抗傾覆穩定性

抗傾覆穩定性是指工程機械（如起重機等）在自重和外載荷作用下抵抗傾覆的能力。

基本介紹

• 中文名：抗傾覆穩定性
• 外文名：stability against overturning
• 概述：抗傾覆的能力
• 方法：力矩法
• 性質：名詞

機抗傾覆穩定性的校核方法

保證起重機具有足夠的抗傾覆穩定性，是起重機設計中最基本的要求之一。國內外對起重機抗傾覆穩定性的校核主要有三種方法：力矩法、穩定係數法和按臨界傾覆載荷標定額定起重量。

抗傾覆計算的力矩法

這是我國《起重機設計規範》所採用的方法，歐洲各國和日本等也廣泛使用。

力矩法校核抗傾覆穩定性的基本原則是：作用於起重機上包括自重在內的各項載荷對危險傾覆邊的力矩代數和必須大於或至少等於0，即∑M≥0

抗傾覆計算的穩定係數法

這是以往我國沿用前蘇聯的一種方法，獨立國協國家仍然在使用。

穩定係數定義為起重機所受的各種外力對傾覆邊產生的穩定力矩與傾覆力矩的比值，穩定係數作為起重機抗傾覆能力的判據，不能小於規定值。穩定係數有三種規定值：工作狀態考慮附載入荷的載重穩定係數為1.15；工作狀態不考慮附加的載重穩定係數為1.4；自重穩定係數為1.15。

按臨界傾覆載荷標定額定起重量

這是西方國家許多起重機製造公司常用的方法。

這種方法是通過實驗或計算，得出起重機在不同幅度下達到傾覆臨界狀態時的起升載荷，稱為“臨界傾覆載荷”，將其打折（乘以小於或等於1的係數）後，作為額定起升載荷。折扣的大小代表起重機抗傾覆穩定性的安全裕度。折扣越大或所乘係數越小，則抗傾覆穩定性裕度越大。

抗傾覆穩定性校核的基本原則

起重機的分組

在校核抗傾覆穩定性時，根據起重機的結構特徵、工作條件和對抗傾覆穩定性的要求，將起重機分為四組。

驗算工況

起重機的抗傾覆穩定性按下表工況進行校核。

危險傾覆邊的確定

傾覆邊指起重機發生傾覆時繞其翻轉的軸線。

高空作業平台抗傾覆穩定性分析

根據起重機設計規範，結合某型高空作業平台結構特點，採用力矩法建立高空作業平台抗傾覆穩定性數學模型，並在3 種工況下對某一支腿布置方案穩定性進行分析計算，得出單、雙人負載時高空作業平台穩定性係數範圍，結果表明高空作業平台在其作業範圍內可達到整體穩定。

高空作業平台組成及工況分析

1 組成：

某型高空作業平台總重約為 3 800 kg，上迴轉機構可繞底座旋轉360°，整體三維模型，包括支腿、迴轉支承及車體、伸縮臂、飛臂和吊籃等部分。最大工作高度為 23 m，單人負載水平工作半徑為 12 m，雙人負載水平工作半徑為 9 m。

2 工況分析：

工況1： 伸縮臂全伸，伸縮臂與飛臂中心線重合，伸縮臂與水平夾角α 在單人負載、雙人負載時為 60° ～ 86°。

工況2： 伸縮臂與水平夾角保持不變，即雙人負載α 為 66°，單人負載α 為 60°，飛臂與水平夾角β 在0 ～ α 之間變化。

工況3： 伸縮臂與水平夾角α 變化範圍為雙人負載為 0 ～ 66°，單人負載為 0 ～ 60°，飛臂保持水平。

對3 種工況進行力學分析，從而確定高空作業平台的抗傾覆性能。

建立抗傾覆穩定性模型及求解

1 模型的建立：

借鑑已有起重機整體抗傾覆穩定性的計算方法，採用力矩法分別求出穩定力矩和傾覆力矩。吊籃、負載及飛臂重量為傾覆載荷，伸縮臂自重分為 2 部分，一部分自重認為作用在伸縮臂根部 G_b ，可等效為穩定力矩；另一部分自重 G_h 作用在伸縮臂端部，等效為傾覆力矩。

2 抗傾覆穩定性模型求解

利用 Matlab 軟體對工作範圍曲線上穩定性係數K 進行分析計算，分別得出3 種工況下，支腿位於縱向距離l = 2 700 mm，橫向距離B = 5 485mm 布置方案且臂架迴轉面在縱向距離l 位置情況下的穩定性係數K 與伸縮臂、飛臂與水平線夾角α、β 的關係曲線。

1)工況1 時，在雙人負載和單人負載情況下，當α 在60° ～ 86°範圍內變化時，穩定性係數K 隨著 α 的增加而增加。

2)工況2 時，在雙人負載和單人負載情況下，當β 分別在0 ～ 66°和 0 ～ 60°範圍內變化時，穩定性係數K 隨β 的增加而增加。

3)工況3 時，在雙人負載和單人負載情況下，當α 分別在0 ～ 66°和 0 ～ 60°範圍內變化時，穩定性係數K 隨α 的增加而減小。

分析計算得出與工況對應的 K 值。可知此型號高空作業平台在極限工作狀態抗傾覆穩定性係數K 大於1，由此可根據規範判定其達到整體抗傾覆穩定性。

鋼箱梁橋抗傾覆穩定性分析

鋼箱梁橋具有抗扭剛度大、受力性能好、結構自重輕、加工方便、施工期短等優點，在城市高架橋中得到了廣泛的運用，尤其在跨線等特殊場合下套用非常方便。

在城市高架橋橋下部結構設計時，為減少占用橋下空間、增加視野和橋形美觀，橋墩往往採用獨柱支承方式。這種形式的鋼箱梁橋受力狀態較為複雜，對橫向抗傾覆穩定非常不利。

工程實例

1有限元模型的建立：

採用 Midas 建立連續鋼箱梁的有限元模型。箱梁頂寬 12.5 m，箱梁底寬 8.5 m，中心梁高 1.6 m。上部結構共離散為 49個節點，48 個單元，單元最大長度為 2 m。

