第十三章门座起重机金属结构
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第十三章
门座起重机金属结构
第一节 门座起重机门架的结构型式
露天工作的门座起重机、高架门座起重机等，已广泛应用于港口、造船厂、 水电站工地及建筑工地上。它们旋转部分的支承结构往往跨越在火车轨道上，一 般做成门形，以保证其下面有一定的通过性，此支承结构称为门架。门架结构承 受着起重机旋转部分的全部自重、起升载荷、门架的自重和风载荷，以及机构工 作时所产生的惯性载荷。 门架结构是整个起重机的基础结构，门座起重机也因此而得名，故它是门座 起重机的主要部件，为了起重机安全而平稳地工作，要求门架结构具有足够的强 度和较好的刚度。 港口用门座起重机，一般要求门架净空内通过一股或二股铁路，故其净空高 度通常不小于 5 米。其尺寸主要应根据工作条件和保证司机的视野要求而定。如 对海港大型货轮作业的港口门座起重机，或者造船用的船台，船坞门座起重机， 它们的门架高度都要求适当增加。 门架轨距按其通过一股或二股铁路的不同要求分别为 6 米或 10.5 米， 而造船 厂和浮船坞用的门座起重机，其轨距应根据场地条件而定，船厂用门机轨距通常 为 6 米、10 米、12 米，浮船坞用门座起重机轨距通常为 3.5 米~5 米。门架基距 是指二条门腿沿轨道方向的间距，它随结构情况、走轮数目及其布置和构造要求 等而定。通常取基距等于轨距或稍大于轨距。 门架结构型式目前常见的有如下几种： 一、桁架结构门架 桁架结构门架如图 13-1 所示， 它是由四片平面桁架所组成的空间结构。 桁架 构件常采用型钢制造，门架顶部装有大针轮和圆形轨道以支承上部旋转结构。这 种门架结构自重虽轻，但杆件较多，制造工艺比较复杂，目前较少采用。 二、混合结构门架 混合结构门架如图 13-2 所示，门架垂直于轨道的二个平面为板梁式框架结
梁上的最大垂直载荷为：
N G M Vmax = m + + 2 4 C
（13-9）
式中
G ── 门架上部结构自重； m ── 载荷修正系数，可取为 0.8；
根据门架上部结构的不同构造，垂直载荷将以集中力方式和局部均布力方式 作用在横梁跨中。 若以集中力方式作用时，跨中最大弯矩为（图 13-10a）：
M = ϕ 2 QR + Th1 + T3 h3 − T2 h2 − Ga + P2 h4 + P3 h5
（13-3）
（2） 作用在门架中心上的垂直力 N
N = ϕ2Q + ϕ4G
（13-4）
（3）作用在臂架所在平面内的水平力 H
H = T − T2 + T3 + P2 + P3
（13-5）
（4）旋转制动时作用在门架水平平面内的扭矩
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机旋转轴上，也可按起重机旋转部分上的侧向外载荷直接计算； H──水平力，可分解为沿着轨道或垂直轨道二个方向的分力。 3. 作用在门架上的风载荷 上述载荷按不同的载荷组合在具体计算中又以不同形式出现，通常门架结构 按工作状态最大载荷进行结构强度计算。一般考虑两种载荷组合情况。 第一类载荷组合：门架运行 机构不动，在最大幅度处由地面突然起吊额定载 荷。这时门架受有下列载荷： 不平衡力矩： 垂直力： 门架自重：
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构，框架由钢板焊接而成；平行于轨道的二个侧面以桁架结构联接使其成为一个 整体，为使司机有较好的视野，框架上部可做成倾斜形式。这种门架结构也因杆 件多，制造工艺复杂而较少采用。
图 13-1
40 吨门座起重机桁架门架
