Kết Cấu Thép
I. Mở đầu
1.1 Giới thiệu chung
Nhìn chung thiết bị xếp dỡ hiện nay khá đa dạng ,nó đóng vai trò to lớn trong
sự phát triển của đất nước nó đa dạng về chủng loại phục vụ công tác xếp dỡ
hàng hóa ở cảng trong các công trình xây dựng trong đóng mới và sửa chữa tàu
Máy trục nói chung bao gồm các bộ phận chủ yếu như hệ thống động
lực ,hệ thống truyền động và thiêt bị công tác các cơ cấu điều khiển và kết cấu
thép trong đó kết cấu thép máy trục có vai tro to lớn hàng đầu quyết định đến
tính năng độ tin cậy làm việc và giá thành của máy
Nó là hệ thống giá đỡ đỡ toàn bộ cơ cấu thiết bị của máy đồng thời là
chi tiết cơ sở gắn các chi tiết bị của máy tạo thành một hệ thống máy hoàn chỉnh
thực hiện các chức năng xếp dỡ hàng hóa
Hình dạng kết cấu của kết cấu thép quyết định hình dạng kết cấu kích
thước tính công nghệ cũng như mỹ thuật của cần trục
Đảm bảo độ tin cậy làm việc của máy
Kết cấu thép có vai tro quyết định đến đến giá thành của cần trục so vói
các bộ phận khác của kết cấu thép chiếm khối lượng lớn
1.2 Giới thiệu về cổng trục thiết kế
Cổng trục là một loại cần trục kiểu cần có dầm cầu đặt trên các chân cổng với
các bánh xe di chuyển trên ray đặt ở trên mặt đât
Cổng trục có công dụng chung có sức nâng từ 3,2 đến 10T ,khẩu độ dầm
cầu 10 đến 40m ,chiều cao nâng 7 đến 10m
Cổng trục dùng để lắp rắp trong xây dựng có sức nâng từ 50 đên
100T,khẩu độ dầm đến 80m và chiều cao nâng lên tới 30m ,cổng trục dùng để
lắp ráp có tốc nâng di chuyển xe con di chuyển cổng trục nhỏ hơn so vơi cổng
trục có công dụng để lắp rắp có tốc độ nâng hạ 0,05 đến 0,1m/ph và tốc độ di
chuyển xe con và cổng 0,15m/ph cổng trục có công dụng chung dùng để xếp dỡ
hàng thể khối vật thể rời trong các kho bãi bến cảng hoặc nhà ga đường sắt cổng
Đặng Đình Phong- MXD51ĐH
1

2
- Phương pháp tính theo xác suất hư hỏng: dựa trên cơ sở xác suất hư
hỏng của kết cấu. phương pháp này cho phép tính tuổi thọ, độ tin cậy và
khả năng làm việc của kết cấu, tuy nhiên phương pháp này chưa được sử
dụng rộng rãi.
2.1.1 Tính theo phương pháp trạng thái giới hạn.
- Trạng thái tới hạn là trạng thái mà kết cấu không thỏa mãn các điều kiện
khai thác theo qiy định nhưng không đủ khả năng chịu lực hoặc biến
dạng quá mức. Tính theo phương pháp này nhằm đảm bảo cho kết cấu
không tiến tới trạng thái tới hạn trong suốt thời gian làm việc. Kết quả
tính của phương pháp khá chính xác , tiết kiệm vật liệu, nâng cao chất
lượng thiết kế, hạ giá thành chế tạo.
Cần xét tới hai trạng thái giới hạn.
- Trạng thái mất khả năng chịu lực của kết cấu.
- Kết cấu không thỏa mãn điều kiện làm việc bình thường, rung, biến
dạng quá mức.
Trạng thái giới hạn I là trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực giới hạn
về độ bền độ ổn định và độ mỏi
Trạng thái giới hạn II là trạng thái giới hạn về biến dạng chuyển vị kết cấu
không được biến dạng và chuyển vị quá mức cho phép
Như vậy phương pháp trạng thái giới hạn là phương pháp tính toán kết
cấu thép khi nó không còn khả năng chịu lực nữa nghĩa là máy trục đã khai thác
thực tế khi đó ta muốn tính kết cấu thép của nó ta phải thống kê toàn bộ các
thông số như
Nhiệt độ môi trường thực tế hệ số quá tải về trọng lượng hàng khi nâng
hệ số quá tải do khởi động hoặc hãm đột ngột cơ cấu máy trục
2.1.2 Phương pháp ứng suất cho phép
Đặng Đình Phong- MXD51ĐH
3
Dựa trên cơ sở xác định hệ số dự trữ độ bền của kết cấu. Phương pháp

