t，纵向冲击荷载20.52t，龙门自重通过设置重力加速度系数由程序自动统计，自重荷载64.80t。最大拉应力151Mpa，出现在天梁上弦杆，最大压应力-157Mpa，出现在天梁下弦杆。受力节点处最大竖向位移2.5cm。最大支点反力44.5t，最小支点反力-10t，出现一侧平车脱空现象，龙门可能在该工况下倾覆，需要做抗倾覆验算。A1-6工况计算模型：龙门一侧受集中力96.48t，纵向冲击荷载20.52t，龙门自重通过设置重力加速度系数由程序自动统计，自重荷载64.80t。最大拉应力115Mpa，出现在天梁上弦杆，最大压应力-139

22、Mpa，出现在内侧立柱上。受力节点处最大竖向位移1.1cm。最大支点反力57.4t，最小支点反力-22.4t，出现一侧平车脱空现象，龙门可能在该工况下倾覆，需要做抗倾覆验算。A1-7工况计算模型：龙门跨中受集中力96.48t，横向冲击荷载11.425t，龙门自重通过设置重力加速度系数由程序自动统计，自重荷载64.80t。最大拉应力119Mpa，出现在天梁上弦杆，最大压应力-125Mpa，出现在天梁下弦杆。受力节点处最大竖向位移2.0cm。最大支点反力22.5t，最小支点反力6.4t。A1-8工况计算模型：龙门一侧受集中力96.48t，横向冲击荷载11.425t，龙门自重通过设置重力加速度系数由

23、程序自动统计，自重荷载64.8t。最大拉应力124Mpa，出现在支腿转角处2N5杆件上，最大压应力-129Mpa，出现在梁柱连接处2N3杆件上。受力节点处最大竖向位移0.95cm。最大支点反力29.9t，最小支点反力2.1t。A1组合中1、2、3、4子工况和5、6、7、8子工况集中荷载大小和位置分别对应，仅是按起升冲击系数0.95和1.05（应力幅变化±0.05）分别考虑后，对龙门自重荷载分别取低限（58.63t）和高限（64.8t）。由计算可知，龙门自重的±5%变化值对不同工况下的杆件内力值影响很小，其对比分析见下表：工况最大竖向位移最大拉应力最大压应力最大支反力最小支反

24、力A1-12.4cm149Mpa-154Mpa42.8t-10.7tA1-52.5cm151Mpa-157Mpa44.5t-10tA1-21.1cm115Mpa-139Mpa57.4t-22.4tA1-61.1cm115Mpa-139Mpa57.4t-22.4tA1-32.0cm119Mpa-125Mpa22.5t6.4tA1-72.0cm119Mpa-125Mpa22.5t6.4tA1-40.95cm124Mpa-129Mpa29.8t2.1tA1-80.95cm124Mpa-129Mpa29.9t2.1t根据对A1组合8个子工况的计算，龙门在跨中吊梁并纵向行走、龙门在一侧吊梁并纵向行走，以

25、及龙门横向移梁时各杆件的应力均小于许用应力。在不同工况下，出现应力最大值的单元分别为跨中上下弦杆、内侧立柱以及转角处斜腹杆，需要对以上位置的单元件进行压杆稳定验算，同时对螺栓连接强度进行验算。2、 A3、A4、B1、B3、B4等工况分析：A3、A4、B1、B3、B4工况组合的龙门自重荷载和集中荷载统计见下表。根据表中统计结果，以上各工况除开A4工况龙门恒载大于A1工况龙门恒载外（考虑了在不平整轨道上运行时龙门自重产生的竖向冲击荷载扩大系数），其余各工况的龙门恒载、起升集中力、纵向冲击荷载（组合风载）、横向冲击荷载等值均小于或等于A1工况中各项荷载，其故对其余A3、B1、B3、B4工况不予计算；

