桥式起重机主梁设计.docx
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桥式起重机主梁设计
第一章桥式起重机一般介绍
§1-1起重机及其分类
起重机械是用来进行起吊、空中搬运的一种设备,在社会生产及人们生活中具有重要作用,应用极为广泛。
据不完全统计,我国起重机械已发展到近千个品种和三、四千种规格。
根据我国现行的标准,起重机械大致可分为三大类。
一、轻小型起重设备
这种设备一般只有升降机构而无运行机构,属于这类设备的有:
千斤顶、手
动葫芦和电动葫芦(常配有运行机构)等。
二、升降机
只有升降机构而无运行机构,但有完善的安全装置,如电梯、升船机、物料
升降机即属于此类。
三、起重机
起重机一般是指除了有起升机构外还有水平运行机构的起重设备。
起重机根据水平运行的形式不同,又分为臂架式(旋转式)起重机和桥式起重机两种类型。
臂架式起重机除有起升机构外,通常还有旋转机构和变幅机构,可以在圆形场地及其上空作业。
这类起重机还可装设在运输工具上构成运行臂架起重机,如门座、塔式、汽车、铁路起重机等,特别适用于露头装卸及安装工作。
桥式起重机除有起升机构外,配有小车、大车两个运行机构,可在长方形场地及其上空作业。
这类起重机适用于车间、仓库及露天货场等处工作。
桥式起重机又有通用桥式起重机、冶金(专用)桥式起重机、龙门起重机等多种类型。
桥式起重机横架在固定跨间上空用来吊运各种物料及设备,又称“天车”或“行车”。
根据起吊装置不同,通用桥式起重机又分为吊钩(桥式)起重机、电磁盘(桥式)起重机和抓斗(桥式)起重机等三种,在实际生产中吊钩桥式起重机应用最多。
上述三种通用桥式起重机除抓取装置不同外,其结构基本相同。
§1-2通用桥式起重机的机构
通用桥式起重机主要由桥架(大车架)、大车运行机构、操纵室、装有升降机构和运行机构的小车以及电气设备等组成。
桥架是起重机的基本构件。
双梁桥架由两根主梁和两根端梁组成。
端梁中间一般带有接头,主梁有箱形、桁架等形式。
在主梁上方铺有钢轨,供小车运行。
在两主梁的外侧装有走台,设有安全栏杆。
在装有操纵室(驾驶室)一侧的走台上装有大车运行机构。
在另一侧走台上装有小车上所有电气设备的宫供电装置,如有滑触线、集电器和电缆线等。
大车运行机构由电动机、制动器、变速器、传动轴、联轴节、车轮等组成。
大车运行机构的驱动方式可分为集中驱动与分别驱动两种。
集中驱动时,只有一套驱动装置装于走台中部,驱动装置通过传动轴同时带动两个主动轮。
分别驱动时,在走台两端各有一套驱动装置分别带动两个主动轮,中间没有较长的传动轴。
分别驱动的优点是,由于省去传动轴,桥架自重较轻,安装和维修较方便,所以大部分起重机采用这种驱动方式。
操纵室又称驾驶室,是装于传动走台侧主梁下方一端的一个吊舱。
在操纵室内,装有大、小车运行机构、升降机构的操纵系统和有关装置。
操纵室上方有通向走台的舱口。
小车又称台车,主要包括小车架、小车运行机构和起升机构。
小车运行机构用以驱动小车沿主梁上的轨道运行。
起升机构用以吊起和放下物料。
§1-3通用桥式起重机的主要技术参数
一、起重量(Q)
起重量是指起重机允许吊起的最大重量,又称额定起重量,通常以吨作单位。
各种起重机的最大起重量,须符合国家标准规定(GB783-87)。
二、跨度(L)
桥架两端车轮垂直中心线间的距离,即大车轨道中心线间的距离称为起重机
的跨度,以米做单位。
