千噸級桅桿起重機人字架結構設計

于志杰 李鵬舉 張 峰 劉 彬

山東豐匯設備技術有限公司

1 引言

隨著港口物流業務的不斷發展，重件碼頭大件吊裝作業持續增長，特別是海上風電設備裝卸作業，對桅桿起重機的需求不斷增加，港口固定用千噸級桅桿起重機應運而生。人字架結構作為千噸級桅桿起重機的重要承力構件，其后拉桿和前撐桿承受著數千噸以上的軸力，其結構的構造選擇和優化設計十分必要。

2 構件設計

人字架整體結構為人形，為適應臂架頭部的寬度和變幅要求，人字架上部窄下部寬，由頭部橫梁、后拉桿、前撐桿、連梁、支座和銷軸等組成(見圖1)。前撐桿、后拉桿上下兩段和連梁為箱形結構，后拉桿中段為多翼板箱形結構。

1.頭部橫梁 2.后拉桿上段 3.后拉桿中段 4.后拉桿下段 5.后拉桿連梁 6.后拉桿支座 7.前撐桿支座 8.前撐桿 9.前撐桿連梁圖1 人字架整體結構

3 節點設計

為便于人字架各部件高效拆裝和轉場運輸，前撐桿、后拉桿及其連梁采用分段設計，節點之間全部采用銷軸連接。

3.1 前撐桿節點

前撐桿節點采用剛性連接拉壓接頭，由構件、接頭、4個銷軸和2組連接件組成。構件承拉時，依靠4個銷軸和2組連接件承拉，上下接頭的拉力通過4個銷軸傳遞給2組連接件，此時4個銷軸受剪(見圖2)。

圖2 前撐桿節點 圖3 前撐桿連接

上下接頭為相同構造，接頭由4個翼板和2個腹板焊接而成。構件承壓時，依靠上下接頭的接觸面承壓，接觸面由4個翼板和2個腹板提供。

單組連接件由2片拉板和4個連接環焊接而成，銷軸、連接件與單個接頭連接示意圖見圖3。

前撐桿上部和頭部橫梁采用剛接點設計，雙銷軸八剪切面連接(見圖4)。

圖4 前撐桿和頭部橫梁連接 圖5 后拉桿構件

3.2 后拉桿節點

后拉桿中段采用多翼板拉桿結構，承拉板數量多，每個單板薄，焊接變形更小，結構緊湊，應力傳遞更好。拉桿結構為4個翼緣和2個腹板焊接而成，雙銷軸八剪切面剛性連接。

根據整體連接長度要求，選擇拉桿和銷軸的數量，各拉桿依次首尾相接。拉桿結構見圖5，節點連接見圖6。

圖6 后拉桿連接 圖7 連梁節點

3.3 連梁節點

連梁設置在前撐桿或后拉桿的轉折處，以抵消該處的水平載荷，前撐桿為主要受壓構件，為減小其弱軸方向的長細比，設置3處連梁；后拉桿設置2處連梁。連梁兩端采用雙銷軸與前撐桿或后拉桿連接(見圖7)。

3.4 鉸點設計

前撐桿與支座，后拉桿與支座，前撐桿與后拉桿的連接為鉸接結構，采用單銷軸四剪切面設計，見圖8。

圖8 鉸點設計

4 結構優化

人字架和臂架結構設計中，最大額定起重量對應的最大幅度工況為最危險工況，人字架和臂架協調受力，進而對人字架的高度和上鉸點位置進行優化[1]。在滿足人字架和臂架的強度、剛度和穩定性要求下，尋求人字架與臂架的重量之和最小。采用三角函數法求解結構軸力，計算中通常將臂架和變幅系統的質量折算到臂架頭部，作為總起升載荷的一部分[2]。人字架和臂架的受力簡圖見圖9，符號定義見表1。

表1 符號定義

表2 人字架和臂架結構幾何關系

前撐桿為壓彎構件(受壓為主)，后拉桿為拉彎構件(受拉為主)，由于彎矩相對較小，前撐桿和后拉桿更接近軸心受力構件；臂架為壓彎構件，根據等穩設計，使前撐桿、后拉桿和臂架的穩定應力接近各自的極限設計應力。

5 自重和風載荷的影響

除變幅系統傳遞給人字架的載荷以外，人字架還承受自重和風載荷的作用，通過內力圖分析兩類載荷對人字架各組成構件的影響。

5.1 自重作用下的內力

人字架在其自重作用下的內力圖見圖10，經計算可知，在后拉桿所在平面及前撐桿所在平面，其彎矩較小，可忽略；后拉桿和前撐桿底部軸力較大，但其應力不大；在變幅平面，其彎矩較大，是重要內力，不可忽略。

圖10 自重載荷作用下的內力圖

5.2 變幅平面內風載荷作用下的內力

變幅平面內風載荷作用下的內力圖見圖11。風向向前或向后，對前撐桿和后拉桿的內力計算是有影響的，應使風載荷產生的作用與自重作用相互疊加，即校核前撐桿時風向向后，校核后拉桿時風向向前。

圖11 變幅平面內風載荷作用下的內力圖(風向為向前)

5.3 整機側向風載荷作用下的內力

整機側向風載荷作用下的內力圖見圖12，后拉桿所在平面內和前撐桿所在平面內，其各自的下層連梁存在較大的彎矩和彎曲應力。

圖12 整機側向風載荷作用下的內力圖(風向為側向)

綜上可知，人字架自重在變幅平面內產生的彎矩較大，對前撐桿和后拉桿產生的應力也較大。一般情況下，風載荷對前撐桿和后拉桿的影響可忽略不計，但是前撐桿連梁和后拉桿連梁的橫截面較小，整機側向風載荷對前撐桿連梁和后拉桿連梁有較大影響，不可忽略。

校核中應注意計算位置、內力方向和內力疊加。軸力最大處在人字架下部，彎矩最大處在人字架中部和節點處。節點的約束情況會影響內力(軸力、剪力和彎矩)，應根據內力變化設計截面。危險截面一般發生在前撐桿和后拉桿中部，其中自重產生的彎曲強度應力為20～40 MPa。

6 結語

介紹千噸級桅桿起重機人字架的結構形式，闡述后拉桿和前撐桿的受力特點和結構拆分情況，闡述后拉桿和前撐桿的節點設計，給出其連接接頭的不同構造類型，并根據其承載受力情況提出優化方法，為此類人字架結構設計提供參考。