新《起重机设计规范》及结构的两种设计方法探讨

新《起重机设计规范》及结构的两种设计方法探讨

徐文涛

江苏省特种设备安全监督检验研究院镇江分院江苏镇江212003

摘要：本文就GB/T3811-2008≤起重机设计规范≥正式实施及结构的设计方法。体会并总结了“新规范”实施的突破点；分析和探讨了许用应力设计法和极限状况设计法两种结构设计方法，并对其进行了比较。诠释了“新规范”引入新的起重机设计理念的意义。

Abstract:Inthispaper,theGB/T3811-2008cranedesignspecificationwasofficiallyimplementedandstructuredesignmethod.Experiencesummedup"newstandard"implementationofthebreakthroughpoint;analysisanddiscussionoftheallowablestressdesignmethodandlimitstatedesignmethodoftwokindsofstructuredesignmethod,andhascarriedonthecomparison.Theinterpretationofthe"newrules"tointroduceanewdesignideasignificance.

主题词：起重机结构的设计方法；许用应力设计法和新引入的极限状况设计

法比较及意义

Subjectheadings:Cranestructuredesignmethod;allowablestressdesignmethodandlimitstatedesignmethodisintroducedcomparisonandsignificance.

GB/T3811-2008≤起重机设计规范≥（以下简称“新规范”）已于2009年6月1日正式实施。代替了已使用二十多年的GB3811-1983≤起重机设计规范≥（以下简称“原规范”）。较“原规范”其“新规范”在以下几个方面有所突破：

一、积极采用国际标准，与国际接轨

该标准坚持积极采用国际标准的原则，符合WTO/TBT协议中的要求，同时，对EN和FEM等国外先进标准适当采用，作为对采用ISO标准的补充，并在认真分析总结的基础上，合理保留了“原规范”的有关内容。

二、引进了新的起重机设计理念

该标准在起重机大类的划分上与ISO标准相一致，并列介绍了许用应力设计法和极限状况设计法两种方法；从防止出现脆性破坏进行材料分组选择；通过对结构件和机械零部件进行分级来更科学地进行疲劳强度验算；从对极限状态的分析来进行起重机承载能力的验算。

三、促进了起重机的技术进步

该标准明确和细化了设计载荷载荷组合，改变了静刚性大小与工作级别挂钩的方法，与国际一致，采用了静刚性大小由使用要求确定的方法。列入了采用变频等新的电控技术，为改进起重机设计、提高性能、节约钢材、降低能耗打下了基础。

四、体现了安全系统工程的理念

增加了安全一章的内容，系统规定了起重机设计的安全要求和应采取的安全措施，为提高起重机的安全可靠性，保证设备安全运行提供了基础条件。

“新规范”引进了新的起重机设计理念，较“原规范”增加了极限状况设计法，并列介绍了许用应力设计法和极限状况设计法两种方法。迄今为止，起重机设计均采用许用应力设计法，这种方法已使用了百多年，所设计的机器一般能够满足要求，但存在严重不足，方法已较落后。即所设计的起重机虽能保证安全但结构笨重很不经济。此法导致我国起重机与国外先进发达国家相比“粗、大、笨”，消耗了过多的材料和能源。

五、许用应力设计法这种传统方法至少存在以下两方面缺陷

许用应力设计法给人以不真实安全感。所谓许用应力设计法就是使计算件危险断面的计算应力小于允许许用应力，而许用应力等于材料的极限应力除以某凭经验选取的安全系数。如安全系数取1.5，则表明该计算件具有50%的安全裕度。然而这是不真实的，因为在许用应力设计法设计中都把计算应力和材料极限应力看着确定量，而实际上无任是应力还是材料强度都是随机变化的例如起重机的实际吊重不仅大小不定，力的作用方式和位置也是随机的。其它如动载荷、风载荷等也是如此。

传统的计算法把各种载荷的最不利情况予以组合，用以计算强

度，因此静强度计算用的载荷值都是偏大的，但不排除偏小的可能。因为有的尖峰载荷难以计及。至于用作疲劳计算的载荷，是取得偏大还是偏小很难说。在材料强度方面，由金属材料试件试验表明，同一牌号的材料，做成试件极限应力可能差别不小，服从某种统计分布规律。至于实际零件的疲劳极限，由于加工工艺和结构形状的不同，离散性就更大了。

综合以上随机因素，可以认为：传统的许用应力设计法即使有

大于1的安全系数，实际上也并非十分可靠的。

1.在许用应力设计法中的等强度和等寿命设计也不可靠。基于上面同样原因，按等强度原理设计的机构或零部件，在验算它的主要组成件可靠度时会发现同一机构或部件的不同零件，可靠度是不同的。如果这些零件是串联的，整个机构的可靠度将由最小可靠度的零件决定。因而在一般情况下是不尽合理的。

其实许用应力设计法最大缺陷就在于安全系数是由人为凭经

验而确定。所以各国在使用寿命上的不同取向及材料差异等因素选择不同安全系数产生起重机主梁及设备自重差异较大，而工程技术人员根据不同工况，选择不一样安全系数，可使校核计算的起重机通不过验算也可通过验算。

综上所述，“新规范”引进极限状况设计法在由传统设计法向

现代设计方法推进是很有必要的，也为向全概率极限状况设计法全面过渡奠定了基础。以概率论为基础的极限状况设计法已在我国≤钢结构设计规范≥和1998年版张质文、虞和廉编≤起重机设计手册≥推荐使用多年。

“新规范”并列介绍的许用应力设计法和极限状况设计法两种

方法都是起重机设计的基本方法，规范及释义作了详细介绍使用和比较。极限状况设计法其实就是以部分载荷对各种载荷在组合之前加以放大，并由屈服和弹性失稳条件所规定极限状态进行对比，每种载荷的部分载荷参数均以概率和载荷确定的精确度为依据，此法通常能得到更有效的设计，主要用于金属结构设计，特别是当结构在外载荷作用下产生很大变形，内力与载荷呈现非线性关系时应采用此法。

“新规范”在第一章总则中规定对金属结构承载能力计算采用许用应力设计法和极限状况设计法两种方法，指出两种方法基`无大区别，其计算值差异几乎可以忽略不计。在相同设计参数前提下，计算表明依约束条件许用应力设计法设计较经济，极限状况设计法较安全。

近年来，国际上现代设计理论和现代设计方法应运而生，并越来越受到重视，“新规范”此次引入极限状况设计法，并介绍了几种现代设计方法必定会加快我国起重机设计进入现代设计阶段，提高我国起重机竞争能力，赶超国际先进水平。当前行业大多企业仍旧使用大起、上起、北起所等设计的系列图纸，大多是引进消化吸收前苏联等国基础上改进产物，安全系数较大，结构“粗、大、笨”，几十年未变。希望尽早有按现代设计方法设计的系列图纸投入使用。

本人在监检和现场检测工作中对非标和A6级以上起重设备，在需制造单位提供设计计算书时发现多是按许用应力设计法校核的，安全系数和载荷系数选择很多不规范，当前应已“新规范”为依据。本人要加深学习“新规范”，提升专业能力，更好地服务企业。

以上是本人的一点体会，与同行们共享，不妥之处请指正。

参考文献

[1]张质文、虞和廉．起重机设计手册．北京．中国铁道出版社．1998.

[2]GB3811-1983≤起重机设计规范≥.

[3]GB/T3811-2008≤起重机设计规范≥.

[4]GB/T3811-2008≤起重机设计规范≥释义与应用.