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这种情况下可采用二条腿式门架（图 13-7）。这种结构形式杆件少，制造安装简 便，刚度大，抗弯抗扭能力强，起重机工作平稳，但工艺上要求高，板的稳定问 题显得突出。 上述门架的分类是按其外形来分的，如果按旋转支承装置形式不同，大致可 分为二大类。一类为滚盘式支承旋转装置，其门架上端部均有环形梁作为滚盘支 承的承载构件。另一类为转柱式支承旋转装置，其门架上端部的环形梁作为其水 平支承，下部十字横梁作为转柱的下支承。 如果按门架支腿的数目，又可分为三支点门架及四支点门架。三支点门架其 水平压力是静定的，与轨道的不平度和地基的不均匀沉陷无关，因此其通过性较 好，结构简单，自重轻，但稳定性差。 四支点门架，在轨道不平和基础不均匀沉陷时，将引起支腿支承压力的重新 分布，计算不容易控制，但稳定性好。
图 13-4 25 吨门座起重机八撑杆式门架
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图 13-5 45 吨门座起重机八撑杆式门架
图 13-6 圆筒形门架结构
图 13-7 二腿式门架
第二节 门座起重机门架结构的计算载荷
一、门架上的计算载荷 作用在门架上的载荷主要有： 1. 门架结构的自重及安放在门架上的机电设备重量。 2. 起重机旋转部分传来的作用力。 这些力包括旋转部分自重， 起升货物及吊 具的重量，还有起升、变幅及旋转机构制动惯性力等，所有这些作用在门架上的 力可归结为如下力系： M──起重机旋转部分在臂架摆动平面内的不平衡力矩（倾覆力矩）； N──沿起重机旋转中心作用的垂直方向作用力； Mn──水平面内的扭转力矩。 可由极限力矩联轴节上的极限力矩折算到起重
b ──侧向风力 P1 至旋转中心的距离。
除了以上由旋转部分传来的外力之外，还有门架的自重和作用在门架上的风 力，如图 13-8 所示。 二、门架的计算假定 门座起重机的各种型式门架都是空间体系，各构件之间的连接和传力情况比 较复杂，按空间结构进行计算时，工作量颇大。为简化计算，目前常按两种不同 形式的旋转支承装置进行符合工程实际要求的计算假定。
M n = TR + T1a + P1b
（13-6）
式中 Q ── 起升载荷（包括吊具重量）； G── 旋转部分所有重量（结构及设备）； R── 臂架工作幅度（产生最大不平衡力矩时的幅度）； a── 旋转部分重心至旋转中心轴的距离；
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图 13-3
交叉刚架式门架
四、八撑杆门架 八撑杆式门架如图 13-4 所示，它的顶部为大圆环，承受水平力，环形轨道和 大齿轮就装在其上，圆环下部由八根撑杆支承。八根杆可以认为是将交叉刚架式 门架的十字横梁以上的四条倾斜式门腿，用八根撑杆代替而成。原十字横梁上方 四条腿主要承受弯矩，而改用八根杆后，其撑杆主要承受轴向力，由于受力状况 的改进，使这部分杆件截面积可以减小，因而自重可适当减轻，所以目前门座起 重机中已广泛采用八撑杆式门架，八根撑杆的截面大多做成箱形或圆管形，便于 制造，且外形美观。 近年来，八杆门架的下部基础门架为避免因上部重量过大而造成门架腿部水 平方向的变形较大产生啃道现象，做成主副梁结构以增加其抗弯抗扭能力，如图 13-5。 五、圆筒形门架 如图 13-6 所示， 这种门架是在基础门架上装了一个大直径的圆筒， 圆筒上端 部和转盘相连，圆筒内部装有电梯或螺旋式爬梯，可直通机房，这种门架结构风 阻力小，自重较轻，且倾覆力矩小，因而适用于较小轨距和比较狭窄的场地。 六、二条腿式门架 如果起重机轨距较窄，而门架不能太高，且要求有一定的空间通过性能，在
T── 由于货物偏摆引起的水平力：
T = Qtgα
（13-7）
其中
α── 变幅和旋转机构制动时及风力作用使货物产生的偏摆角 （分臂
架平面及垂直臂架平面）；
h1 ── 水平力 T 至门架上圆环的垂直高度； T1 ── 旋转部分在旋转制动时的切向惯性力； T2 ──旋转部分在旋转制动时的法向惯性力； T3 ──起重臂在变幅制动时的惯性力； P1 ──作用在起重臂上的侧向风力； P2 ──作用在旋转部分迎风面积上的风力； P3 ──在起重平面内作用在起重臂上的风力； h2 ── T2 至门架上圆环的垂直高度； h3 ── T3 至门架上圆环的垂直高度； h4 ── P2 至门架上圆环的垂直高度； h5 ── P3 至门架上圆环的垂直高度；