26、在A1荷载工况计算比较中，龙门自重恒载因为分布均匀，对单元杆件和支点反力的影响很小，故对A4工况也不进行验算。各类单元的最大应力取A1工况中不同子工况的最大应力进行强度和稳定性校核。工况龙门自重恒载起升集中力纵向冲击荷载（组合风载）横向冲击荷载A158.36t/64.8t96.48t20.52t11.425tA361.712t80.4t20.52t11.425tA470.97t80.4t20.52t11.425tB153.075t/58.65t87.84t18.68t+1.683t=20.363t10.39tB355.86t73.2t18.68t+1.683t=20.363t10.39tB46

27、4.24t72.45t18.68t+1.683t=20.363t10.39t3、 C2工况分析：龙门在非工作状态下，有非工作状态风荷载（验算风速15.5m/s）；换算为最大迎风面风荷载2.81t，作用于龙门跨中顶面，验算龙门的抗风稳定性。龙门的最大支点反力11.6t，最小支点反力1t，未出现支点负反力，故在非工作状态下，按照规范规定的验算风速（15.5m/s），龙门的抗风稳定性合格。需要注意的事情是，达到或超过6级（10m/s）以上大风时，龙门应该停止吊装作业，将其停靠在可靠位置，并在每个平车前后设置三角楔块将龙门固定，防止其在轨道上自由滑动。超过15.5m/s验算风速时，应设置缆风绳等可靠措

28、施。4、 龙门空载和跨中作用集中荷载情况下的挠度验算：为了方便本项目的龙门验收，特对龙门空载和龙门跨中作用40t、60t集中荷载情况下的挠度进行了计算（未考虑螺栓拼接缝隙对挠度的影响）。仅考虑龙门自重（50.2t）作用下的跨中挠度3.3mm。由于螺栓接缝的影响，实际检测中会大于该值，但不会对结构的受力造成影响。跨中作用40（60）吨集中力下（未考虑龙门自重），跨中计算挠度1.1（1.7）cm；该挠度为加载40（60）吨后龙门的挠度增量，考虑螺栓接缝的影响加载后会有部分非弹性变形，实测中不应大于该值的2倍；龙门在反复加载卸载40（60）吨后其弹性恢复值为1.1（1.7）cm。5、 一侧带荷行走时

29、支点反力与抗倾稳定性分析：根据现场实际，需要龙门带荷行走，起升荷载尽可能低（高度约2.5m）的在一侧起吊并延龙门轨道纵向行走。针对该实际情况，进行龙门的整体稳定性进行分析计算，偏于保守计算，起升荷载的纵向冲击力直接加载在龙门顶面，龙门自重的冲击荷载通过设置纵向加速度来模拟，其值由程序按照质量自动统计。本项目提升荷载36吨，活载行走冲击力+风荷载：P1=1.55×1.5×36×0.078=6.53t+1.53=8.06t，通过集中力加载在龙门天梁顶面吊点处；龙门本身行走冲击力P2=1.55×1.5×（50.2+3）×0.078=9.65

30、t，通过加速度由程序自动统计；龙门恒载G： 0.95×（50.2+3）=50.54t（偏于保守起见，龙门自重系数取小于1的值）；提升活载P：0.95×36=34.2t（偏于保守起见，活载系数取小于1的值）。运行状态支点反力计算，模型如下图：通过逐步解除模型中上拔支点，最终平衡状态的龙门支点反力如下图： 初始支点反力图。 解除一排上拔支点后支反力图。解除第二排上拔支点后支反力图。最终四个支点反力为：47.4t，8t；23.2，6t；无上拔力。故龙门能够在4点支撑的情况下保持稳定。但是该状况下运行前方的平车轮承受了较大压力，容易发生跳轨，建议运梁道路旁边的平车采用双轨平车，以降低压力，减少跳轨几率。按照力矩法对带荷行走的动态稳定性分析：龙门的倾覆方向和水平加载方向一致，建立倾覆力矩和稳定力矩公式：倾覆力矩P1×H1+P2×H2=8.06×16+9.65×9.5=220.635t，龙门整体重心H29.5m；抗倾覆弯矩P×3+G×3=34.2×3+50.54×3=254.22tm；龙门抗倾安全系数K=254.22tm/220.635tm=1.151.1，安全。6、 各工况单元杆件最大应力、压杆稳定及螺栓连接分析：各类