Согласно техническим условиям и нормам бывш. треста «Союзпроммеханизация» на проектирование кабельных кранов, в расчетах подвижных и качающихся башен усилия от собственного веса конструкций, противовеса и механического оборудования, а также от натяжения канатов учитывают с коэффициентом динамичности 1,1. Элементы конструкций, непосредственно воспринимающие усилия от рабочих канатов, рассчитывают с учетом коэффициента динамичности 1,3. Балки, воспринимающие нагрузки от механического оборудования (лебедок и пр.), рассчитывают с учетом коэффициента динамичности 1,2.

При исчислении нагрузки от составляющей натяжения канатов при забеге опор величину забега принимают для кранов с пролетами 200—500 м в пределах 3—2% от длины пролета (большие значения для меньших пролетов).

Нагрузками нерабочего состояния (группа II) являются:
а) собственный вес конструкций, противовеса и механического оборудования крана;
б) натяжения несущих и других канатов при ненагруженной грузовой тележке, находящейся у некачающейся опоры;
в) составляющая натяжений канатов при забеге башен;
г) ветровая нагрузка по ГОСТ 1451-42 для нерабочего состояния;
д) нагрузка от обледенения канатов;
е) снеговая нагрузка на конструкции крана.

В расчете учитывается только та из трех последних нагрузок (ветровой, от обледенения канатов и снеговой), которая для данного конкретного случая расчета является наибольшей.

Обычно снеговая нагрузка для опор кабельных кранов не бывает расчетной, и поэтому ограничиваются только оценкой ее значения. Подобным же образом обычно не является расчетной для опор башенного типа нагрузка от обледенения канатов; однако для опор с расчалками эта нагрузка может оказаться расчетной в районах с большой интенсивностью гололеда.

К числу случайных нагрузок (группа III) относятся:
а) собственный вес конструкций в условиях монтажа или демонтажа металлоконструкций и механизмов, а также при посадке качающейся опоры на монтажную тумбу; в последнем случае натяжение канатов принимают равным расчетному, определяемому соответствующим проектом организации работ;
б) ветровая нагрузка нерабочего состояния по ГОСТ 1451-42, интенсивность которой при расчете отдельных элементов опоры в процессе их подъема принимается соответствующей скоростному напору 100 н/м2 (10 кГ/м2);
в) тяговое усилие одной из приводных подбашенных тележек подвижной опоры при неподвижной второй тележке.

Допускаемые напряжения для стальных конструкций, заклепок и сварных швов, принятые в технических условиях и нормах быв. треста «Союзпроммеханизация» на проектирование кабельных кранов соответственно для расчетных случаев рабочего состояния (I), нерабочего состояния (II) и случайных нагрузок (III), приведены в табл. 16—17.

Таблица 16
Допускаемые напряжения для заклепочных и болтовых соединений

Таблица 17
Допускаемые напряжения для сварных швов

Примечание. Для швов, выполняемых в процессе монтажных работ, допускаемые напряжения понижаются на 15% против указанных в таблице.
Расчет металлоконструкций кабельных кранов производят по общим правилам строительной механики, поэтому в дальнейшем изложении приводятся только некоторые особенности и приемы расчета, вызываемые спецификой рассматриваемых конструкций. При этом большинство приемов сводится к тем или иным приближениям и допущениям, которые позволяют простейшим способом определять величины усилия в рассчитываемых элементах конструкций без снижения принимаемых норм запаса прочности.

Расчет треноги стационарного крана (рис. 168). В общем случае равнодействующая натяжений всех канатов RH приложена с эксцентрицитетом с по отношению к вершине А треноги.

Составляющая V передается только на плоскость ABC и может быть разложена по направлениям А В и АС; составляющая Н, перенесенная в точку Л, может быть разложена по направлениям АК и AD. Усилие, идущее по фиктивному стержню АК, далее разлагается по направлениям действительных стержней АВ и АС.

Момент М = Нс, получающийся от переноса составляющей Н в точку Л, воспринимается фиктивной стойкой (плоскостью ABC). Эпюра моментов распределяется поровну между стержнями АВ и АС.

