焊接抗变形结构设计案例

焊接抗变形结构设计案例整理

一、通用桥式起重机的焊接结构设计

通用桥式起重机的焊接结构分为桁架结构和薄壁箱形结构两大类。

桁架式桥式起直机前结构具有自重轻、刚度大的优点，尤其在小起重景、大跨度的情况

下这种优越性更加显著，但是与薄壁箱形结构相比，桁架结构创造工时多，外形尺寸大，疲

劳强度低，因此目前桁架结构的桥式起重机很少生产。

薄壁箱形桥式起重机的结构是目前国内外广泛采用的结构型式，它具有制造工艺简单、

工时少、通用性强、便于机构安装检修等一系列优点。箱形桥式起重机主梁有许多种不同的

结构方案（图1-1）:中轨箱形梁，偏轨箱形梁、偏轨空腹箱形梁、半偏轨箱形梁、单主梁等。

中轨箱形桥式起重机结构（图1-la）是由两根箱形主梁和两根端梁组成。主梁外侧设置走

台用来安放机电设备和行人。主梁与端梁刚性地连接在一起。小车轨道置放在箱形梁的上翼

缘板的中心线上。在梁内没置长、短横隔板与上翼缘板顶紧以支承着轨道。这种结构型式主

要用于5~80t中、小起重量桥式起重机系列产品中。

t)

d)

图1-1箱形主梁结构

a）中轨箱型梁b）偏轨箱型梁c）偏轨空腹箱型梁

d）半偏轨箱型梁e）单轨梁

箱形梁的翼缘板和腹板的连接焊缝称为翼缘焊缝。上翼缘焊缝通常两面施焊（1-2）或单面

施焊;下翼缘焊缝是从外侧单面施焊，均为连续焊缝。翼缘焊缝受有剪应力和弯曲正应力。

当采用自动焊接或有K型坡口的手工焊，且爆缝厚度hf20.5S时，则焊缝与腹板为等强度

的。当采用自动焊但未焊透，或采用未开坡口的角焊缝手工焊时，均按角焊缝计算，若焊缝

厚度hf20.78时，焊缝与腹板为等强度的。翼缘焊缝的厚度一般不小于6mm0

图1-2箱型梁翼缘焊缝

由于起重机小车轨道置于箱形梁中间，因此小车轮压通过轨道传给上翼缘板，使其局部

弯曲（图1-3）,从而产生附加的局部弯曲应力。上翼缘板在腹板和横隔板之间呈现双向弯曲

状态，所以翼缘板的附加应力有纵向的也有横向的，其谊约为总看曲应力的（3~仍），其精

确值可按板壳理论进行计算，计算时假定腹板和横隔板对翼缘板的支承情况基本相同，所以

上翼缘板可按四边简支的更形板计算。此外必要时应验算横隔板与翼缘板之间的承压强度。

箱形梁具有较大的水平刚度和抗扭刚度，•般不需要计算整体稳定性，但对跨度较大

的箱形梁，且当腹板间距bV'-/（/一一跨度）时，应验算梁的整体稳定性。

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箱形梁结构为薄壁结构，尤其是腹板很薄，腹板高度与其厚度之比往往在200以上，因

此必需用加劲杆（板）增强腹板刚度，防止局部失稳，也可把薄板压制成波纹状（图1--4）来保

证腹板的局部稳定性。通常较高的箱形梁主要用加劲杆来加强腹板。加劲杆应合理地布置。

从工艺上考虑加劲杆过多的设置是不利的，它既费工时.又易引起焊接变形：加劲杆过少，

则需增加板厚，从而结构重最增加。因此必需权衡利弊，合理地设置加劲杆，做到既经济、

重最轻，又要工艺性好。腹板的加劲杆有下述几种（见图1-3）:

图1-3中轨箱型梁

1一一横加劲杆2——纵向加劲杆3——短加劲杆

图1-4波纹状腹板

1）沿腹板全高设置的横加劲杆；

2）在腹板受压区设置纵向加劲杆；

3）在腹板受压区设置短加劲杆，并与上翼缘板顶紧。短加劲杆实际.上也作为轨道的支承,

其间距往往由轨道弯曲强度决定。

根据腹板的受力状态，合理地设置各种加劲杆，并确定其问距，以保证腹板的局部稳定

性。由起重机设计规范，根据腹板的高厚比来确定加劲杆的设置方案及其间距。对于较高的

箱形梁，由于制造工艺要求，在腹板受拉区应设置工艺加劲杆，以阻止腹板的波浪变形。加

劲杆自身必需具有足够的刚度才能有效地保持板的局部稳定性。

横向加劲杆与受压上翼缘板磨平顶紧焊牢，但它与受拉下翼缘板不焊接，应留有3rmm

的间隙（图l-5a）,以防止疲劳破坏。若要增大梁的抗扭刚度时，在加劲杆与受拉翼缘板之间

用垫板连接，再用塞焊连接（图l-5b）,但这种连接易引起疲劳裂纹。横加幼杆的焊缝与相互

平行的腹板或翼缘板的拼接焊缝应错开，至少200mm以上。

当受压上翼缘板较宽时，应设置一道或多道纵向加劲杆，保证其局部稳定性。通常由翼

缘板的宽厚比来确定。

偏轨箱形梁桥架结构圈1-lb）的特点是翼缘板加宽了，轨道置放在主腹板的顶上，箱形

梁内的短加劲杆可以省掉，为支承轨道，在主腹板外侧有时需设置小三角筋板与上翼缘板相

连接。在大起重量的起重巩中，翼缘极有足够的宽度供人行走，省掉了走台，并可将运行机

构和电气设备布置在箱形梁内，防尘较好，制造简化。通常宽翼缘偏轨箱形梁的高、宽比为

H

—=1.0~1.2o设计时应考虑到梁内行人以及安放机电设备的要求。偏轨箱形梁的静刚度和动

刚度均较大。由于小车轨道安置在主腹板顶上，主梁在垂直平面内受到小车轮压的偏心作

用荷载，使主梁受到弯曲和扭转联合作用。主腹板板厚度较大，而副腹板不直接承受轮压，

其厚度较薄。在验算主腹板局部稳定性时，应考虑到轮E产生的局部压应力。上翼缘板不会

由于轮压产生局部弯曲，因此上、下翼缘板取相同的厚度。

图1-5横向加劲杆与上、下翼缘板的连接

a）与下翼缘板不连接b）与下翼缘通过垫板用塞焊连接

在设计时还应考虑到宽翼缘偏轨箱形梁的翼缘板中发生较大的约束弯曲应力，以及约束

扭转应力。约束弯由引起的附加正应力约为自由弯曲正应力的10%,约束扭转引起的附加正

应力一般不超过自由弯曲正应力的5%,约束扭转引起的附加剪应力很小可略去不计。

在大起重量宽翼缘偏轨箱形梁中，横隔板可做成横用架结构（图1-6）。框架具有足够大

的刚度，以保证主梁横截面周边不变形，并有足够的抗扭刚度。横框架与主梁上翼缘板及主

副腹板焊接相连，与受拉下翼缘板不焊接，而是做成独立的工字形断面，以防止疲劳破坏。

框架用槽钢做成，也可用板镶边而成。框架开孔的圆弧半径一般为一一开孔高度），

镶边宽度取为（10~15）61,81为镶边板的厚度。在腹板（或翼缘板）一侧框架的计算宽度取为

206（6为腹板或翼缘板的厚度）。横框架为弹性支承的，为简化计算可作为静定框架处理。

图1-6横框架结构

在大起重量的偏轨箱形梁中，轨道下面设有异形T字钢（图1-7）与上翼缘板及腹板对接

连接。T字钢的厚度比翼缘板及腹板厚。对于不同厚度的板的对接接头应尽可能圆滑地过

渡，避免焊健应力集中.图1①中示出了二种对接接头，其中以a为最好，但给制造带来麻

烦，因为这样横隔板的周边不平整；图中c仍有较大的应力集中，但横隔板周边平整，易于

下料，工艺性好。由于在轨道下采用异形T字钢，避开了小车轮压直接作用在翼缘板和腹板

的连接焊缝上，从而减小了焊缝的所应力。

偏轨空腹箱形梁（图1-9）是在偏轨箱形梁的基础上改进而成的。在梁的副腹板上开设许

多跟边的矩形孔，减轻了梁的自重，使梁内通风散热，改善了梁内施焊的条件，便于在梁内

装修机电设备。副腹板上的开孔高度约为腹板的一半高度。孔口镶有边，其宽度应大于，'（3

号钢）或（16钵钢），为孔的长度。镶边宽度与其厚度之比不宜大于3：1,孔角圆弧半径一

般取为200~300mm,副腹板不必再用纵向加劲杆加强。

图1-7轨道下的异形T形钢

图1-8不同板厚的板的对•接接头

图1-9偏轨空腹箱型梁

副腹板孔口的大小和镶边截面尺寸对梁的弯心位置有较大的影响。当孔口较小并有刚强

的镶边，则孔口区段与封闭的区段并无多大差别。孔口高度大，则显著地降低梁的抗扭能力,

弯心可能在梁的截面以外，所以孔口高度不宜过大。调整孔口尺寸和镶边尺寸可改变梁的弯

心位置.。最好便弯心尽量靠近或正好在主腹板上，从而消除扭矩作用，由此设计出的梁较轻。

当弯心不在主腹板中心线上时，由约束扭转产生的附加正应力并不大，但产生较大的剪应力。

近年来在国外生产一种所谓半偏轨箱形梁（图1-ld）。小车轨道安放在主腹板与主梁中心

线之间，通常轨道离主梁中心线"（6为翼缘板宽度），称-偏轨。这种箱形梁仍为窄翼缘的，

外侧设置走台。它比偏轨箱形梁承受的扭转要小，减小了上翼缘板与主度板连接焊缝处的局

部压应力，省掉主腹板外侧与上翼绝板连接的小三角板，有可能省掉梁内短加劲板，改善了

焊接工艺，减小