σ

≤
[
σ
ođ
] =[
σ
].
ϕ
ϕ

≤
1 hệ số giảm ứng suất
* Điều kiện giới hạn độ bền mỏi

σ

≤
[
σ
rk
] =
δ
.[
σ
]
* Điều kiện về độ cứng
f
≤

5
595,5
130
600
289,5
150
z1
x1
u1
z3
u3
x3
z2
x2
z4
x4
Mặt cắt ngang dầm trên có cấu tạo như hình vẽ
Thanh thép chữ I có các đặc trưng hình học sau
+ Diện tính mặt cắt F
I
=43,2.10
2
mm
2
+ Mômen chống uốn của tiết diện
W
x4
I
= 37,1.10
4

xSo
xi
∑
44
∑
SO
4
i
x
4
: Tổng mômen tĩnh các mặt cắt 1
D
4 đối với trục O
4
X
4
+ Chọn hệ trục tọa độ ban đầu là X
4
O
4
X
4
(trọng tâm mặt cắt I)
+Xác định mômen tĩnh của mặt cắt số 1 đối với trục O
4
X
4
S
O4
X1

6
+Xác định moomen tĩnh của mặt cắt số 3 đối với trục O
4
X
4
S
O4
X3
x
4
= F
3
.O
3
O
4
=595,5.8.289,5=1379178(mm
3
)
+Xác định moomen tĩnh của mặt cắt số 4 đối với trục O
4
X
4
S
O4
X4
x
4
= F
4

O4
X4
x
4
= 1379178 + 2620800 + 1379178 + 0
=5379156 (mm
3
)
F: Diện tính mặt cắt ngang của dầm chính
F = F
1
+ F
2
+ F
3
+ F
4
F1: Diện tích m/c số 1 : F
1
= 595,5.8 = 4764 (mm
3
)
F2:………………….2: F
2
= 600.8 = 4800 (mm
3
)
F3:………………….3: F
3
= 595,5.8= 4764 (mm

XC
4
J
ZC
= J
ZC
1
+ J
ZC
2
+ J
ZC
3
+ J
ZC
4
J
XC
,J
ZC
: mômen quán tính của mặt cắt dầm chính đối với trục CX
C
và CZ
C
J
XC
1
, J
ZC
1

:mômen quán tính của mặt cắt số 4 đối với trục CX
C
và CZ
C
Xét mặt cắt số 1 trong hệ trục tọa độ u
1
o
1
v
1
Jo
1
u
1
=
12
5,595.8
3
=140784239,3(mm
4
)
Jo
1
v
1
=
12
8.5,595
3
= 25408(mm

2
1111 vJouJo +
+
2
1111 vJouJo −
cos2.330
0
– Ju
1
v
1
sin2.330
0
=
2
254083,140784239 +
+
2
254083,140784239 −
cos2.330
0
-0.sin2.330
0
=105594531,5(mm
4
)
Jo
1
z
1

1
y
1
về hệ trục x
c
cz
c
Jxc
1
= Jo
1
x
1
+zo
1
2
.F
1
= 105594531,5 + 1,2
2
.4764
=105601391,7 (mm
4
)
Jzc
1
= Jo
1
z
1

z
2
=
12
600.8
3
= 144000000(mm
4
)
Jx
2
z
2
= 0 (Mômen quán tính ly tâm của mặt cắt 2 đối với hệ trục x
2
o
2
z
2
)
Dời hệ trục x
2
o
2
z
2
về hệ trục x
c
cz
c

= 144000000 + 0
2
.291,2 = 144000000 (mm
4
)
Xét mặt cắt số 3: trong hệ tọa độ : u
3
o
3
x
3
Jo
3
u
3
=
12
5,595.8
3
= 140784329,3( mm
4
)
Đặng Đình Phong- MXD51ĐH
8
Jo
3
v
3
=
12

