Проектирование и расчет крановых металлических конструкций

Министерство науки и высшего образования  
Российской Федерации 

Уральский федеральный университет 
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

В. П. Жегульский, В. И. Миронов, О. А. Лукашук 

Проектирование и расчет  
крановых металлических  
конструкций 

Учебное пособие 

Под общей редакцией кандидата технических наук,  
доцента О. А. Лукашук

Рекомендовано методическоим советом  
Уральского федерального университета  
для студентов вуза, обучающихся  
по направлению подготовки 23.03.02 — Наземные  
транспортно-технологические комплексы 

Екатеринбург 
Издательство Уральского университета 
2019 

УДК 621.874(075.8) 
ББК 39.9-02я73 
          Ж46 

Рецензенты:
кафедра горных машин и комплексов Уральского государственного 
горного университета (завкафедрой проф., д-р техн. наук Н. М. Суслов);
проф., д-р техн. наук И. Г. Емельянов, главный научный сотрудник 
Институт машиноведения Уральского отделения Российской академии наук (ИМАШ УрО РАН) 

На обложке использовано изображение с сайта https://is.gd/WMB0T8

Ж46
Жегульский, В. П.
Проектирование и расчет крановых металлических конструкций : учебное пособие / В. П. Жегульский, В. И. Миронов, 
О. А. Лукашук ; под общ. ред. канд. техн. наук, доц. О. А. Лукашук ; Мин-во науки и высш. образования РФ. — Екатеринбург :  
Изд.-во Урал. ун-та, 2019. — 184 с.
ISBN 978-5-7996-2771-3

В пособии рассмотрены основные положения расчета и проектирования металлических конструкций мостовых кранов на основе действующей нормативно-технической документации: основные положения по выбору расчетных случаев нагружения конструкций, методы расчета; выбор конструкционных материалов; расчеты 
необходимых размеров конструкции с учетом их оптимизации, основные принципы 
конструирования мостов и их элементов. Дана методика выполнения курсовой работы по дисциплине «Проектирование металлоконструкций подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин».
Предназначено для студентов всех форм обучения направления 23.03.02 «Наземные транспортно-технологические комплексы», учебные планы которых предусматривают практические занятия и выполнение курсовой работы по дисциплинам «Строительная механика подъемно-транспортных, строительных и дорожных 
машин» и «Проектирование металлоконструкций подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин».
Библиогр.: 24 назв. Табл. 35. Рис. 76. Прил. 2.
УДК 621.874(075.8) 
ББК 39.9-02я73

ISBN 978-5-7996-2771-3
© Уральский федеральный 
     университет, 2019

Введение 

Г

рузоподъемные машины — высокоэффективное средство комплексной механизации и автоматизации подъемно-транспортных, погрузочно-разгрузочных и складских (ПРТС) работ.
Применение таких машин уменьшает объем использования тяжелых ручных операций и способствует резкому повышению производительности труда.
Работоспособность, надежность и безопасность эксплуатации грузоподъемных кранов во многом зависят от качества исполнения их 
несущих металлоконструкций. В связи с этим к крановым металлоконструкциям предъявляются определенные требования: прочность, 
общая и местная устойчивость их элементов, статическая и динамическая жесткость, выносливость и вместе с тем минимально возможная масса, высокая технологичность изготовления, ограниченные габариты и др. Выполнение этих требований должно обеспечиваться 
на стадии проектирования.
Пособие создано с учетом существенных изменений, произошедших за последние годы в нормативно-технической литературе, посвященной вопросам расчета и проектирования грузоподъемных кранов. 
В работу включены также материалы научных разработок последнего времени, не отраженные в ранее выпущенных изданиях. Указанное позволит студентам, обучающимся на специальности «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование», 
ознакомиться с уточненными методами расчета и проектирования металлических конструкций мостовых кранов и в процессе выполнения 
курсовой работы по дисциплине «Строительная механика и металлические конструкции» приобрести практические навыки расчетнопроектных работ, связанных с металлическими конструкциями грузоподъемных кранов.

1. Основные  положения расчета 

1. Основные  
положения расчета 

В 

процессе эксплуатации кран испытывает различные воздействия: силовые нагрузки (весовые, динамические, ветровые 
и др.) в различных сочетаниях. При любом сочетании этих 
воздействий металлоконструкция должна сохранять работоспособность, обеспечивающую безопасность эксплуатации крана, т. е. напряжения, действующие в элементах конструкций, не должны превышать допустимый уровень их несущей способности.
Основополагающим документом по расчетам несущей способности 
является ГОСТ 28609–90 «Краны грузоподъемные. Основные положения расчета» [4]. Этот стандарт регламентирует рассмотрение расчетных ситуаций, величин и комбинаций расчетных нагрузок, применение определенных методов расчета.