Кроме того, необходимо учитывать усилия, возникающие от продольных сил и изгиба всех ног под действием их собственного веса. При этом ноги АВ и АС для упрощения расчета рассматривают как две самостоятельные балки с концами, заделанными в точке А.

Рис. 168. Схема к расчету опоры-треноги стационарного кабельного крана.

Зная величины продольных усилий и имея эпюры изгибающих моментов, определяют напряжения элементов, пользуясь уже упоминавшимися нормами и техническими условиями проектирования стальных конструкций (Н и ТУ 1—46, Стройиздат, 1947).

Усилия в решетках элементов определяют на основании эпюр перерезывающих сил, получаемых обычным путем по эпюрам изгибающих моментов.
Аналогично основным усилиям определяют усилия от ветровой нагрузки. Ветровая нагрузка может действовать на опору в разных направлениях. Обычно расчетным является действие ветра нормально к пролету.

На рис. 169, а приведена схема приложения ветровой нагрузки. В этой схеме W\ — ветровая нагрузка, передающаяся на опору от канатов (половина всей ветровой нагрузки на канаты и на тележку с грузом, находящуюся в непосредственной близости от опоры); W2 — половина ветровой нагрузки, приходящейся на оттяжку, и w — интенсивность боковой ветровой нагрузки, приходящейся на ноги АВ и АС. На рис. 169, б показана эпюра моментов от силы W\ и на рис. 169, в — эпюра моментов от ветра, непосредственно действующего на ноги опоры. Последняя эпюра обычно дает небольшие значения моментов и ее учитывают только при больших высотах опор. В целях упрощения ее строят в виде эпюр для двух балок АВ и АС с заделанными в точке А концами, а иногда, для еще большего упрощения,— в виде эпюр для двух свободно лежащих балок. Ветровые нагрузки вызывают также продольные усилия в элементах АВ и АС, определение которых производится обычным разложением в узле А, на направления АВ сил W\, W2, приложенных и АС.

Расчет треноги, имеющей упорные подкосы и заднюю вертикальную стойку, производится аналогично изложенному.

Рис. 169. Схема приложения ветровой нагрузки к опоре-треноге стационарного кабельного крана.

Рис. 170. Схема к расчету опоры-треноги одиночного радиального кабельного крана.

Расчет треноги одиночного радиального крана (рис. 170) по существу ничем не отличается от предыдущего случая, но, помимо рассмотрения основного расчетного положения крана A-I, в нем рассматривается крайнее возможное положение крана A-II, при котором

натяжения канатов раскладываются на направления A-I и перпендикулярное к нему. Возникающие от перпендикулярных составляющих натяжения ‘канатов усилия передаются непосредственно на плоскость ABC и могут вызвать значительное увеличение усилий, действующих в ее элементах.

Расчет треноги с задней вертикальной ногой производится аналогичным образом. Усилия, перпендикулярные к направлению A-I, воспринимаются подкосами.

Расчет треноги двойного радиального крана. Обычно для каждой нитки радиального кабельного крана на головке опоры имеется самостоятельная колонна. Расстояние между колоннами устанавливается так, чтобы при любом положении подвижных опор оборудование поворотных опор, оборудование поворотных головок и грузовые тележки на канатах не сталкивались одна с другой.

Рис. 171. Схема опоры-треноги двухниточного радиального кабельного крана.

Помимо указанных случаев рабочего состояния, следует рассмотреть аварийный случай в положении A-I, когда одна нитка радиального крана имеет максимальное натяжение, а другая отсутствует (например, оборвана), и когда крутящий момент достигает своей максимальной величины.
Напряжения в элементах треноги, возникающие от действия всех сил, в этом случае не должны выходить за пределы допускаемых по III группе.
В расчете треноги радиального кабельного крана с двумя нитками несущих канатов наиболее сложным является вопрос, как воспринимает тренога крутящий момент.

Головку треноги выполняют в виде мощной конструкции, жестко сопрягающей все ноги опоры между собой и являющейся заделкой для них. Опорные узлы ног сопрягаются с фундаментами так, что осуществляется их заделка, или для удобства монтажа сопрягаются с фундаментами с помощью цилиндрических шарниров (рис. 171).

