Staad.pro软件在门式启闭机回转吊配重计算中的应用

李晔

(华电郑州机械设计研究院有限公司，河南 郑州 450015)

0 引言

在以往的工程设计中，对于带回转吊和有跨外工况的门机，一般要求必须进行抗倾覆稳定性校核。在计算过程中，往往以门机整体来验算倾覆力矩，即在最不利荷载组合工况下，要求包括门机自重在内的各项荷载对倾覆边力矩之和大于或等于零(∑M≥0)，以保证门机的整体稳定性。而对于带有长回转臂、大起升力回转吊的门机，在最不利荷载工况下，往往不能达到∑M≥0，一般是通过增加配重块来平衡不利倾覆力矩，使之达到平衡。但值得注意的是，将按照∑M≥0条件计算得出的配重合理分配到倾覆侧的2个支门腿上，是手工计算不易实现的。一旦重量分配不合理，就会出现虽然∑M≥0条件满足，但在极限荷载作用下某个门腿处车轮抬起离开地面的情况，这是不允许的。

1 门机的计算模型及说明

Staad.pro软件是工程领域常用的结构设计与分析软件，具有很强的处理空间模型的能力，其计算模型的建立有多种方式。本文讨论的QM2×800/250 kN门机为运行于洪渡河某电站的单向门机，主起升机构额定启闭力为2×800kN，回转起升机构额定起闭力为250kN。回转起升机构位于下游右侧门腿旁，臂长14 m，门机轨距为6.0 m，基距为8.0 m，回转平台下梁悬臂长2.2 m，回转吊工作范围为180°。对于该类门机，可以直接在软件栅格系统中建立模型，亦可以由CAD生成dxf文件后导入。另外，软件中还有结构向导、Excel生成节点数据表等多种灵活多变的建模方式。本文不再赘述建模过?程，仅对该门机的模型数据稍作说明。

计算不是为了获得准确的应力结果，仅仅是为了求得在某个荷载工况下结构的支脚反力，是从结构整体来考虑的，这一点也符合进行空间结构分析时从整体到局部的一般规律;另外，程序中对变截面形状和有隔膜箱型梁的建模较繁琐，所以在保证构件重力分布和截面形状相对准确的前提下，对门架构件的截面进行适当简化，全部利用梁单元建模。软件最终计算门架总质量为72.50 t，与实际门架总质量70.15 t相比，误差为+3.34%，满足精度要求，计算结果见表1。

门架构件最终模型如图1所示。

2 基本荷载

2.1 自重

自重包括结构、机械设备、电气设备的自重和压重等。在软件上施加重力有2种方式:

(1)软件根据模型自动生成构件的自重。

(2)用均布荷载模拟压重。

自重基本数据包括:

(1)门架。70.15 ×9.8=688(kN)，软件根据截面数据生成。

(2)机房和内部电气设备。11.2×9.8=110(kN)，按均布荷载施加于门架上部结构，折算为110 ÷31.8=3.46(kN/m)。

(3)回转吊。吊具:7 kN，按集中力施加于吊点;回转吊架:共313kN，其中回转机构平台和上面的起升机构总自重为220kN，按均布荷载施加到平台处，其余的臂架拉杆等按截面自动生成。

(4)主起升机构。29.9 ×9.8=293(kN)，均分到底座4个脚的支撑处。

表1 门架构件实际截面尺寸与模型中施加截面尺寸的对比

图1 门架构件模型

(5)大车运行机构。30.4 ×9.8=297.92(kN)，均分到4个门腿底部。

(6)抓梁。总自重为120 kN，每个门腿底部施加30 kN。

2.2 起升荷载

(1)主起升起吊额定荷载。2×800 kN，施加于主起升机构底座4个脚的支撑处。

(2)回转吊起升额定荷载。250 kN(暂不考虑动载和试验系数)，施加于吊点处。

2.3 水平荷载

走行惯性力:取机架质量和走行加速度乘积的1.5倍。根据行走运行速度v=20.5 m/s，查得加速度推荐值为0.16 m/s2，则走行惯性力=机架质量×1.5×0.16，水平行走方向，按最不利方向加载。