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σ =
Rmax HY H Y ± 1 ± 2 A cos β W1 W2 Rmax ──支点最大压力
（13-12）
源自文库式中
A──断面面积；
H 1 ──垂直于起重机轨道方向的水平支反力； H 2 ──平行于起重机轨道方向的水平支反力； β ──门腿轴线相对于铅垂线的夹角（倾角）；
C = 2 R0 sin γ γ
（13-8）
式中 R0 ──弧形轨道的半径；
γ ──弧形轨道所夹的中心角；
一般 γ =
π 6
这样 sin γ = 0.5 故 C = 2 R0
0.5 ≈ 1 .9 R0 π /6
在计算门架上部结构某横梁时，臂架位置应取垂直于该横梁，这时作用在横
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Y──所计算断面到轨道平面的垂直方向距离；
W1 、W2 ──断面相对于两主惯性轴（垂直和平行于起重机轨道方向）的抗弯
模数。 当 计算 水平 支反 力 H 1 和 H 2 时，可认为 ：作用在起重机门架上的所有水平载 荷在四条支 腿上平 均分 配，作用在门架上的扭矩 M n ，由 位于对角线上的一对支 腿承受，支反力方向垂直于起重机轨道，大小等于：
M max = Vmax ⋅ b 2
（13-10）
若以局部均布力方式作用时，跨中最大弯矩为（图 13-10b）：
1 M max = Vmax (2b − l0 ) 4
（13-11）
式中符号意见图 13-10。
图 13-10 横梁作用载荷
门架的支腿是压弯构件。在计算其弯曲作用时，支腿可认为是一端固结于上 部结构，另一端受轨面支反力作用的悬臂梁。当起重机臂架位于产生最大支点压 力的方向时，支腿处于最不利工况。 这样门腿的总应力可按下式确定：
图 13-2 5 吨门座起重机混合结构门架
三、交叉刚架式门架 近几年由于支承旋转装置较多采用转柱结构形式，将门架结构制造成二片二 层或二片三层等刚架交叉空间结构，如图 13-3 所示。刚架上横梁作成圆环形式， 称为上支承环，环内装圆形轨道，二片刚架的下横梁作成十字交叉型式，称为十 字横梁， 转柱结构的上端水平支承在上支承环内， 其下端固定 铰支在十字横梁上。 起重机旋转部分的水平力及倾覆力矩，由上下水平支承传给刚架上下横梁，而垂 直力则由转柱下端经十字横梁传至门腿。这样，传力路线短而结构比较合理。门 架所有构件均采用钢板焊接成箱形结构，门腿与上支承环采用法兰螺栓联接，十 字横梁处为拆装方便常采用法兰螺栓联接。 这种门架结构构件少， 制造安装简便， 外形美观。但由于门架构件主要承受弯矩，因此构件断面较大，自重较重。
Gm M = ϕ 2 QR − Ga N = ϕ2Q + G
（13-1） （13-2）
式中 ϕ 2 为动力系数，按第三章有关内容计算。 第二类载荷组合：门架运行机构不动，臂架在产生最大倾覆力矩的幅度处起 吊额定载荷，变幅和旋转机构同时紧急制动，并承受工作状态下的最大风力。这 时，门架上作用有如下的载荷： （1）在起重臂平面内的不平衡力矩：
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图 13-8
作用在门架上的水平力
图 13-9 焊接弧形轨道
1. 滚盘式支承装置门架 其门架上部结构可视为四根铰支在门腿上的双支点梁，实际结构的空间性质 可以用载荷修正系数 m 来考虑结构空间刚性的影响，试验表明，m 一般可取 0.8 左右。对于滚子或滚柱式旋转支承装置的门座起重机，其上部转台底部一般焊有 两段弧形轨道（图 13-9），旋转部分的垂直反力 N 和倾覆力矩 M 就是通过这两 段弧形轨道和弧形轨道底下的滚子或滚柱传到门架的顶面上。 其中倾覆力矩 M 在 弧形轨道上形成一对力臂为 C 的力偶。
