由于承载大件货物的挂车多为液压悬架,通过操控液压阀可以升降挂车的载货平台,因此可以利用该性能对货物进行挂车的自装和自卸。当大件运输为采用滚装方式装卸船时,或者在大件运输装车、转载、卸车现场不具备吊装条件时,常常需要进行挂车自装卸。一个挂车自卸过程可如下描述:
(1) 将载货挂车升高到最大安全高度。
(2) 在挂车的两侧各托架下方摆放卸车支墩。
(3) 降低挂车使托架放置在支墩上,直到挂车与货物彻底分离。
(4) 将挂车驶出货物下方,卸车完成。
当货物没有托架或者货物的托架没有探出车体时,可提前在装车时在挂车上放置卸车梁,或者在货物托架设计时将托架的宽度(沿货物横向)加长到可以自卸的宽度,也可以进行自卸车。
大件货物的质量很大,自卸过程中托架、卸车梁、支墩所受到的作用力很大,有时由于地面的承载力不足还需要在支墩下进行分载。为了卸车过程的安全,需要提前进行方案设计, 并对各部受力进行计算。
一、两个托架时受力计算
当货物只有两个托架时,卸车时由货物、托架、支墩、地面所组成的为一静定受力系统
二、多个托架时受力计算
经常有超重的化工容器、塔件等长度很大的货物,为了满足海运过程中甲板荷载的有效分布,或者由于货物受力的要求,均设计有2个以上的多个支承托架。对于多托架货物,卸车时货物、托架、支墩和地面组成的受力系统为超静定系统,托架受力与系统中各构件的变形有关,需要根据各构件变形建立补充方程。
1.各构件的变形
设货物在地面或船甲板上卸车时的支承情况,弹性构件包括:货物、托架、卸车梁、支墩、地面。在货物荷载的作用下,各构件均发生了变形,设各构件的变形均在弹性范围内。
惯性矩代表了货物的刚性,以上惯性矩的比值说明在力的作用下货物和托架的变形远不是同一数量级,因此可忽略货物的变形而只考虑卸车梁和托架的变形。
卸车梁或托架的变形与所受货物荷载的大小成线性关系,符合胡克定律。
支墩基本为受压构件,铅垂方向的变形与所受荷载的大小同样成线性关系,符合胡克定律。
地面在支墩力的作用下以弯沉盆的形式变形,假设地面有足够的地基承载力,地面变形在弹性范围内,则变形与荷载基本成线性关系,符合胡克定律。
2.建立受力计算方程组
设某货物有4个卸车托架,各托架处的卸车梁、支墩、地面结构相同,具有相同的弹性系。
三、卸车梁计算
1、内力与截面
一般卸车梁空载时上部沿长度方向为直线,受载后中部会产生较大的下挠变形,这样货物对卸车梁的作用力将会集中在两端附近,具体作用位置与货物底部两端的竖筋板位置有关,应在竖筋板的正下方(无竖筋板的底板不能承受弯矩)。考虑到力在局部是以分布荷载的形式出现,为了安全考虑和简化计算,一般应取距离竖筋板向内侧《 =200 ~300mm的位置作为力的作用点,并以点荷载的形式进行计算。
卸车梁可采用钢板焊接或采用H型钢、工字钢焊接而成。为了保证受载后的整体稳定性,通常设计为箱型截面,也有货物质量较小时采的工字型截面。
2、 最大正应力校核
梁的最大正应力超限会造成梁的永久变形或断裂,是造成卸车梁承载失效的主要原因,对于等截面梁,最大正应力发生在最大弯矩截面上、下边缘处。
3、 最大切应力校核
工字型、箱型梁的最大切应力在梁腹板中部。
4、整体稳定性校核
梁式构件为了获得较大的抗弯能力,通常截面高而窄,即荷载弯矩作用平面内的抗弯刚度大,而抗扭转和侧向抗弯刚度小。当荷载作用弯矩很大时,受梁上半部分压应力的影响, 梁容易在偶然很小的横向干扰力的作用下,突然向刚度小的侧向发生较大的弯曲,随之失去