3333 vJouJo +
+
2
3333 vJouJo −
cos2.30
0
-Jo3v3.sin2.30
0
Jo
3
x
3
=
2
254083,140784329 +
+
2
254083,140784329 −
cos 2.30
0
-0.sin2.30
0
=105594531,5(mm
4
)
Jo
3
z
3
=

z
3
về hệ trục tọa độ x
c
cz
c
ta được
Jx
c
3
= Jo
3
x
3
+zo
3
2
.F
3
=10560191,7(mm
4
)
Jz
c
3
= Jo
3
z
3
+ xo

= 2,6.10
6
(mm
4
)
Dời hệ trục x
4
o
4
z
4
về hệ trục x
c
cz
c
ta được
Jx
c
4
= Jo
4
x
4
+ zo
4
2
.F
4
= 501.10
5

9
150
150
10
3420
1000
Hệ tọa độ quán tính chính trung tâm là xoy
Mômen quán tính của mặt cắt
Jx
c
=
12
150.150
3
-
12
130.130
3
= 18386666,67(mm
4
)
Jy
c
=
12
150.150
3
-
12
130.130

KG/cm
3
= 20,6.10
4
N/mm
2
Môđun đàn hồi trượt G = 0,81.10
6

Giới hạn chảy :
σ

ch
=2400
÷
2800 KG/cm
2
= 235,44
÷
279,68 N/mm
2
Độ dãn dài khi đứt
ε
= 21%
Khối lượng riêng
γ
= 7,83 T/m
3
= 7,68.10
-5

18000mm
2.4 Xác định tải trọng và tổ hợp tải trọng
2.4.1 Bảng tổ hợp tải trọng tính toán kết cấu thép cổng
Ia Ib IIa IIb IIc
Trọng lượng thân cổng G
có tính đến hệ số va đập
kv,kv’
G Kv’G
G kvG
G
Trọng lượng xe con có tính
đến kv,kv’ Gxe Kv’Gxe Gxe kvGxe

Gxe
Trọng lượng của hàng kể
cả thiết bị mang hàngψ
I
Qtd Kv’Qtd
ψ
II
Q kvQ Q
Đặng Đình Phong- MXD51ĐH
11
Lực quán tính Pqt khi hãm
cổng trục hoặc Pqt khi
hãm xe con


σ
, Tính theo độ bền và ổn định [
σ
] =
II
r
c
σ
Ia,IIa : Tổ hợp cổng đứng yên ,cơ cấu nâng ở vị trí giữa dầm và tiến hành nâng
hàng ứng với Ia khi nâng nửa tốc độ IIa khi nâng cả tốc độ
Ib,IIb: Là cổng trục di chuyển cơ cấu đứng yên ở vị trí giữa dầm
Ib : Khi khởi động (hãm) c
α
dc’ nửa tốc độ
IIb: Khi khởi động (hãm) c
α
dc’ cả tốc độ dùng để tính toán dầm trên
IIb là tổ hợp cổng trục đứng yên cơ cấu di chuyển xe con di chuyển đến vị trí
cuối hành trình và tiến hành phanh đột ngột
2.4.2 Xác định trị số phương chiều ,điểm đặt quy luật các lực tác dụng
trong bảng tổ hợp
2.4.2.1 Trọng lượng cổng trục G
Gd : trọng lượng của dầm trên G
d
= 2,4T = 23544 N
+ Trị số q
d
tren
=
20500

.22072,5 = 7357,5 (N)
Trị số qc
Jmax
=
2,13409
14715
= 0,4N/mm
qc
Jmin
=
2,13409
5,7357
= 0,2N/mm
+ Phương thẳng đứng
+ Chiều từ trên xuống
+ Điểm đặt : phân bố đều trên suốt chiều dài chân 36000mm trọng lương
dầm đỡ chân cổng
Gd
đỡchân
= 1,6 T =15696(N)
Trị số : qd
đỡchân
=
10400
15696
= 1,51N/mm
2.4.2.2. Trong lượng cơ cấu di chuyển cổng
Gdc = 300KG = 2943(N)
Trị số Gdc = 2943(N) cả cơ cấu di chuyển cổng trục
Quy luật tác dụng : ở mọi thời điểm