起重机的跨度是根据厂房的跨度确定的,跨度值应符合国家标准规定(790-65)。
三、工作速度
工作速度包括起升速度、小车运行速度和大车运行速度(起重机运行速度)。
中、小起重量的起重机,起升速度一般在8~20米/分之间,A1~A5工作级别的取较低值,A6~A8工作级别的取较高值。
安装用起重机的起升速度一般在1~4米/分之间。
小车运行速度一般在30~50米/分,跨度大的取较高值,否则取较低值。
起重机运行速度一般在80~120米/分,过慢会降低生产效率,快则启动和制动时的振动冲击大。
四、工作级别
根据国标规定(GB3811-83),起重机的工作级别,按照其利用等级和载荷状态不同,分为A1~A8八级。
起重机的利用等级表示起重机被使用的频繁程度,起重机的利用等级按其在设计寿命期内总的工作循环次数(起吊的次数)分为十级(U0~U9)。
起重机的载荷状态表示起重机受载的轻重程度,它决定于每次起吊的实际重量及起吊各种重量的次数。
起重机的载荷状态分为四级:
Q1-轻级,表示很少起升额定载荷;Q2-中级,表示有时起升额定载荷,一般起升中等载荷;Q3-重级,表示经常起升额定载荷;Q4-特重级,表示频繁起升额定载荷。
设计起重机时,根据载荷状态和利用等级,即可从国标中查知起重机的工作级别。
工作级别不同,对设计计算的要求不同。
第二章设计原则及基本资料
§2-1主梁的设计计算原则
根据起重机设计规范(GB3811-83)规定,主梁采用许用应力法计算。
必须进行强度、稳定性和刚性计算,并满足规定要求,计算时一般不考虑材料塑性的影响。
对工作级别为A6、A7、A8级的主梁。
应进行疲劳强度计算,并满足规定的要求。
许用应力法,即在强度计算中以材料的屈服限,在稳定性计算中以稳定临界应力,在疲劳强度计算中以疲劳强度限除以一定的安全系数,分别得到强度、稳定性和疲劳强度的许用应力,构件的计算应力不得超过其相应的许用值。
刚性要求是指结构在载荷作用下产生的变形量,不超过许用的变形值。
许用应力有载荷组合的类别及材料决定。
§2-1设计主梁的基本材料
一、计算载荷
设计中直接使用的载荷,称为计算载荷。
由于起重机主梁受的外载荷很多,在进行设计计算时无法完全考虑,也没有必要完全考虑,因此只选择与其破坏形式有关的、具有典型性的载荷作为设计依据,这种载荷通常称为计算载荷。
作用在主梁上的载荷有:
固定载荷、活动载荷、水平惯性载荷等。
(一)固定载荷。
此类载荷按分布特点可分为两种。
1、固定均布载荷。
属于这类载荷的有:
1)主梁自重(q’)(包括主梁、轨道、走台、栏杆等)。
设计前参考同类产品初步估计或由有关图表查出。
2)集中驱动时,桥架运行机构产生的均布载荷(q’y)可从有关图表查出。
2、固定集中载荷。
属于这类载荷的有:
1)操纵室重量(Gc’)。
通常Gc’=1.3吨,作用点距梁一端距离为:
Lc=2.8m。
2)驱动部件重量(Gq’),根据起重量查有关图表。
注意集中驱动与分别驱动的差别。
集中驱动时,Gq’作用于跨中,分别驱动时作用于主梁两端。
大车运行机构重量(集中驱动)见表2-1所示。
表2-1大车运行机构重量(集中驱动)
起重量(Q)(t)
均布重量(q’y)(t/m)
集中重量(Gq’)(t)
5
0.06~0.065
0.7
10
0.065~0.07
0.75
15/3
0.07~0.075
0.85
20/5
0.08~0.085
1.0
30/5
0.09~0.1
1.2
50/5
0.12~0.15
2.0