承载力,这种现象称为梁失去整体稳定性。
5、局部稳定性校核
如果在卸车梁设计时,将梁的翼缘板设计得又薄又宽,将梁的腹板设计得又薄又高,则在荷载作用下,受压的翼缘和腹板有可能发生波形屈曲,称为梁失去局部稳定性。梁局部失去稳定性后,会造成梁的极限承载力下降,对于翼缘板则会很快导致梁失去承载能力。
1).翼缘板的局部稳定性校核
2).腹板的局部稳定性校核
梁腹板的局部稳定性会受到弯曲应力、切应力、局部压应力(货物托架作用位置局部受到铅垂方向压应力作用)的影响,与荷载的作用形式有关,需要根据不同受力状态分别进行分析。当局部稳定性不足时,可通过增加腹板的厚度或设置横向、纵向加强筋的方法解决。卸车梁高度一般较小,增加腹板厚度不会带来大量的成本,因此卸车梁的腹板厚度一般应保证在不进行加强的情况下,对于正常的弯曲应力和切应力作用不存在局部稳定问题。而对于货物和支墩力作用点的压应力可能带来的局部稳定性问题则以设置横向加强筋的方式解决。
根据《钢结构设计规范》(GB 50017—2003),对无局部压应力的梁,或者当有局部压应力的梁按照构造配置了横向加强筋,当满足以下条件时可不考虑腹板的局部稳定性问题。
卸车梁在货物和支墩力作用点处有局部压应力,根据规定应该按照构造设置横向加强筋。由于货物和托架力作用点位置常常事先不太确定,经验上取横向加强筋间距500 ~ 600mm,全长均布,加强筋厚7 ~ 14mm,宽度不超出卸车梁宽。
四、卸车托絮计算
如果将圆罐形货物的托架设计的足够宽,卸车时可以在探出挂车的部分下方放置支墩时,则可免去卸车横梁的制作,节约了成本。有时运输道路上有净空障碍限制,货物运输高度受限不能在托架下预先放置卸车梁时,需要将托架设计为可以自卸车的形式。
1、托架所受外力和内力
圆罐形货物的托架形式通常从中部到两端截面高度变化较大,中部高度最小,托架包角顶端的高度最大。如果将托架看作一个变截面梁,则中部的刚度约是高度最大处刚度的l/40a即在进行整体受力分析时,可以将中部看成铰链。
建立托架卸车时的受力简图为支墩作用力,位置为支墩中心,按照卸车时挂车与支墩之间应保留的最小安全间距设计,支墩力的大小为托架力的一半,托架力可求出;为货物对托架的作用力,由于托架的中部当成铰链,托架受力变形时以铰链为圆心旋转,远离铰链的包角顶端位移最大,则托架应在包角顶端与货物接触受力,由于接触部位托架和货物都有局部变形,力是以局部面荷载分布的形式存在,因此计算时力的作用点应该从包角顶端下移一定距离,沿托架圆弧周向取200 ~ 300mm比较合适,力的作用方向为托架圆弧的径向;F,.为托架中部铰链受力,为水平方向;构成托架的平衡力系。
2、托架中部截面的正应力校核
根据以上分析,托架中部截面受正拉力作用,应为正应力。考虑到圆弧板受切向拉力作用时圆弧有拉直的趋势变形较大,为了安全起见,在正应力计算时不考虑圆弧板截面积。
3、托架紧靠支墩截面的切应力校核
考虑到支墩以分布荷载的形式作用力于托架,因此,在托架紧靠支墩截面产生最大切应力。
4、货物对托架的局部压应力校核
托架上部的斜板和部分腹板共同抵抗货物作用力的作用。
5、托架腹板的局部稳定性校核
托架腹板有的区域承受很大的压应力,要注意腹板受压后的局部稳定性问题。一般以一定的间隔水平方向和垂直方向均布横向加强筋的方法解决。
五、卸车支墩计算