1.1. Расчетные ситуации 

При расчете крана следует учитывать следующие расчетные ситуации:
— установившуюся, имеющую продолжительность того же порядка, 
что и срок службы крана или отдельных его элементов до списания или капитального ремонта (если он планируется);
— переходную, имеющую небольшую продолжительность по сравнению со сроком службы крана (транспортировка, монтаж и т. п.);
— аварийную, характеризующуюся малыми продолжительностью 
и вероятностью появления.

1.2. Расчетные нагрузки 

Указанные ситуации определяют выбор соответствующих расчетных схем и условий нагружения их элементов, а также видов предельных состояний и других показателей, определяющих несущую способность и работоспособность конструкции.

1.2. Расчетные нагрузки 

Вне зависимости от принятого метода расчета необходимо учитывать нагрузки следующих видов:
— систематические, действующие при условиях, определенных эксплуатационной документацией, как то: силы тяжести элементов 
крана и поднимаемого груза, динамические нагрузки, а также 
нагрузки, возникающие при выполнении краном каких-либо 
специальных технологических операций;
— случайные, обусловленные метеорологическими факторами рабочего состояния, для мостовых кранов — нагрузки от переко- 
са и др.;
— исключительные — ветровые нагрузки нерабочего состояния, испытательные, сейсмические нагрузки и т. п.;
— прочие — нагрузки, возникающие в процессе транспортировки 
и монтажа крана.
При выполнении расчетов для каждого расчетного случая составляются расчетные комбинации нагрузок, регламентируемые нормами расчета соответствующего типа крана и технологией его работы.
Нагрузки подразделяются на нормативные и расчетные.
Нормативные нагрузки задаются техническим заданием на проектирование, например, грузоподъемность крана, весовые нагрузки 
принятые по аналогии с ранее выполненными конструкциями, а также принимаемые по спецификациям, справочной литературе и т. д.
Расчетные нагрузки назначаются с учетом возможного отклонения, 
как правило, в сторону увеличения:

 
P = PН gf,  
(1.1) 

где P — расчетная нагрузка; PН — нормативная нагрузка; gf — коэффициент надежности по нагрузке, принимаемый по нормативам на проектирование.

1. Основные положения расчета  

1.3. Комбинации нагрузок 

Комбинации нормативных и расчетных нагрузок, рекомендуемые 
ВНИИПТМАШ [13, 18], приведены в табл. 1.1.
Обозначения в табл. 1.1 следующие.
I, II, III — расчетные случаи нагружения:
I — расчет на действие нормальных эксплуатационных нагрузок: работа с эквивалентными грузами (как правило, меньше номинальной 
грузоподъемности и с учетом распределения масс грузов по количеству циклов). Данная комбинация используется при расчетах на выносливость;
II — расчет на действие максимальных рабочих нагрузок. Комбинация рассматривается при проектных и проверочных расчетах на прочность и устойчивость;
III — расчет на действие нерабочих нагрузок (ураганного ветра, аварийных нагрузок и др.). Учет ветрового давления производится при 
пролете крана свыше 32 м.
Буквы А, Б, В, Г означают комбинации при различных сочетаниях работы крана:
А — кран и тележка неподвижны, производится ускоренный подъем 
(или торможение при опускании) груза. Комбинация нагрузок применяется для проектного или проверочного расчета главных балок моста в средней части пролета;
Б — разгон (торможение) крана при расположении тележки с грузом в середине пролета при совместном действии вертикальных и горизонтальных нагрузок;
В — движение крана при расположении тележки с грузом у концевой балки. Комбинация используется для проверки прочности опорного сечения пролетной балки, концевой балки и узла сопряжения 
балок при совместном действии вертикальных нагрузок и горизонтальной силы перекоса;
Г — положение тележки с номинальным грузом в средней части пролета. Комбинация используется для проектного и проверочного расчета статической жесткости крана в вертикальной плоскости, в том числе и при действии испытательного груза. В последнем случае расчеты 
проводятся на действие испытательного груза GИСП. По правилам Ростехнадзора [14] GИСП = 1,25GН.