100/20
0.18~0.2
3.0
起重机运行时,由于轨道接头或不平,会使主梁受到冲击作用,相当于主梁在垂直方向增加了一个附加载荷。
在设计计算时须考虑该附加载荷的作用,将上述各固定载荷均乘以大于1的系数,该系数称为运行冲击系数,用K表示。
K的大小与运行速度有关,可由公式算出,或由表2-2查出。
表2-2冲击系数K
运行速度(m/s)
<1.0
1.0~1.5
1.6~3.0
>3.0
K
1.0
1.1
1.2
1.3
因此,计算固定载荷分别为:
q=kq”,G=kG’。
式中:
q”=q’+q’y
G’=Gc’+Gq’
q’----主梁自重固定均布载荷;q’y----桥架运行机构产生的均布载荷。
Gc’----操纵室重量引起的固定集中载荷;Gq’----驱动部件引起的固定集中载荷
(二)活动载荷
活动载荷就是小车车轮作用在主梁钢轨上的轮压。
活动载荷包括小车自重和起重量两者作用的总和。
另外,起重机的起升机构在启动和制动时,重物对主梁会产生一个垂直惯性力的作用,在设计计算时,考虑重物惯性力的作用,将起重量乘以大于1的系数,该系数称为动力系数,用Φ表示。
Φ的大小与工作级别有关,可由表2-3查出。
表2-3动力系数值Φ
工作级别
A4(轻级)
A5(中级)
A6(重级)
Φ
1.1
1.2
1.3
因此,计算活动载荷,即小车车轮的计算压力为:
R=Px+ΦP0=Gx/2+ΦQ/2
Px——小车自重引起的车轮压力。
P0——起重量引起的车轮压力。
(三)水平惯性载荷
桥架运行时的起动和制动,将使主梁受水平惯性力的作用。
水平惯性力由两部分组成,如图2-1所示。
其一是带载小车引起的,小车上挠性悬挂着的起升质量按与起重机刚性连接对待,它以集中力的方式作用在跨度中间,通过小车轮与轨道侧向接触传给主梁。
其二是桥架质量(主梁自重)引起的,以均布载荷的方式作用在主梁上。
图2-1水平惯性力示意图
惯性力的大小,按质量与运行加速度乘积的1.5倍计算,“1.5”倍是考虑驱动力突变产生的动力效应。
加速度可由桥架运行速度及加(减)速时间算得,加(减)速时间如表2-4所示。
表2-4桥架运行速度及相应的加(减)速时间
运行速度(米/秒)
2.5
2
1.6
1
0.63
加(减)速时间(秒)
6.3
5.6
5
4
3.2
水平惯性力的最大值不应大于主动车轮与钢轨间的摩擦力。
该摩擦力为:
F=μP驱
式中:
μ——车轮与钢轨间的滑动摩擦系数。
P驱——作用于驱动车轮上的总压力。
通常取μ=0.14≈1/7,因此作用在两根主梁上的最大水平惯性力为P”惯=1/7P驱。
作用在一根主梁上的水平惯性力为:
P”惯=F/2=1/14P驱
在实际计算中,取P’惯=1/10P驱。
(四)扭转载荷
当确定扭转力矩时,须要考虑扭转载荷。
扭转载荷包括以下几部分。
1、悬臂作用的垂直载荷,如平台自重、桥架运行机构、滑线自重等。
2、水平惯性载荷。
3、钢轨与主梁轴线有偏差时产生的偏心作用的垂直载荷。
二、载荷组合
不同载荷同时对主梁起作用时,称不同载荷的载荷组合。
作用在起重机主梁上的各种载荷,并不是同时出现的,在设计时考虑各种载荷出现的机率,按最不利的情况,将载荷进行组合,进行计算,按许用应力法进行设计计算时,载荷组合有两种,如表2-5所示。
表2-5桥式起重机主梁的载荷组合
组合类型
载荷种类
Ⅰ
Ⅱ
垂直载荷
桥架自重
G+q
K(G+q)
小车自重
Px
Px
起升载荷
Φ’PQ等
ΦPQ
水平载荷
小车起、制动的惯性载荷