13
qc
Jmin
= 0,202N/mm
qd
đ.chân
= 1,53N/mm
Gdc= 2972,43N)
+ Tổ hợp IIa
Gc(qd
tren
= 1,22N/mm,qc
Jmax
= 0,41N/mm,qc
Jmin
= 0.2N/mm
qc
đ.chân
= 1.51N/mm
Gdc=2943 N
+ Tổ hợp IIb
Gc.kv (qd
tren
= 1,22N/mm,qc
Jmax
= 0,418N/mm,qc
Jmin
= 0,204N/mm
Qcđ.chân = 1,54N/mm
Gdc = 3001,86N

+ Quy luật tác dụng :khi nâng hạ hàng di chuyển xe con có mang hàng
Xác định hệ số
ψ
I
,
ψ
II
,Qtd
ψ
I
: Hệ số động khi nâng hàng tính theo mỏi
ψ
I
= 1
±
0,025 Vn
V
n
= 20m/ph =1,3 m/s (CT 4.14a)
Vận tốc nâng :
ψ
I
= 1+ 0,025.1/3 = 1,008
+
ψ
II
: Hệ số động khi nâng hàng tính theo bền và ổn định
ψ
II
= 1+ 0,04Vn = 1+ 0,04.1/3= 1,013

= 1,008.13734=13843,87(N)
Ib: kv’.Q
td
= 1.01.13734= 13871,34(N)
IIa :
ψ
II
.Q =1,013.19620=1985,06(N)
IIb: kv.Q = 1,02.19620=20012,4(N)
IIc: Q = 19620(N)
2.4.2.5 Lực quán tính khi hãm cổng trục pqt
xe
khi hãm xe con
Pqt = pqt
đ.chân
+ pqt
Jmax
+ pqt
Jmin
+ pqt
dầm
+pqt
ccdc
Pqt
đ.chân
= Gđ.ah
ah = 0,5 m/s
2
gia tốc khi hãm cổng
pqt

= 800N
Phương: dọc theo đương ray
Chiều: ngược chiều chuyển động khi phanh
Điểm đặt : Trọng tâm của dầm đỡ chân
* Lực quán tính cơ cấu di chuyển
pqt = G
dc
.ah =
81,9
2943
.0,5 = 150 (N)
+ Phương :Dọc theo đương ray
+ Chiều : Ngược chiều chuyển động khi phanh
+ Điểm đặt : Trọng tâm của cơ cấu di chuyển
* Lực quán tính của chân : Gc
Jmin
Pqt
Jmin
= Gc
Jmin
.ah = 0,5.
81,9
5,7357
= 375(N)
+ pqt
max
: Lực quán tính max khi di chuyển cơ cấu
Pqt
max
= 2pqt = 2.3275 = 6550 (N)

Đặng Đình Phong- MXD51ĐH
16
Giả sử có WA > WB khi đó có sự di chuyển lệch
T =
2
WBWA −
WA,WB : Lực xuất hiện trên bánh xe khi xảy ra di chuyển lệch xác định gay ra
di chuyển lệch
Γ
Giả sử có 1 cơ cấu di chuyển không làm việc
Khi đó
WA= 0
WB = 2 T
3
/300 = 2.238000/300 = 1586,67
Với T
3
= 238.103 N/mm momen xoắn trên trục bánh xe
T = 1586,67/ 2 = 793,34 N

⇒
R =
B
TL
L(mm) : khẩu độ
B = 4625(mm) khoảng cách giữa hai bánh xe trên cung 1 ray
⇒
R =
4625
20500.34,793

= 4,2mm
q = 1,15N/mm :lực phân bố do trọng lượng dầm
L = 20500: khẩu độ
h = 14000 : chiều cao cổng
E= 20,6.10
4
N/mm
2
: mô đun đàn hồi của vật liệu
Jp = Jxc +Jzc = 3607729696 mm
4

(môđun quán tính của mặt cắt dầm trên )
L
h
T/2
T/2
2.8 Tải trọng gió Pg
II
Độ lớn Pg
II
= 83,6.10
5
.39,2.10
-5
+29,7.10
5
.3.10
6
= 4168,12 N