Под действием крутящего момента Мкр головка опоры поворачивается в плане на некоторый угол, и изгибает при этом ноги. Так как оси цилиндрических шарниров опорных узлов всегда перпендикулярны оси пролета крана, то в плоскости действия изгибающих моментов ноги находятся в таких же условиях, как и в случае полной заделки.

Рассмотрим общий случай, когда все три ноги опоры имеют разные длины и разную жесткость на изгиб (рис. 172).

Рис. 172. Схема к расчету опоры-треноги кабельного крана на кручение.

Рис. 173. Характер и эпюра изгиба ноги опоры-треноги кабельного крана при ее кручении.

Рис. 174. Схема к расчету мачтовой опоры кабельного крана, у которого главная расчалка находится в одной вертикальной плоскости со стойкой и несущим канатом.

Из последнего вытекает, что расположение центра поворота зависит не просто от жесткостей ног на изгиб, а от их погонных жесткостей относительно тех осей, вокруг которых будет происходить изгиб.

Расчет опорных мачт производится разложением сил на плоскости с учетом того, что расчалки могут воспринимать только растягивающие силы.

Стойка воспринимает сжатие от вертикальной составляющей натяжения канатов и от составляющей, получающейся вследствие разложения силы Я на направления АВ и АС, а также от вертикальных составляющих предварительных натяжений всех расчалок.

Рис. 175. Схема к расчету мачтовой опоры кабельного крана, у которого главная расчалка не находится в одной вертикальной плоскости со стойкой и несущим канатом.

В случаях, когда главная расчалка состоит из двух ветвей, разложение силы Я производят сначала в плоскости стойки АВ и фиктивной расчалки АС (как бы находящейся в плоскости канатов и стойки) и соответственно в плоскости главных расчалок. Затем полученное усилие фиктивной расчалки раскладывают по действительным направлениям.

В случаях, когда главная расчалка в плане не располагается по направлению канатов (рис. 175), натяжения Я последних раскладывают на составляющие Я’ и Н” по направлению главной расчалки АС и по направлению боковых расчалок С и С”. После этого отдельно рассматривают систему ABD с действующей в ней силой Я и систему ABC” с действующей в ней силой И”. Разложением этих сил на направление стойки и соответствующих расчалок находят в дальнейшем усилия в последних (расчалка АС исключается, так как она не может воспринимать усилие сжатия). Усилие в стойке от полной силы Я ооределяется складыванием усилий в стойке от действия сил Я’ и Н”.

Стойки, как правило, опираются на фундаменты шаровыми пятами. При определении расчетной длины стоек, необходимом для проверки их на продольную устойчивость, следует также учитывать, изменяется ли сечение стойки по длине.

При расчете мачт учитывается не только натяжение канатов, но и вес стоек, лестниц, площадок и др., ветровая нагрузка на стойку и расчалки,

Рис. 176. Схема к расчету мачтовой опоры кабельного крана с боковыми расчалками.

Рис. 177. Схема к расчету мачтовой опоры кабельного крана с сокращенным количеством расчалок.

При расчете стойки на ветровую нагрузку она рассматривается как свободно лежащая балка на двух опорах, причем верхней опорой служат те расчалки, которые растянуты при соответствующем направлении ветра.

Рис. 178. Расчетная схема некачающейся передвижной опоры кабельного крана.

Рис. 180. Схема усилий, действующих при забеге опор кабельного крана.

Рис. 182. Схема усилий, действующих при трогании и торможении передвижной опоры кабельного крана.

Рис. 183. Схема деформаций опоры кабельного крана от силы инерции противовеса.

Наибольшее значение имеет сила инерции противовеса, которая вызывает усилия в элементах горизонтального моста и изгиб стойки (рис. 183).

Деформация моста имеет сложный характер и складывается из трех элементов:
1) удлинения (или укорочения) подкосов моста;
2) изгиба подкосов моста в горизонтальной плоскости вследствие заделки в узлах;
3) кручения моста.

Рис. 184. Эпюры моментов при трогании с места (а) и при торможении (б) передвижной опоры кабельного крана.