Φ’=(Φ+1)/2
PQ等=Q等/2=Φ等/2=Q额
Qs
第Ⅰ类载荷组合是用于进行疲劳强度计算的,该类组合为大车不动,小车位于所规定的位置起升或下降重量。
第Ⅱ类载荷组合是用于进行静强度计算的,即进行强度和稳定计算的,该类组合为小车位于跨度中部满载下降制动,同时大车平稳制动。
刚度计算时,不考虑水平惯性载荷。
三、主梁材料及许用值
主梁一般采用普通碳素结构钢A3、C3或普通低合金结构钢16Mn、15MnTi等材料。
A3钢的σs为24公斤/毫米2,16Mn的σs为35公斤/毫米2。
许用应力由材料和计算载荷组合决定,对Ⅱ类载荷组合可由表2-6计算。
表2-6安全系数和许用应力
安全系数
拉、压、弯许用应力
剪切许用应力
挤压许用应力
ηⅡ=1.5
[σ]Ⅱ=σs/1.5
[τ]Ⅱ=σⅡ/
[σc]Ⅱ=1.5[σ]Ⅱ
疲劳许用应力按下式计算:
r<0时,[σr]=1.67[σ-1]/(1-0.67r);
r>0时,[σr]=1.67[σ-1]/{1-[1-(σ-1)/0.45σb]r}
r为应力循环特性,决定于验算部位在第Ⅰ类载荷组合作用下产生的最大应力及最小应力。
[σ-1]为疲劳许用应力的基本值,即r=-1时的疲劳许用应力值。
[σ-1]可由表2-7查出。
表2-7疲劳许用应力基本值[σ-1](N/mm2)
接头形式
材料
工作级别
A4
A5
A6
对接焊缝,力的方向与焊缝垂直
A3
16Mn
158.3
158.3
126
126
100
100
筋板用双面角焊缝与腹板连接
A3
16Mn
113
113
90
90
71.4
71.4
桁架节点各杆件用角焊缝连接
A3
16Mn
67.9
67.9
54
54
42.8
42.8
σb为材料的抗拉强度,对A3钢取σb=380N/mm2,对16Mn取σb=500N/mm2。
起重机的刚性要求一般分为静态和动态两方面。
对一般的起重机不校核动态刚性。
静态刚性,指当满载小车位于跨中时,主梁(主桁架)由于额定起升载荷的小车自重在跨中引起的垂直静挠度(不考虑动力系数及主梁自重)。
工作级别为A5及A5以下的起重机,许用挠度[f]=L/700;工作级别为A6的起重机,[f]=L/800;工作级别为A7、A8的起重机,[f]=L/1000。
构件的许用长细比[λ]如表2-8所示。
表2-8构件的许用长细比[λ]
构件名称
许用长细比[λ]
受压杆
受拉杆
主桁架弦杆
主桁架其余杆件
所有其它杆件
120
150
250
150
200
350
焊缝的许用应力亦可从表2-9中查出
表2-9焊缝的许用应力
焊缝种类
对接
对接及角焊缝
压力种类
拉、压
剪切
符号
[σb]
[τb]
自动焊或严检手工焊
[σ]
[σ]/2
[σ]为构件材料的基本许用应力
第三章主梁的内力计算
§3-1求支座反力
一、固定载荷引起的支座反力
主梁载荷计算图如图3-1所示
图3-1主梁载荷计算图
固定载荷(q、Gq、Gc)引起的支座反力为:
RAB=Ql/2+Gq/2+Gc(L-Lc)/L
二、活动载(R)引起的支座反力为:
RAB=R(L-t1-x)/L
R——小车轮压的合力
t1——合力距左轮压距离
三、总支座反力
RA=RAB+RAR=qL/2+Gq/2+Gc(L-Lc)/L+R(L-t1-x)/L
§3-2求剪力
一、固定载荷产生的剪力
固定载荷在X截面上产生的剪力包括三个部分。
1、由q产生的剪力:
Qq=RAq-qx=qL/2-qx(0<x<L)