連續鋼箱梁橋荷載取值如下：主梁自重由程式自動計算，考慮到模型中未包含橫隔板等構件重量，自重係數取 1.15；二期恆載包括防撞護欄與橋面鋪裝，以均布荷載計入；汽車荷載為公路 I 級，3 車道，利用 Midas 的車道偏載功能考慮 1~3 車道的偏載情況，取最不利的情況；溫度作用包括整體升、降溫與梯度溫度，參照規範選取；支座沉降考慮各墩不均勻沉降 1 cm。

2計算結果：

為了防止橋樑的橫向傾覆，設計中採用保證每一個支座都不出現負反力，即均不脫空的方式來進行控制。

用 Midas 進行建模計算，對結果進行比較分析，發現使結構出現最大負反力的原因為汽車的偏載。

選取結構的兩種典型工況進行分析：

工況一：自重 + 二期恆載 + 汽車偏載最不利 +支座沉降最不利；

工況二：自重 + 二期恆載 + 汽車偏載最不利 +支座沉降最不利 + 整體升溫 + 梯度降溫。

兩種工況下，鋼箱梁橋在成橋狀態各種荷載組合下，端支座會出現負反力，即原設計存在橫向傾覆問題。

結果分析

當中墩支座不變，蓋樑上的支座間距由 6m 變為 6.8 m、7.2 m 時，結構在工況三下的支座反力：端支座的間距越大，鋼箱梁橋在成橋狀態下的負反力值越小，結構的橫向抗傾覆穩定性越好。

當端支座不變，中墩由單支座變為雙支座時（支座間距也為 6 m），結構在工況三下的支座反力：中墩設定雙支座以後，鋼箱梁橋在成橋狀態下不出現負反力，有利於結構的橫向穩定。

當所有支座不變，在鋼箱梁兩端 5 m 的範圍內灌注一半梁高的混凝土時，結構在工況三下的支座反力：在設定一定的混凝土壓重的情況下，鋼箱梁橋在成橋狀態下不出現負反力，結構的橫向抗傾覆穩定性比原設計情況好。

以上三種方法如根據具體情況結合使用，也可以達到使結構不出現負反力，且最佳化設計目的。

獨柱墩彎橋抗傾覆穩定性分析

現澆箱梁獨柱墩彎橋具有整體性能好、抗扭剛度大以及視覺通透、外形美觀等優點。但結構的受力特點又決定了其抗傾覆穩定性對結構的安全性能存在極大影響。通過對某獨柱墩連續箱梁彎橋結構抗傾覆穩定性進行驗算，分析其原因，為消除相應橋型的安全隱患提供了依據。

抗傾覆驗算分析

箱梁橋傾覆是在汽車荷載的作用下，單向受壓支座依次脫空，邊界條件失效而失去平衡的過程。結構傾覆時，事前並無明顯表征，其危害性極大。

在作用標準值組合 （汽車荷載考慮衝擊作用） 下，單向受壓支座不應處於脫空狀態。

（1） 對於正交橋樑、斜交角 30°以內的斜交橋樑，傾覆軸線為位於箱梁橋中心線同側的橋台支座連線。

（2） 對於彎橋，當跨中橋墩全部支座位於橋台外側支座連線內側時，傾覆軸線為橋台外側支座連線；當跨中橋墩全部支座位於橋台外側支座連線外側時，傾覆軸線取為一橋台外側支座和跨中橋墩支座連線。

分析箱梁橋的傾覆過程，橋台側支座容易脫空，這是傾覆過程的開始，此時結構受力體系發生變化，因此，在作用標準值組合 （汽車荷載考慮衝擊作用） 下不應出現支座脫空。

橋樑傾覆的前提條件是支座要脫空，通過檢查支座在汽車荷載下是否脫空，來判斷橋樑是否會傾覆。如果支座均未脫空，並且有很大富餘量，則認為此橋不會傾覆。

結論

根據恆載和汽車荷載的計算結果，該橋支座在工況一和工況二均未產生負反力，不會發生支座脫空的現象。但在工況三的作用下，兩個橋台部分支座在汽車荷載作用下出現負反力，應儘量避免該工況發生；支座承載力基本滿足設計要求；出現負反力後，經過傾覆係數計算，傾覆係數均大於 2.5。通過對三個工況橋樑抗傾覆穩定性的驗算可見，橋樑雖然能夠滿足抗傾覆穩定性的要求，但在超載重車的作用下則會出現支座脫空，給正常運營的獨柱墩橋樑的安全性帶來很大隱患。應加強正在運營的獨柱墩橋樑的檢測和動態觀察，制定有效的檢測措施，確保其安全運營。

抗傾覆穩定性是獨柱墩橋樑，尤其是獨柱墩彎橋的一個重要技術指標，對其進行抗傾覆驗算是必要的。當前無相關規範對橋樑的抗傾覆安全性進行評價，在獨柱墩橋樑建設的實際工作中，應該對橋樑建設進行全方位、多角度的考慮，提高結構的可靠度，保證橋樑安全，為車輛的安全通行創造良好條件。對於已修建好的橋樑，應加強對交通的組織和管理，考慮車輛通行對橋樑可能帶來的不利影響，避免過度超載的車輛在橋上行駛，保證車輛的安全通行，保障橋樑結構的安全。