Деформация стойки имеет менее сложный характер; она испытывает поперечный изгиб в вертикальной плоскости, параллельной подкрановому пути (под действием момента от силы инерции), и кручение относительно своей вертикальной оси вследствие изгиба моста в горизонтальной плоскости. При этом, учитывая, что подкосы горизонтального моста имеют малую погонную жесткость и что действующие силы приложены в узле, принимают, что изгиба подкосов в горизонтальной плоскости и, следовательно, кручения стойки не происходит.

Исследования кабельных кранов, произведенные ВНИИПТМАШем, показали, что стойки работают на инерционные силы и силы сопротивления передвижению как свободно лежащие балки на двух опорах. Что же касается моста, то его следует рассчитывать на горизонтальную силу, равную реакции в точке D.

Сила Т прикладывается к стойке по центру балансира холостой тележки. Эпюры моментов при трогании и торможении получают как сумму эпюр от силы Г и силы инерции (рис. 184), причем при трогании направления сил инерции совпадают, а при торможении оказываются обратными друг другу.

Определение усилия от ветровых нагрузок. Обычно ветровые нагрузки не вызывают в конструкциях передвижных опор кабельных кранов расчетных напряжений, поэтому оценку их производят исходя из простейших приближений.

Расчет ведут на сосредоточенную нагрузку, приложенную к вершине опоры, полагая, что эту нагрузку воспринимает только подкосная ферма. Такое предположение позволяет веста расчет аналогично расчету при определении усилий от ‘забега опор с использованием переходного коэффициента. Кроме того, если подкосная ферма состоит из отдельных ног, то последние рассчитывают на местный изгиб от равномерно распределенной ветровой нагрузки как свободно лежащие балки.

Расчет затяжки при наезде башенной опоры на упор. Помимо усилий, которые затяжка воспринимает при всех раосмотренных ранее случаях загружения как составной элемент общей конструкции опоры, она в некоторых случаях работает самостоятельно, не вовлекая в работу другие элементы опоры.

Рис. 185. Схема усилий, передающихся на передвижную опору кабельного крана при наезде ее на упор.

Это будет в тех случаях:
а) когда передвигающаяся опора одной подбашенной тележкой наедет на упор, а другая тележка, поскольку двигатель остается включенным, будет продолжать движение, сжимая и выпучивая затяжку силой Г (рис. 185);
б) когда вращение валов двигателей тележек вследствие каких-либо неисправностей будет происходить навстречу друг другу. В этом случае (Вместо реакции упора, равной по величине и направлению силе Т, будет действовать активная сила Т, а работа затяжки останется такой же, как и в предыдущем случае;
в) когда передняя по ходу приводная тележка окажется неисправной и опора будет проталкиваться задней приводной тележкой. В последнем случае сила Т не может превышать силы сопротивления перемещению тележки.

Определение усилий в затяжке от заданной силы производится построением диаграммы сил.

Расчет качающейся передвижной башенной опоры. Расчетным положением для качающейся башенной опоры является такое положение, при котором груженая грузовая тележка находится у головки опоры или на наименьшем расстоянии от нее, предусмотренном схемой работы крана. При этом создается наибольшее натяжение несущего каната, вызывающее наиболее напряженное состояние элементов опоры. Сама опора занимает в это время наклонное положение, но для упрощения расчета, ввиду незначительности этого наклона, принимают, что она находится в исходном положении (задняя стойка ее вертикальна).

Рис. 186. Расчетная схема качающейся опоры кабельного крана.

Специфичным для расчета качающейся башенной опоры является наличие только одной опоры А (рис. 186), относительно которой рассматривается мгновенное равновесие башни. Определение направления реакции RA этой опоры производятся соединением точки А с точкой С, в которой пересекается
равнодействующая всех горизонтальных сил 2# и равнодействующая всех вертикальных сил Rv. При этом определение веса отдельных элементов производят на основании предварительных подсчетов, а определение веса противовеса Р% — на основании специального расчета устойчивости крана в целом.

Величина реакции RA В точке А раша равнодействующей всех внешних вертикальных и горизонтальных сил, действующих на башенную опору.
Дальнейший расчет качающейся башенной опоры аналогичен расчету некачающейся опоры.