2、由Gq产生的剪力
0<X<L/2时QGq=RAGq=-Gq/2
L/2<X<L时QGq=-RBGq=-Gq/2
3、由Gc产生的剪力
0<X<Lc时Qc=RAc=Gc(L-Lc)/L
Lx<X<L时Qc=-RB=-GcLc/L
二、活动载荷产生的剪力
QR=RAR=R(L-t1-x)/L
三、总剪力
Q=Qq+QGq+Qc+QR
计算总剪力时,应考虑不同X分段上各剪力的计算公式不同,并注意各部分剪力的正负号可能不同。
各剪力分布如图3-2所示。
图3-2主梁内力图
§3-3求弯矩
一、固定载荷在X截面产生的弯矩
它也包括三个部分。
1、由q载荷产生的弯矩
Mq=RAqX-qx2/2=qLx/2-qx2/2
令dMq/dx=QL/2-qx=0
得s=L/2代入Mq式,则Mqmax=ql2/8
2、由Gq载荷产生的弯矩
0≤x<L/2时,MGq=RAGqx=Gqx/2
L/2<x≤L时,MGq=RBGq(L-x)=Gq(L-x)/2
当x=L/2时,MGq最大,MGqmax=GqL/4
3、由Gc载荷产生的弯矩
0≤x<Lc时,Mc=RAcx=Gc(L-Lc)x/L
Lc<x≤L时,Mc=RBc(L-x)=GcLc(L-x)/L
当x=Lc时,Mc最大,Mcmax=GcLc(L-Lc)/L
二、活动载荷在X截面产生的弯矩
MR=RARx=R(L-t1-x)x/L;
令dMR/dx=RL-Rt1-2Rx/L=0
得x=(L-t1)/2
即活动载荷引起的最大变矩产生在此截面上。
在进行强度计算时,可近似认为它作用在跨度中部P0将x=(L-t1)/2代入MR式,则MRmax=R(L-t1)2/4
三、X截面上的总弯矩
M=Mq+MGq+Mc+MR
计算总弯矩时,须考虑不同X分段上各弯矩的计算公式不同,并注意个弯矩的正负号。
主梁各弯矩分布如图3-2所示。
§3-4求最不利载荷位置及绝对最大内力
由剪力公式及剪力图看出,当x=0时,即小车的P1车轮处于左支座上时,主梁截面上的剪力最大,产生剪力的载荷最不利位置x0=0,绝对最大剪力为
Qmax=ql/2+Gq/2+Gc(L-Lc)/L+R(L-t1)/L
产生弯矩的载荷不利位置xm可用以下方法求出:
求dM/dx,令dM/dx=0,即可求出xm。
将xm代入求M公式,即可得到绝对值最大弯矩Mmax。
§3-5求水平惯性载荷所引起的水平弯矩
计算水平方向的弯矩时,可以认为桥架是一个超静定钢架结构,从而推出水平弯矩计算式。
作为简化计算,水平弯矩按下式求出:
Ms=0.1M
M为由固定载荷与活动载荷产生的总弯矩
第四章主梁截面设计及强度、刚度验算
§4-1箱形梁的截面设计
一、截面尺寸的基本比例
图4-1箱形截面梁基本尺寸
主梁的典型结构如图4-1所示。
主梁截面的主要参数须通过设计计算确定。
设计时先计算梁的高度,然后确定其它尺寸,计算截面几何特性,进行验算。
这样,经过多次适当的调整,直至最后验算合格,确定全部尺寸。
设计过程中,为使所确定的截面能基本满足各项要求,减少设计的多次反复修改,确定截面各参数时,尽量使其符合以下关系。
1、高度
h/L=1/4~1/8
小跨度时取较大值,大跨度时取较小值。
相同跨度下,大起重量取大值,小起重量取小值。
2、跨端尺寸
跨端高度h0/h=0.4~0.6
减高距离L0=(1/5~1/10)L,通常2~3cm。
3、腹板间距
B0/L=1/50~1/60
4、翼板宽度
手工焊时,B=B0+2(10+δf)
