浅谈板式吊耳应力计算及校核

浅谈板式吊耳应力计算及校核

郭剑

同济大学 上海 200000

摘 要：根据规范对某钢梁吊装的板式吊耳进行设计，结合实际情况，采用了简化有限元分析法建模计算。对不同的结果分析,比较各个的差异，指出计算的特点与不足，最后提出板式吊耳的设计建议。

关键词：吊耳计算 拉曼公式 有限元分析

吊耳在钢结构制作安装过程中有着广泛的应用，其局部的强度直接影响到连接的安全，对吊装的顺利完成起关键作用。常用的吊耳形式分为板式与管轴式，其中板式吊耳运用的更广泛。但目前现行的规范上对于板式吊耳没有明确的设计参数，容易产生安全隐患。本文通过结合实例，对板式吊耳常用的计算方法进行总结分析，为类似板式吊耳设计提供参考。

1. 案例概况

某钢结构桥梁跨度为54米，吊装总重量为171吨。根据钢梁的结构形式确定使用4点吊装，吊耳设置在钢梁1/3处，材质为Q345B。卸扣采用85t级，其销轴直径为85mm。吊耳尺寸及钢丝绳、销轴、吊耳的相对关系如图1～图5所示。

图1 吊耳正视图 图2吊耳侧视图 图3吊耳俯视图

图4吊装正视图 图5 吊装时销轴与吊耳关系

2. 经 验公式计算

首先根据《钢结构设计规范》，对吊耳的截面与局部承压应力进行强度校核，如图6所示，a-b截面为抗拉主控，c-d截面为抗剪主控。参照《石油化工大型设备吊装工程规范》，取动载系数为1.4。

计

图6 吊耳不利处示意图

算过程如下：（总拉力P=690KN，吊耳板 ，补强板 ，耳孔半径r=60mm，吊耳半径R₁=200mm，补强板半径R₂=140mm）：

a -b截面:

解得 33MPa , =265MPa，满足要求。

_c-d截面:

解

图7 吊耳承压示意图

得 65MPa， =155MPa，满足要求。

吊耳的承压应力出现在销轴与吊耳接触面上，如图7所示，则：

，d为销轴的直径；解得 =107MPa， =1.4 =371MPa，满足要求。

从结果可知，最不利为c-d截面抗剪，应力比为0.42。虽然所有应力都满足要求，但笔者认为经验公式只是规范上螺栓校核公式的衍生，有两点未考虑：

1、理论上吊耳和销轴是通过面接触来传递荷载的，但实际上吊耳受载后接触部位产生了局部的塑性变形从而形成了较小的接触面，使得局部应力很大，远离接触面的应力会急剧下降，应力分布图应如图8所示。并且荷载越大，塑性变形越大，局部应力集中越明显。

2、公式只计算了局部承压应力，未考虑局吊耳的局部抗拉应力。实际情况下吊耳与销轴接触面部分受力十分复杂，处于三向应力作用状态。并且有些吊耳加工精度差，耳孔内表面存在缺陷，在局部抗拉应力作用下会形成局部撕裂并且在剪应力的作用下加剧这个过程，造成吊耳失效，如图8～9所示。

图8 吊耳应力分布示意图 图9 吊耳失效形式示意图

3. 拉曼公式

在其他行业很多采用拉曼公式对吊耳的局部紧接承压应力和孔壁抗拉应力进行校核。现参考《水利水电工程钢闸门设计规范（DL/T 5039-1995）》的附录K：“吊耳与吊杆的计算”，拉曼公式表达如下：

（1）局部紧接承压应力: ;

（2）孔壁抗拉应力: 。

其中 、 在此工程中分别为110MPa、180MPa。

经过计算 76MPa ， 110MPa。

由上可知最大应力比为76/110=0.7，大于由经验公式得出的应力比0.42的结论。

利用拉曼公式校核能很好的防止因局部紧接承压应力与孔壁抗拉应力过大而造成吊耳失效。但计算承压应力时，承压面积取 ，不符合实际荷载的作用范围。为此利用有限元方法对吊耳受力进行分析，对公式的适用性进行验证。

4. 有 限元分析

计算采用设计分析软件ANSYS进行有限元分析。本

图10 吊耳荷载分布示意图

工程中销轴的直径为85mm，孔径的直径为120mm,相差较大，荷载作用范围比较难确定。根据参考文献1的计算经验，计算采用适当的简化处理（图10），偏于保守荷载作用范围取左右对称各20°。并且将接触有限元分析简化为静态有限元分析，采用正弦来模拟接触面上垂直方向荷载分布，荷载沿吊耳厚度方向不变。荷载以节点力的形式加载到作用区域，则根据受力平衡，各个区域节点荷载总和与作用力P相等。

_{简化后孔径截面的受力情况如图10所示,其中} ，由平衡条件可知：

，其中P=690KN，r=60mm。

得出 。

首先通过AUTOCAD建立实体模型，然后导入到ANSYS，对吊耳施加正弦分布荷载。在网格划分时，吊耳孔径区域细化有限元模型，减少单元划分对计算结果的影响，计算时吊耳底部采用固结约束。

计算模型、荷载作用位置及应力分布如图11～13所示。

图11 吊耳计算模型 图12 施加正弦荷载作用

图13 等效应力分布

由计算结果可知，吊耳处最大等效应力为212.1MPa，应力比为0.8，与采用拉曼公式计算的结果相近。虽然拉曼公式中承压范围简化处理，但公式中吊耳容许应力按照机械零件来考虑，大大提高吊耳的整体强度。拉曼公式适用于类似本工程的大型吊耳设计。

5. 结论

虽然使用有限元软件计算结果更贴合实际，但过程较繁琐，不易操作。通过对吊耳强度校核各个公式计算结果的分析比较，提出以下建议：

1、对于起重量较小的构件（小于15吨）并且吊耳加工精度高（机床加工），可以采用常规经验公式进行计算校核。

2、对于起重量较大或吊耳加工精度差的构件（火焰切割出来的耳孔），经验公式不能真实的反映吊耳结构受力状态及失效的特征，可采用拉曼公式二次校核，保证吊装过程安全。

参考文献

1.薛云、张延昌、王自力、翟高进、刘昆，《船舶分段吊装吊耳强度分析》，第四节全国船舶与海洋工程学术会议论文集，2009

2.万进、杨刚军，《关于耳板式吊耳设计校核的探讨》，《石油化工建设》，2010年03期

3.《钢结构设计规范》，GB50017-2003，中国计划出版社，2003

4.《水利水电工程钢闸门设计规范》，DL/T 5039-95，中国电力出版社，1995