构件连接接头设计

【摘要】起重机的构件连接接头形式对构件的疲劳强度有很大影响。构件连接接头的抗疲劳能力，取决于构件的工作级别、材料种类、应力变化情况及构件连接的应力集中等级。合理布置构件连接接头可有效提高构件的抗疲劳强度。本文以龙门起重机拉杆铰座的连接接头为例进行焊缝疲劳强度计算。通过改善焊缝连接接头形式，降低了其应力集中等级，有效提高了连接接头的抗疲劳能力。

【关键词】起重机；连接接头；应力集中；疲劳强度

本文以额定起重量35吨，跨度55米，有效悬臂12米，H型龙门起重机为例。该起重机采用双侧刚性支腿布置形式，通过在门架主梁与马鞍横梁间设置铰接拉杆，提高了起重机门架的整体强度、刚度、稳定性。起重机门架设计力求结构简单、受力明确、传力直接、尽量降低应力集中的影响，并达到制造简单、检查方便、运输安装容易的目的。

以往设计拉杆铰座，常采用将铰座耳板直接伸入钢箱形梁内，与钢箱形梁内隔板进行对接焊接，或搭接焊接。大截面钢箱形梁，由于人员可以进入到内部施工和检查，施工容易；但小截面钢箱形梁由于人员无法进入，只好将钢箱形先制作三面，然后将铰座耳板伸入钢箱形梁内焊接，最后将钢箱形梁腹板或翼缘分段拼接焊接，并用加强板补强，此方法工艺复杂，制造难度大。

为降低起重机门架的制作难度，马鞍与拉杆连接铰座耳板拟采用对接焊缝焊于马鞍横梁上。现对此连接接头焊缝进行设计、分析、计算。

十字焊缝连接接头设计： 铰座耳板与马鞍横梁腹板采用V形坡口对接焊缝连接，对应隔板与马鞍横梁腹板亦采用V形坡口对接焊缝连接，组成十字焊缝。（如图二）

参数：整机工作级别：A6，结构件应力状态级别：S3，使用等级：B6，结构件工作级别：E6，钢板材质：Q345-B， F=600KN，θ=16°，e=400mm， h=130mm。

分析：铰座耳板与马鞍横梁腹板由矩形竖直焊缝连接，拉力F可分解为水平拉力N拉，竖直剪力V剪，及弯矩M。拉力、剪力及弯矩由此竖直焊缝全部承担。

计算：设剪应力和拉应力平均分布，最大弯矩出现在a点、b点且相等。

查起重机设计规范（GB3811-2008）附录O，通过表O.1确定焊接质量为普通质量（O.Q）；通过表O.2确定构件接头型式的标号为3.5，应力集中情况等级为K3。查表33，连接拉伸和压缩疲劳许用应力。，不满足设计要求。

十字焊缝加水平焊缝连接接头设计： 铰座耳板与马鞍横梁腹板采用V形坡口对接焊缝，对应隔板与马鞍横梁腹板采用V形坡口对接焊缝连接，铰座耳板与外伸的马鞍横梁翼缘板采用V形坡口对接焊缝。组成十字焊缝加水平焊缝（如图三）

分析：铰座耳板与马鞍横梁连接由水平焊缝和竖直焊缝组成，因为翼板的竖直刚度较差，不能承担剪力、弯矩，所以可以假定剪力全部由马鞍腹板对应的的竖直焊缝承受。铰座耳板与马鞍横梁翼板假设为一整体，弯矩由竖直焊缝所在平面的竖直矩形截面和翼板对应的矩形截面组成的工字形截面承担。

计算：先计算焊缝的形心，焊缝所受的弯矩，然后求出焊缝惯性矩。

分析：由于以上计算是建立在铰座耳板与马鞍横梁翼板为一整体的假设基础上的，现对这一水平焊缝进行验算。如这一水平焊缝能承受水平拉应力N拉作用力，才可保证以上假设条件是成立的。

计算：

查起重机设计规范（GB3811-2008）附录O，通过表O.1确定焊接质量为普通质量（O.Q）；通过表O.2确定构件接头型式的标号为0.51，应力集中情况等级为K0。查表33，连接拉伸和压缩疲劳许用应力。

，满足设计要求。

结束语

本文以龙门起重机拉杆铰座焊接接头设计为例，通过对十字焊缝增加水平焊缝的方法有效降改善了焊缝接头应力集中问题，大幅提高了构件连接接头的抗疲劳能力。希望对钢结构设计人员在连接接头形式选择时提供一种参考。

参考文献

[1]机械设计手册.第1卷/成大先主编.-5版化学工业出版社，2007.11

[2]张质文等主编.起重机设计手册.中国铁道出版社，1998.3

[3]起重机设计规范GB/T3811-2008.中国标准出版社，2008.10

[4]焊接手册 第三卷.中国机械工程学会焊接学会编.机械工业出版社2008.1

作者简介

齐跃（1982-）男，汉族，辽宁丹东人，工程师，主要从事起重机设计工作

吕鑫（1980-）男，汉族，辽宁丹东人，工程师，主要从事水工金属结构制作安装工作