Проверка устойчивости опор на опрокидывание. Опоры кабельного крана, подобно всяким другим сооружениям, должны обладать устойчивостью, гарантирующей их от опрокидывания при воздействии на них всех неблагоприятных факторов.

Силами, стремящимися опрокинуть опору, являются: натяжения канатов, эксцентрично приложенные вертикальные нагрузки, горизонтальная сила от забега одной передвижной опоры относительно другой, силы инерции и ветровая нагрузка.

Устойчивость неподвижных опор обеспечивается анкерным креплением к фундаментам. При наиболее неблагоприятных условиях запас (коэффициент) устойчивости этих опор (отношение момента всех удерживающих сил Му к моменту всех опрокидывающих сил М0, определенных относительно точки или грани, вокруг которой возможно опрокидывание) не должен быть меньше 1,3.

При определении устойчивости неподвижной опоры крана необходимо учитывать не только ветровую нагрузку, воспринимаемую неподвижной опорой непосредственно, но и ветровую нагрузку, приходящуюся на канаты и груз. При определении устойчивости вдоль пролета следует учитывать также ветровую нагрузку на противоположную башню (если последняя—качающаяся), передаваемую через канаты на неподвижную опору.

При определении опрокидывающего момента учитываются динамические коэффициенты, способные увеличивать его величину. В случаях, когда эти коэффициенты не могут быть раздельно учтены при подсчете опрокидывающих и восстанавливающих сил, необходимо сообразоваться с тем, чтобы пользование ими не повлекло за собой увеличения запаса устойчивости.

При расчете на устойчивость неподвижных опор радиальных кабельных кранов следует рассматривать отдельно положения подвижной опоры по оси обслуживаемого сектора и с края сектора, причем для последнего положения устойчивость должна быть проверена в двух направлениях соответственно составляющим V и Т” (вдоль оси крана и нормально к ней). В случае наличия в радиальном кране двух или нескольких передвижных опор, обслуживающих один сектор, проверку устойчивости неподвижной опоры производят аналогично предыдущему, но для положения, когда все передвижные опоры находятся в одном месте.

Расчет устойчивости передвижных опор производят в направлении пролета крана и в направлении, перпендикулярном к нему. В первом случае устойчивость определяют относительно головки наклонного рельса (при однорельсовьо подбашенных ходовых тележках подкосных ферм) или относительно оси шарниров, с помощью которых подкосные фермы сопрягаются с двухрельсовыми подбашенными тележками. Во втором случае (в направлении, перпендикулярном к пролету), устойчивость определяют относительно шарнира, с помощью которого подкосная нога опоры сопрягается с подбашенной тележкой.

При проверке устойчивости некачающейея башни нагрузки определяют так же, как и для неподвижной опоры стационарного крана, с той только разницей, что при проверке в направлении, перпендикулярном к пролету, учитывают силы инерции и забега.

Коэффициент устойчивости некачающейея опоры в направлении пролета должен быть не ниже 1,3, а в направлении, перпендикулярном к пролету, — не ниже 1,2. Достаточная устойчивость такой опоры обеспечивается надлежащим весом противовеса.

Рис. 187. Расчетная схема для проверки устойчивости опоры кабельного крана.

Увеличивать коэффициент устойчивости по сравнению с указанными его значениями, придавая избыточный вес против вовесу, не следует, так как при монтажных и ремонтных операциях, когда натяжение канатов снимается или резко снижается, давление на заднюю подбашенную тележку при увеличенном весе противовеса окажется чрезмерным.

Качающиеся опоры должны обладать устойчивостью при любом изменении натяжений канатов и при любом изменении воздействия ветра, причем в отличие от некачающихся опор устойчивость достигается за счет изменения их положения (качания относительно опорного шарнира). Чтобы обеспечить такое мгновенное равновесие, необходимо, чтобы величина момента восстанавливающих (удерживающих) сил всегда равнялась величине момента сил опрокидывающих, т. е. чтобы коэффициент k был равен единице. Наиболее удобным для расчета является положение качающейся опоры, когда задняя стойка ее вертикальна, а порожняя грузовая тележка располагается у некачающейся опоры.