作者:郝建国,王建华,王建华,工业建筑INDUSTRIAL

技术文章

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基于钢轨焊缝极限状态设计的技术文章,下面对钢轨焊缝的疲劳设计过程进行说明。 本文特别详细地阐述了考虑偏心轮荷载为轨头宽度的1/4的影响。

作用

通常只需要对起重机支座结构中受垂直吊车荷载影响的部分进行疲劳评估( [2] ,第9.1(3)节)。 该规范中的附加说明指出,由横向吊车荷载引起的应力变化通常可以忽略不计。 但是在连接设计或更多的多重加减速和制动作用时要考虑这些因素。 因此只计算车轮的竖向荷载,并根据[3]的 2.12.1(7)节中的相应动力系数进行修改。

修改垂直车轮荷载的动态影响因子:
φ脂肪,1 =(1+φ1)/ 2
φ脂肪,2 =(1+φ2)/ 2

车轮荷载引起的应力

与极限状态相反,应力是指在疲劳设计中焊缝的弯角。 必须考虑车轮荷载引起的应力σ以及由剪力引起的局部剪力和全局剪应力,请参考[4] ,第5(6)节。

图片 01 - Weld Stresses in Fatigue Design

根据文献[2],焊接的疲劳设计应考虑偏心轮荷载(钢轨宽度的1/4),该荷载来自S3的吊车损伤等级([2],第9.3.3(1)节)。 因此,如果吊车跑道上的吊车的损坏等级≥S3,则必须在上翼缘上确定由轮荷载引起的局部应力,包括偏心轮荷载引起的分力。 在[1]中显示了一个简单的工程模型,用于确定增加的车轮荷载。

图片 02 - Increased Wheel Load in Case of Eccentric Wheel Load Application

在计算剪应力时,局部剪应力可以由车轮荷载引起的垂直应力的20%来确定,参见[2],第5.7.2节(1)。 此外,应考虑由起重机通道ΔV的剪力差引起的整体剪应力。

图片 03 - Stress Calculation in Weld

在计算车轮荷载应力和确定截面特性时,按照[2]的第5.6.2(3)节的规定将磨损的起重机轨道的高度设置为12.5%。 有效荷载作用长度的计算方法与极限状态设计中的计算方法相同。

疲劳极限状态设计

疲劳设计是根据结构分析得出的应力范围谱进行的。 应力范围是由全局应力得出的:
Δσ=σ最大 - σ分钟
Δτ=τ最大值 - τ分钟

对于局部应力,应力范围是相应的最大值,最小值是0。

损伤等效应力范围

任务是将具有相同损伤的多级应力谱转换为单层谱,并确定与2⋅10 6应力循环相关的损伤等效应力范围。

图片 04 - Multi-Level Stress Spectrum

使用规范化的S-N曲线(纵向应力的斜率m = 3,剪应力的斜率m = 5)和最大工作循环次数根据起重机损坏类别按照[2.1]表2.11进行计算,公式如下:可以得出。

计算损伤等效应力范围:
$$\begin{array}{l}{\mathrm\sigma}_{\mathrm E,2}\;=\;\lbrack\frac1{2\;\cdot\;10^6}\;\cdot\;\mathrm\Sigma(\mathrm{Δσ}_\mathrm i^\mathrm m\;\cdot\;{\mathrm n}_\mathrm i)\rbrack^{1/\mathrm m}\\{\mathrm\tau}_{\mathrm E,2}\;=\;\lbrack\frac{\displaystyle1}{\displaystyle2\;\cdot\;10^6}\;\cdot\;\mathrm\Sigma(\mathrm{Δτ}_\mathrm i^\mathrm m\;\cdot\;{\mathrm n}_\mathrm i)\rbrack^{1/\mathrm m}\end{array}$$

使用所选的S-N曲线的图形表示如下:

图片 05 - Damage Equivalent Stress Range Within Used S-N Curve

现在,使用设计结构细节,焊缝和相关凹口类别(ΔσcΔτC),可以执行最终的设计。 结构详细信息见[4],表8.1-8.10。特别是表8.10中详细列出了吊车梁。

分项系数取决于计划的检查间隔和NA/表NA.3中表[4]的结果: NA.3:
$$\begin{array}{l}\frac{{\mathrm\gamma}_\mathrm{Ff}\;\cdot\;{\mathrm{Δσ}}_{\mathrm E,2}}{\displaystyle\frac{{\mathrm{Δσ}}_\mathrm c}{{\mathrm\gamma}_\mathrm{Mf}}}\;<\;1,00\\\frac{{\mathrm\gamma}_\mathrm{Ff}\;\cdot\;{\mathrm{Δτ}}_{\mathrm E,2}}{\displaystyle\frac{{\mathrm{Δτ}}_\mathrm c}{{\mathrm\gamma}_\mathrm{Mf}}}\;<\;1,00\end{array}$$

根据文献[4]的第5(6)节,在焊接设计中不进行交互作用。

参考

[1]  Seeßelberg,C .: Kranbahnen: 欧洲规范Bemessung and konstruktive Gestaltung 5。 版本。 Berlin: Bauwerk,2016年
[2]  欧洲规范3: 钢结构设计-第6部分: 起重机支座结构; EN 1993‑6
[3]  欧洲规范1: 结构上的作用-第3部分 起重机和机械引起的作用; EN 1991‑3:2006
[4] 欧洲规范3: 钢结构设计第1-9部分: 疲劳EN 1993‑1‑9:2005 + AC:2009

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