门座起重机金属结构
第一节 门座起重机门架的结构型式
露天工作的门座起重机、高架门座起重机等，已广泛应用于港口、造船厂、 水电站工地及建筑工地上。它们旋转部分的支承结构往往跨越在火车轨道上，一 般做成门形，以保证其下面有一定的通过性，此支承结构称为门架。门架结构承 受着起重机旋转部分的全部自重、起升载荷、门架的自重和风载荷，以及机构工 作时所产生的惯性载荷。 门架结构是整个起重机的基础结构，门座起重机也因此而得名，故它是门座 起重机的主要部件，为了起重机安全而平稳地工作，要求门架结构具有足够的强 度和较好的刚度。 港口用门座起重机，一般要求门架净空内通过一股或二股铁路，故其净空高 度通常不小于 5 米。其尺寸主要应根据工作条件和保证司机的视野要求而定。如 对海港大型货轮作业的港口门座起重机，或者造船用的船台，船坞门座起重机， 它们的门架高度都要求适当增加。 门架轨距按其通过一股或二股铁路的不同要求分别为 6 米或 10.5 米， 而造船 厂和浮船坞用的门座起重机，其轨距应根据场地条件而定，船厂用门机轨距通常 为 6 米、10 米、12 米，浮船坞用门座起重机轨距通常为 3.5 米~5 米。门架基距 是指二条门腿沿轨道方向的间距，它随结构情况、走轮数目及其布置和构造要求 等而定。通常取基距等于轨距或稍大于轨距。 门架结构型式目前常见的有如下几种： 一、桁架结构门架 桁架结构门架如图 13-1 所示， 它是由四片平面桁架所组成的空间结构。 桁架 构件常采用型钢制造，门架顶部装有大针轮和圆形轨道以支承上部旋转结构。这 种门架结构自重虽轻，但杆件较多，制造工艺比较复杂，目前较少采用。 二、混合结构门架 混合结构门架如图 13-2 所示，门架垂直于轨道的二个平面为板梁式框架结
梁上的最大垂直载荷为：
N G M Vmax = m + + 2 4 C
（13-9）
式中
G ── 门架上部结构自重； m ── 载荷修正系数，可取为 0.8；
根据门架上部结构的不同构造，垂直载荷将以集中力方式和局部均布力方式 作用在横梁跨中。 若以集中力方式作用时，跨中最大弯矩为（图 13-10a）：
M = ϕ 2 QR + Th1 + T3 h3 − T2 h2 − Ga + P2 h4 + P3 h5
（13-3）
（2） 作用在门架中心上的垂直力 N
N = ϕ2Q + ϕ4G
（13-4）
（3）作用在臂架所在平面内的水平力 H
H = T − T2 + T3 + P2 + P3
（13-5）
（4）旋转制动时作用在门架水平平面内的扭矩
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机旋转轴上，也可按起重机旋转部分上的侧向外载荷直接计算； H──水平力，可分解为沿着轨道或垂直轨道二个方向的分力。 3. 作用在门架上的风载荷 上述载荷按不同的载荷组合在具体计算中又以不同形式出现，通常门架结构 按工作状态最大载荷进行结构强度计算。一般考虑两种载荷组合情况。 第一类载荷组合：门架运行 机构不动，在最大幅度处由地面突然起吊额定载 荷。这时门架受有下列载荷： 不平衡力矩： 垂直力： 门架自重：
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构，框架由钢板焊接而成；平行于轨道的二个侧面以桁架结构联接使其成为一个 整体，为使司机有较好的视野，框架上部可做成倾斜形式。这种门架结构也因杆 件多，制造工艺复杂而较少采用。
图 13-1
40 吨门座起重机桁架门架