支墩要将上方的卸车梁或卸车托架的荷载传递到地面,由于卸车地面常常为路基或夯实基础,承载力有限(常见50 ~ 150kPa,个别石料深填并夯实基础可达300kPa),因此支墩的 底面积要满足地面承载力的要求。常见大件货物的卸车支墩为上部小下部大的结构,从受力特点上看为压弯构件。
1、支墩尺寸的确定
根据支墩工作与受力特点,支墩设计时一般先进行外形结构设计。支墩的宽度一般由卸车梁或卸车托架的长度和挂车的宽度决定。
2、底板厚度计算
底板受均布的地面反力作用,底板厚度由底板的抗弯强度决定。
底板是一块整板,计算时可将纵、横竖板看作底板的支承,由竖板把底板划分为不同支承条件下的矩形区域,每一个矩形区域可独立地计算出地面反力所引起的最大弯矩,以此来确定底板的厚度。
为简化计算,将竖板对于底板的支承均以偏安全的简支对待。
设计时,应尽可能使各矩形区域的弯矩值接近,可通过重新划分区域、调整立板位置或对个别区域增加竖板的方法来实现,以免个别区域的弯矩值过大,致使板厚较大。
底板厚度通常大于20mm,更多为30mm,不宜过小,以保证底板有足有的刚性使得地面反力接近均匀分布。
3、 竖板的压应力校核
支墩上面板用于安放卸车梁或托架,上面板的长度应大于卸车梁或托 架的宽度,并留有余量,以防止支墩摆放时的高精度要求。
在靠近上面板的下方做水平截面,此处沿支墩长度方向的竖板(称纵向竖板) 受卸车梁或托架作用力所产生的局部压应力的影响。纵向竖板与上面板的交界处会产生最 大压应力。此处的压应力实际上呈不均匀分布,为了简化,有关钢结构设计的规范在计算时假定力从作用处向下以1 : 1在上面板厚度范围内向两边扩散,并以均布荷载分布在竖板的计算截面处。
当压应力校核不能满足时,就需要在支墩上部增加纵向竖板。
4、 竖板的局部稳定性校核
支墩的宽度和长度较大,高度相对于柱类构件又较小,受压后整体不会出现类似的压杆稳定性问题,而可能存在各竖板的局部稳定性问题。支墩在力的作用下,各竖板的受力状态为平板侧向受压,平板侧向受压后容易出现屈曲失稳。
5、纵向抗弯强度校核
有时为了地面分载的需要,支墩底面制作得很长,在地面均布荷载反力的作用下,支墩纵向(长度方向)受弯矩作用。将连接上下面板的横向竖板作为支座,将地面反力以线荷载91, 沿长度方向作用,则可建立沿长度方向的单跨双伸臂梁的受力简图。
6、纵向弯矩作用下的局部稳定性校核
在纵向弯矩作用下纵向竖板上部受压,存在局部稳定性问题,校核方法和卸车梁腹板的局部稳定性校核相同,当稳定性不足时可通过设置纵向加强筋的方法解决。
六、分载梁和分载板计算
有时为了简化支墩,或借用已有的其他支墩,对地面的分载采用在支墩下再加分载梁和分载板的方式。在地面均布荷载反力作用下,分载梁或分载板将受到弯矩作用,采用何种方式取决于弯矩的大小。当弯矩较小时常常采用分载板分载,当弯矩较大时则需要采用分载梁进行分载。
1、分载梁计算
由于支墩的刚度远大于分载梁的刚度,则可认为支墩在长度方向两端会产生较大的支座力,探出的分载梁受地面分布荷载的作用,在托架两端的支座位置产生最大弯矩。当校核不能满足时,可另选用高度更大的型钢进行分载。
2、分载板计算
分载板常采用钢板,由于髙度小,卸车时挂车的轮胎可以压在钢板上,因此在支墩的宽度方向上可探出。分载板的受力为悬臂矩形板受力,比较复杂,采用以下简化计算。
当校核不能满足时,可选用更厚的钢板或材料强度更高的钢板,或改用分载梁进行分载。常见分载钢板厚度取30 ~ 50mm。