A
,P
B
Gxe
PA
PB
Q
130
270
Pqd
ccdc
(max) = 2pqt
ccdc
= 2.150 = 300 (N)
R = 3127,59(N) lực sường khi có sự di chuyển
T = 793,34 (N) (lực gây ra sự di chuyển lệch )
qg
II
= 0,189 ( tải trọng gió )
sơ đồ tính nội lực dầm trên
Đặng Đình Phong- MXD51ĐH
19
L=20500
400
PB = 4502,79N
PA= 8004,96N
Qg = 0,189
4. Kiểm tra độ bền
Từ bảng tính toán kết quả ta tinh được mômen uốn tổng tại các mặt cắt là:
M

2
= 112438322,8(Nmm)
Ngoài ra còn T = 4174665,5(Nmm) mô men xoắn
Kêt luận : Mặt cắt có các trị số là mặt cắt nguy hiểm nhất trên dầm chính

σ
=
F

Jzc
M 2
.
xki
+
Jxc
M 3
.
zki

M
2
,M
3
:Mômen uốn theo phương x và z
M
2
=8245219 Nmm
Đặng Đình Phong- MXD51ĐH
20
M

1
trên mặt cắt :
zc
c
xc
296,85
K1
K2
K3
438,24
420,86

σ

a
k1
=
±

Jzc
M 2
.
1Xk

±

Jxc
M 3
.
1Zk

có:

σ

td
k1
3
=
2121
)(4)(
kk
u
στσ
+
=
22
419,0.499,8 +
= 9N/mm
2

≤
[
σ
] = 100N/mm
2

⇒
thỏa mãn điều kiện bền
Xét điểm k2 trên mặt cắt :
σ

ρ
J
T
.
ρ
k2
=
3215166696
5,4174665
.
22
36,42065,7 +
= 0,5458(N/mm
2
)
Theo lý thuyết bền 3 ta có :

σ
td3
k2
=
22
5458,0.463,0 +
= 1,65N/mm
2

≤
[
σ
] = 160N/mm


σ
td3
k3
=
2
3
23
).(4)(
k
T
k
u
τσ
+
=
22
)575,0.(4)72,16( +
= 16,76
≤
[
σ
]
=160N/mm
2
⇒
k3 thỏa mãn điều kiện bền
Kiểm tra dầm chữ I
Theo phương dọc trục dầm Y – Y biến dạng a - a
Đặng Đình Phong- MXD51ĐH

p
(1) công thức (3.11) – T4
+Phân tố tiếp giáp gữa bản cánh và bản thành trong mặt phẳng yoz
Đặng Đình Phong- MXD51ĐH
23

σ
y
t
= k
1
.
2
t
p
công thức 3.12
+Tiết diện đầu tự do của bản cánh trong mặt phẳng yoz

σ
y
= k
3
.
2
t
p
công thức 3.13
k1,k2,k3 là hệ số phụ thuộc vào tỷ số

ζ

t
= 0,74.
2
10
96,8004
= 59,24 N/mm
2
σ
y
= 0,52.
2
5,8
96,8004
= 41,63N/mm
2
Ứng suất uốn chung trên mặt cắt dầm chữ I do các tải trọng gây ra là:

σ
u
= 25,8 N/mm
2
Vậy ứng suất tương đương trên mặt cắt dầm chữ I là :

td
σ
=
xuyuy
x
τσσσστ
).()(

σ
] = 160 N/mm
2
= (41,63 +25,8) = 67,43 N/mm
2

≤
[
σ
] = 160 N/mm
2
Vây dầm chữ I thỏa mãn điều kiện làm việc
Kiểm tra ổn định của dầm khi chịu uốn :
Đặng Đình Phong- MXD51ĐH
24

σ
=
uon
uon
W
M

≤

ϕ
o
.[
σ
]

qc.
đ.chân
= 1,51N/mm
qc = 2943N)
+ Trọng lượng xe con Gxe = 4905N
+ Trọng lượng hàng : Q = 19620N
+ Lực quán tính khi phanh xe con p
qt
xe
= 375(N)
+ Tải trọng gió : qg
II
=
22000
12,4168
= 0,2 N/mm
5.2 Sơ đồ tính kết cấu thép chân cổng
Áp lực do trọng lượng hàng và xe con tác dụng lên dầm trên là :
P
A
=
4
xe
G
+
400.2
270.Q
=
4
4905