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这种情况下可采用二条腿式门架（图 13-7）。这种结构形式杆件少，制造安装简 便，刚度大，抗弯抗扭能力强，起重机工作平稳，但工艺上要求高，板的稳定问 题显得突出。 上述门架的分类是按其外形来分的，如果按旋转支承装置形式不同，大致可 分为二大类。一类为滚盘式支承旋转装置，其门架上端部均有环形梁作为滚盘支 承的承载构件。另一类为转柱式支承旋转装置，其门架上端部的环形梁作为其水 平支承，下部十字横梁作为转柱的下支承。 如果按门架支腿的数目，又可分为三支点门架及四支点门架。三支点门架其 水平压力是静定的，与轨道的不平度和地基的不均匀沉陷无关，因此其通过性较 好，结构简单，自重轻，但稳定性差。 四支点门架，在轨道不平和基础不均匀沉陷时，将引起支腿支承压力的重新 分布，计算不容易控制，但稳定性好。
图 13-4 25 吨门座起重机八撑杆式门架
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图 13-5 45 吨门座起重机八撑杆式门架
图 13-6 圆筒形门架结构
图 13-7 二腿式门架
第二节 门座起重机门架结构的计算载荷
一、门架上的计算载荷 作用在门架上的载荷主要有： 1. 门架结构的自重及安放在门架上的机电设备重量。 2. 起重机旋转部分传来的作用力。 这些力包括旋转部分自重， 起升货物及吊 具的重量，还有起升、变幅及旋转机构制动惯性力等，所有这些作用在门架上的 力可归结为如下力系： M──起重机旋转部分在臂架摆动平面内的不平衡力矩（倾覆力矩）； N──沿起重机旋转中心作用的垂直方向作用力； Mn──水平面内的扭转力矩。 可由极限力矩联轴节上的极限力矩折算到起重
b ──侧向风力 P1 至旋转中心的距离。
除了以上由旋转部分传来的外力之外，还有门架的自重和作用在门架上的风 力，如图 13-8 所示。 二、门架的计算假定 门座起重机的各种型式门架都是空间体系，各构件之间的连接和传力情况比 较复杂，按空间结构进行计算时，工作量颇大。为简化计算，目前常按两种不同 形式的旋转支承装置进行符合工程实际要求的计算假定。
M n = TR + T1a + P1b
（13-6）
式中 Q ── 起升载荷（包括吊具重量）； G── 旋转部分所有重量（结构及设备）； R── 臂架工作幅度（产生最大不平衡力矩时的幅度）； a── 旋转部分重心至旋转中心轴的距离；
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图 13-3
交叉刚架式门架
四、八撑杆门架 八撑杆式门架如图 13-4 所示，它的顶部为大圆环，承受水平力，环形轨道和 大齿轮就装在其上，圆环下部由八根撑杆支承。八根杆可以认为是将交叉刚架式 门架的十字横梁以上的四条倾斜式门腿，用八根撑杆代替而成。原十字横梁上方 四条腿主要承受弯矩，而改用八根杆后，其撑杆主要承受轴向力，由于受力状况 的改进，使这部分杆件截面积可以减小，因而自重可适当减轻，所以目前门座起 重机中已广泛采用八撑杆式门架，八根撑杆的截面大多做成箱形或圆管形，便于 制造，且外形美观。 近年来，八杆门架的下部基础门架为避免因上部重量过大而造成门架腿部水 平方向的变形较大产生啃道现象，做成主副梁结构以增加其抗弯抗扭能力，如图 13-5。 五、圆筒形门架 如图 13-6 所示， 这种门架是在基础门架上装了一个大直径的圆筒， 圆筒上端 部和转盘相连，圆筒内部装有电梯或螺旋式爬梯，可直通机房，这种门架结构风 阻力小，自重较轻，且倾覆力矩小，因而适用于较小轨距和比较狭窄的场地。 六、二条腿式门架 如果起重机轨距较窄，而门架不能太高，且要求有一定的空间通过性能，在
T── 由于货物偏摆引起的水平力：
T = Qtgα
（13-7）
其中
α── 变幅和旋转机构制动时及风力作用使货物产生的偏摆角 （分臂
架平面及垂直臂架平面）；
h1 ── 水平力 T 至门架上圆环的垂直高度； T1 ── 旋转部分在旋转制动时的切向惯性力； T2 ──旋转部分在旋转制动时的法向惯性力； T3 ──起重臂在变幅制动时的惯性力； P1 ──作用在起重臂上的侧向风力； P2 ──作用在旋转部分迎风面积上的风力； P3 ──在起重平面内作用在起重臂上的风力； h2 ── T2 至门架上圆环的垂直高度； h3 ── T3 至门架上圆环的垂直高度； h4 ── P2 至门架上圆环的垂直高度； h5 ── P3 至门架上圆环的垂直高度；
