塔式起重机塔身标准节接头应力集中分析

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1、塔式起重机塔身标准节接头应力集中分析张!朋，王凯晖（北京建筑工程学院，北京!%"""22）!摘要"!对塔式起重机塔身标准节的连接方式进行了研究#分析了塔身标准节接头的受力特点#给出了计算实例#并对塔身标准节接头的设计$制造和使用提出了建议%!关键词"!塔式起重机&塔身标准节接头&应力集中!中图分类号"0W!%8$8!!!文献标识码"M!!!文章编号"%""%45526#!""#$%"4"%"74"88)%"##&*,&",)%$)-*,$,$/1#-#*0#)$,+$%+($#)J*-,)0*%)*E"%&%$,"ZW3-.TQ>?#A3-.bB<4C;

2、<3!塔式起重机的塔身标准节接头方式塔式起重机!以下简称塔机"的塔身标准节连接主要有销轴连接方式和螺栓连接方式#其中螺栓连接方式又分为横向受剪螺栓连接和纵向受拉高强度螺栓连接#后者在当今国内外生产的自升式塔机上得到广泛的应用%本文主要讨论纵向受拉高强度螺栓连接方式%图4!角钢拼方主弦杆加焊厚壁钢管接头这种连接方式得到广泛应用#原因是从制造加工和安装工艺上都比较方便#而且制造成本也不高%但是#自从这种连接方式在我国的塔机上出现后#也伴随着事故频频#严重的造成机毁人亡%其原因主要都是从接头与标准节主弦杆焊接处出现横向裂纹#图8图3!单角钢主弦杆加焊厚壁钢管接

3、头所示结构的裂纹已接近贯穿整个弦杆的横向截面#因此#有必要对这种接头方式进行深入的分析%采用接头方式的塔身标准节的主弦杆主要都是薄壁截面#如单角钢!图%"$双角钢拼方管4!塔身标准节接头的受力特点!图!"$圆管!图8"$方管!图2$图5"等#而!%"塔身标准节主弦杆受交变应力%接头的结构形式主要有两种#一种用厚壁圆管直对于上回转式塔机#由于吊臂旋转而塔身不转#接从!个侧面焊接到标准节主弦杆!如图%$图!!和图8"#另一种用锻造的专用接头#多出了一段!收稿日期"!""#E"8E"!变截面的尾部!如图2和图5"%!通讯地址"张朋，北京市西直门外展览馆路北京建

4、工学院!""#$%"!上半月刊"&!%"大小直接影响结构的疲劳寿命#图8所示裂纹就是疲劳裂纹$因此#在塔机设计时#应该对塔身标准节主弦杆接头进行疲劳强度计算$!!"横截面变化产生应力集中$接头与标准节连接处#主弦杆横截面的变化造成了应力集中$图%%图!和图8所示结构的截面突变#应力集中严重&图2所示结构由于尾部存在截面过渡变化#应力集中相对减小&图5所示结构尾部平滑过渡#应力集中相对最小$应力集中的大小一般用’理论应力系数(描述#其定义为应力集中处最大应力与按材料力学简化计)%*算的公称应力之比$实际上#应力集中在塔机这种焊接结构中是普遍存在的#每处焊缝

5、都存在应力图;!圆管主弦杆加焊厚壁钢管接头集中和焊接残余应力#但对塑性较好的低碳结构钢!接头处可见横向贯穿裂纹"来说#应力集中对静强度的影响是有限的#局部应力超过屈服限后会发生局部塑性变形#应力将重新分布#只要按材料力学简化计算的公称应力在标)!*准允许范围内#静强度问题并不严重$但是应力集中对塔机焊接结构疲劳强度有明显的影响#影响的大小#需要根据具体的结构细)8*节#查取相关资料或由实验确定$对于起重机#)!*应力集中可以使疲劳强度降低很多$!8"接头与标准节主弦杆受力方向不同$当标准节主弦杆承受拉力时#连接接头在连接螺栓的作用下承受压力#由于接头与标

6、准节主图=!方管主弦杆加焊短尾煅造接头弦杆受力方向不同#造成接头有压缩变形趋势#而标准节主弦杆有拉伸变形趋势$这种变形的不协调趋势造成二者连接面之间的应力严重不平均#连接处上部的应力要比下部大得多#这实际上也是一种应力集中现象$图%%图!和图8所示结构这种现象最为严重&图2所示结构增加了尾部#尽管这个尾部比较短#但它受拉力#与标准节主弦杆的受力变形方向一致#使这种现象得到一定改善&图5所示结构尾部很长#使接头整体在很大范围内与标准节主弦杆的受力变形方向一致#这种现象得到有效改善$;!实例分析图:!方管主弦杆加焊长尾煅造接头力学分析采用有限元方法#工具采用

7、3-&+&塔身承受着方向随时变化的弯曲载荷#标准节主有限元分析软件)2*#单元选用三维实体单元&L94弦杆承受的应力为典型的交变应力#交变应力的,125#网格划分采用/级精度的智能自由网格划&!%#!""#$%"!上半月刊"分#全部划分为四面体单元$标准节主弦杆上部表面施加约束#!个接头上的环型表面施加螺栓产生的面载荷#载荷的大小由弦杆的平均应力为%""JTB计算确定$经计算#图%所示结构的的应力云图见图/#主弦杆连接部最大应力为#75JTB#理论应力集中系数为#$75%图!所示结构的的应力云图见图7#主弦杆连接部最大应力为#27JTB#理论应力集中系数

8、为#$27%图8所示结构的的应力云图见图F#主弦杆连接部最大应力为%%2FJTB