2.4 风荷载

工作状态风荷载为

非工作状态风荷载(暴风)为

式中:C为风力系数，C=1.3;Kh为高度变化系数，工作状态下Kh=1.00(工作状态下计算风压不考虑高度变化)，非工作状态下Kh=1.32(暂不考虑水面位置);p为计算风压，按技术协议要求，工作状态下计算风压p=150 N/m2，非工作状态下计算风压p=800 N/m2;A为门机迎风面积，A=107 m2。风荷载按均布荷载施加于门架梁上。

2.5 荷载组合

DL/T 5167—2002《启闭机设计规范》设置了10余种荷载组合工况，本文仅列出以下4组最不利荷载的组合工况。

(1)工况1。自重1821 kN+回转吊起升荷载250 kN+工作状态的风荷载20.8 kN(吊点位于上游侧顺轨方向)。

(2)工况2。自重1821 kN+回转吊起升荷载250 kN+工作状态的风荷载20.8 kN(吊点位于跨外，垂直于大车轨道方向)。

(3)工况3。自重1821 kN+回转吊起升荷载250 kN+工作状态的风荷载20.8 kN(吊点位于跨外，与大车轨道方向呈45°夹角)。

(4)工况4。自重1821kN+非工作状态的风荷载149.6 kN。

3 计算结果与分析

对上述4种组合作用荷载进行计算，通过软件可以求得各工况的支脚反力情况(如图2～图5所示)。图中框格中显示的是每个支脚的约束情况，即每个方框代表1处反力，每处反力都包括3个位移自由度(x，y，z)和 3 个转动自由度(Mx，My，Mz)，其中y向位移约束的反力情况正是分析中需关注的。

下面对该4组反力结果的数值进行分析:

(1)工况1。该工况下，下游侧左门腿反力出现了负值－267.533 kN，即约束对结构有－y方向数值为267.533 kN的力，说明需要向下的拉力才能保持门架整体的平衡，若没有足够竖向约束力就会出现门腿上翘的现象。而门机大车行走轮和轨道的结合处是无法提供拉力的，因此需在此处施加相应的配重才能保证结构平衡。

(2)工况2:该工况下，门架轮压力最小处出现在上游右侧门腿处，但其数值为32.384 kN，说明支脚约束对结构有+y方向的支撑力，该力较小，但实际中亦需引起重视。

图2 工况1支脚反力情况

图3 工况2支脚反力情况

(3)工况3。该工况下，下游侧左门腿支脚反力出现了负值－12.905kN，需约束提供－y方向的力才能使结构平衡，需由配重来代替支脚－y向的约束力。

(4)工况4。该工况下，吊臂收回，在暴风工况下(侧向来风的风压为800 N/mm2)，反力值正常。

上述计算结果说明，因为回转吊吊臂很长，250 kN的起升荷载对其作用面内的门腿影响很大，故下游左侧门腿处需增加较大配重才能使结构平衡。而当吊点垂直于大车轨道方向时，由于行走侧面的上横梁、中横梁和行走梁连接面内刚性较大，使左侧门腿分担了一部分不利影响，所需配重并不是太大。

最大轮压为下游右侧门腿处，数值为1681.889 kN，与手工计算结果吻合。

图4 工况3支脚反力情况

图5 工况4支脚反力情况

4 结束语

实际门机配重时参考以上计算，解决了配重不平衡的问题，效果良好。上述问题的探讨说明，当手工计算不能很好地把握门架配重时，用结构分析和计算软件(如Staad.pro)对门架整体进行分析，通过考察支脚反力的情况酌情施加配重，是具有可行性的，也为我们在工程设计中准确设置配重提供了一条可靠的途径。

［1］GB 50017—2003，钢结构设计规范［S］.

［2］DL/T 5167—2002，启闭机设计规范［S］.