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σ =
Rmax HY H Y ± 1 ± 2 A cos β W1 W2 Rmax ──支点最大压力
（13-12）
源自文库式中
A──断面面积；
H 1 ──垂直于起重机轨道方向的水平支反力； H 2 ──平行于起重机轨道方向的水平支反力； β ──门腿轴线相对于铅垂线的夹角（倾角）；
C = 2 R0 sin γ γ
（13-8）
式中 R0 ──弧形轨道的半径；
γ ──弧形轨道所夹的中心角；
一般 γ =
π 6
这样 sin γ = 0.5 故 C = 2 R0
0.5 ≈ 1 .9 R0 π /6
在计算门架上部结构某横梁时，臂架位置应取垂直于该横梁，这时作用在横
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Y──所计算断面到轨道平面的垂直方向距离；
W1 、W2 ──断面相对于两主惯性轴（垂直和平行于起重机轨道方向）的抗弯
模数。 当 计算 水平 支反 力 H 1 和 H 2 时，可认为 ：作用在起重机门架上的所有水平载 荷在四条支 腿上平 均分 配，作用在门架上的扭矩 M n ，由 位于对角线上的一对支 腿承受，支反力方向垂直于起重机轨道，大小等于：
M max = Vmax ⋅ b 2
（13-10）
若以局部均布力方式作用时，跨中最大弯矩为（图 13-10b）：
1 M max = Vmax (2b − l0 ) 4
（13-11）
式中符号意见图 13-10。
图 13-10 横梁作用载荷
门架的支腿是压弯构件。在计算其弯曲作用时，支腿可认为是一端固结于上 部结构，另一端受轨面支反力作用的悬臂梁。当起重机臂架位于产生最大支点压 力的方向时，支腿处于最不利工况。 这样门腿的总应力可按下式确定：
图 13-2 5 吨门座起重机混合结构门架
三、交叉刚架式门架 近几年由于支承旋转装置较多采用转柱结构形式，将门架结构制造成二片二 层或二片三层等刚架交叉空间结构，如图 13-3 所示。刚架上横梁作成圆环形式， 称为上支承环，环内装圆形轨道，二片刚架的下横梁作成十字交叉型式，称为十 字横梁， 转柱结构的上端水平支承在上支承环内， 其下端固定 铰支在十字横梁上。 起重机旋转部分的水平力及倾覆力矩，由上下水平支承传给刚架上下横梁，而垂 直力则由转柱下端经十字横梁传至门腿。这样，传力路线短而结构比较合理。门 架所有构件均采用钢板焊接成箱形结构，门腿与上支承环采用法兰螺栓联接，十 字横梁处为拆装方便常采用法兰螺栓联接。 这种门架结构构件少， 制造安装简便， 外形美观。但由于门架构件主要承受弯矩，因此构件断面较大，自重较重。
Gm M = ϕ 2 QR − Ga N = ϕ2Q + G
（13-1） （13-2）
式中 ϕ 2 为动力系数，按第三章有关内容计算。 第二类载荷组合：门架运行机构不动，臂架在产生最大倾覆力矩的幅度处起 吊额定载荷，变幅和旋转机构同时紧急制动，并承受工作状态下的最大风力。这 时，门架上作用有如下的载荷： （1）在起重臂平面内的不平衡力矩：
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图 13-8
作用在门架上的水平力
图 13-9 焊接弧形轨道
1. 滚盘式支承装置门架 其门架上部结构可视为四根铰支在门腿上的双支点梁，实际结构的空间性质 可以用载荷修正系数 m 来考虑结构空间刚性的影响，试验表明，m 一般可取 0.8 左右。对于滚子或滚柱式旋转支承装置的门座起重机，其上部转台底部一般焊有 两段弧形轨道（图 13-9），旋转部分的垂直反力 N 和倾覆力矩 M 就是通过这两 段弧形轨道和弧形轨道底下的滚子或滚柱传到门架的顶面上。 其中倾覆力矩 M 在 弧形轨道上形成一对力臂为 C 的力偶。