1.4. Методы расчета 

Таблица 1.1
Комбинации нагрузок мостовых кранов общего назначения

Нормативные нагрузки
Комбинации расчетных нагрузок

Виды нагрузок
Обозначения
I А
I Б
II А
II Б
II В
II Г III

Вес металлической конструкции 
крана с учетом коэффициента толчков КТ

GМК
GМК
KMKQGМ gМGМК gМКТGМК gМGМК –
GМК

Вес оборудования 
на конструкции
Gi
gGGi
gGGi
gGGi
gGGi
gGGi
–
Gi

Вес тележки
GT
GT
GT
gТGТ
gТGТ
gТGТ
GТ
GТ
Вес груза GГ, включая грузо-захват 
с учетом динамических коэффициентов ψI и ψII

GГ
ψIgГGГ
gГGГ
ψIIgГGГ
gГGГ
gГGГ
GН
–

Горизонтальные 
силы инерции
PИ
–
PИ
–
PИ
–
–
–

Сила перекоса при 
движении крана
PПЕР
–
–
–
–
PПЕР
–
–

Давление ветра
PВЕТ
–
–
PВЕТ
PВЕТ
–
–
PВЕТ

1.4. Методы расчета 

В соответствии с ГОСТ 28609–90 расчеты металлоконструкций грузоподъемных кранов должны производиться преимущественно по методу предельных состояний.
Под предельным состоянием металлоконструкций понимается достижение неработоспособного состояния вследствие недопустимых 
дефектов, препятствующих безопасности эксплуатации, а восстанов

1. Основные положения расчета  

ление работоспособности или технически невозможно, или экономически нецелесообразно.
Для крановых металлоконструкций установлено два предельных 
состояния.
Первое предельное состояние — потеря несущей способности по условиям:
— разрушения (хрупкого, вязкого, усталостного) элемента или соединения конструкции;
— достижения состояния, при котором дальнейшее увеличение нагрузок приведет к переходу конструкции или ее элемента в изменяемую систему (например, вследствие потери устойчивости 
формы или достижения напряжениями в отдельных зонах сечения предела текучести).
Основная расчетная зависимость при проверочных расчетах:

 
S a
g
g
i
i
fi
d

P
R
Н
Ф
Ј
,  
(1.2) 

при проектных расчетах 

 
Ф
Н
і Sa
g

g

i
i
fi

d

P

R
,  
(1.3) 

где PНi — нормативные значения внешних нагрузок для принятого 
расчетного случая; αi — усилие (момент) в рассчитываемом элементе (сечении) при Pi = 1; gfi — коэффициенты надежности по нагрузке 
(коэффициенты перегрузки), учитывающие возможность отклонения действительной величины нагрузки от ее нормативного значения; 
Ф — геометрический фактор, зависящий от вида деформации элемента (площадь поперечного сечения, момент сопротивления и др.); R — 
расчетное сопротивление материала при данном виде деформации; 
gd — коэффициент неполноты расчета, учитывающий: степень ответственности рассчитываемого элемента, зависящую от возможных последствий его разрушения; отклонение фактических геометрических 
размеров конструкции от проектных; качество изготовления конструкций; несовершенства расчета, связанные с неточностью расчетных 
схем, неполнотой принятых методов расчета.
В общем случае коэффициент gd рассчитывается следующим образом:

 
gd = g1 g2 g3,  
(1.4) 

1.4. Методы расчета 

здесь g1 — коэффициент, учитывающий ответственность рассчитываемого элемента, т. е. возможные последствия от его разрушения.
Обычно различают следующие случаи последствий [5]:
— разрушение не вызывает прекращение работы крана;
— разрушение вызывает остановку крана без повреждения или с повреждением остальных элементов;
— разрушение элемента вызывает разрушение крана.
Рекомендации по выбору величины коэффициента (g1=1,0…0,75) 
приведены в [22].
g2 — коэффициент, учитывающий отклонения в геометрических 
размерах конструкции и качестве соединения элементов.
Можно принимать g2 = 0,90…0,95 для заводских соединений  
и g2 = 0,80…0,75 для монтажных и ремонтных соединений.
g3 — коэффициент, назначаемый в зависимости от неточности расчетных схем и неполноты принятых методов расчета. Максимальное 
значение коэффициента не может превышать g3 = 1,00.
Второе предельное состояние — потеря несущей способности по условиям:
— возникновения деформаций, препятствующих нормальной эксплуатации крана при сохранении несущей способности по условиям первого предельного состояния;
— возникновения длительных незатухающих колебаний, препятствующих достижению необходимой точности работы (для монтажных кранов) и оказывающих неблагоприятные воздействия 
на машиниста крана.
Расчетные зависимости второго предельного состояния:

 
SP
C
f
i =
ПРЕД ;  
(1.5) 

 
t
t
З
ПРЕД
Ј
,  
(1.6) 

где SРi  — расчетная комбинация нормативных нагрузок (gf = 1,0); С — 
коэффициент жесткости конструкции; tЗ — фактическое (расчетное) 
время затухания колебаний конструкции после подъема груза; fПРЕД 
и tПРЕД — предельные величины упругого прогиба и времени затухания колебаний.
Величина fПРЕД регламентируется нормами расчета и проектирования в зависимости от типа крана [13, 18].