自动焊时,B=B0+2(20+δf)
5、翼板厚度,腹板厚度
A3钢时,δg/B1≥1/60
16Mn钢时,δg/B1≥1/50
翼板最小厚度为6mm
腹板厚度为:
当Q≤50t时,δf=6~8mm
当Q=75~100t时,δf=8~10mm
6、加筋距离
端部λ=(1~1.2)hf
中部λ=(1.2~1.5)hf
通常λ≤3m
二、主梁高度的确定
1、按刚度条件计算梁的高度
图4-2主梁载荷图
主梁受力情况如图4-2所示。
在载荷作用下,梁跨中的最大挠度可按材料力学中的公式计算。
Gc产生的挠度fc=Gc(L-Lc)[L2-(L-Lc)2]3/2/9
EJxL
其它载荷产生的挠度:
f它=(R+Gq)L3/48EJx+5qL4/384EJx=L2(4Mp+5Mq)/48EJx
式中Mp=(R+Gq)L/4
Mq=qL2/8
根据刚度条件:
f=fc+f它≤[f]
初步计算可忽略fc,则f=f它≤[f]
将Jx=Mmaxh’/2[σ]代入刚度条件式,即可得到:
h’={[σ]L2/24EMmax[f]}(5Mq+4Mp)
2、按强度条件计算梁的高度
h’’=
从上式可知,为了求出梁的高度,必须先选出δf。
因为δf对各种梁来说变动范围较小,所以不难确定。
计算后如果h’’>h’,取h’’作为梁的高度,既能保证强度要求又能保证刚度要求。
如果h’’<h’,且相差不大,取h’作为梁的高度,但如果相差太大,须要根据刚度的最经济条件再算一个高度。
3、计算按刚度条件的最经济高度
h’’’=0.01
如果算得的h’’’在h’与h’’中间,就采用h’’’作为梁的高度。
这时从强度观点来看,不是最经济的。
三、确定梁截面的其它尺寸
1、计算梁的截面惯性矩
Jx={MmaxL2/48E[f]}(5Mq+4Mp)
2、计算腹板的惯性矩
Jxf=hf2Ff/12(δf已知,hf取为0.97~0.98h)
Ff=2δf×hf
3、计算翼板惯性矩及尺寸
Jxg=Jx-Jxf
Fg=4Jxg/h2
Jxg=Fgh2/4
=Bδgh2/4
Fg1=Fg/2
由参数关系可选得B0、B、δg1,从而得hf。
一般δg≯24mm。
四、确定梁跨端的截面尺寸
按所推荐的主梁主要参数关系确定。
五、计算梁截面的几何性质
根据材料力学方法,精度计算所设计主梁截面的惯性矩及截面抗弯模量。
§4-2主梁的强度验算
由于确定梁的截面时,有许多的近似计算,因此进行强度、刚度验算是绝对必要的。
验算全部合格后,再进行下一步的设计工作。
一、验算最不利载荷位置截面的最大正应力
σ=Mmax/Wx+Msmax/Wy≤[σ]
Wx、Wy分别为截面对X轴和Y轴的抗弯模数
二、验算支座处截面上的最大剪应力
主梁截面上的最大剪应力在腹板中P,按下式验算。
τ=QmaxSxD/JxD2δf≤[σ]
SxD——端部截面对X轴的静矩
SxD=[2hfDδf/2]·hfD/4+Bδg(hfD/2+δg/2)
JxD——端部截面对对X轴的惯性矩
支座处的剪应力也可按平均剪应力验算
τp=Qmax/2hfDδf<[τ]
三、验算变截面处的复合应力
如果是变截面梁,尚须进行变截面处腹板端部的复合应力验算。
σF=
≤1.1[σ]
式中,σb=Mxbmax/Wxb+Mybmax/Wyb
τb=QbmaxS/Jxb·2δf
Mbmax为变截面处的最大垂直总弯矩,等于各固定载荷及活动载荷在该截面产生的最大弯矩的总和。
Mbmax=Mbq+MbGq+Mbc+MbRmax
Myb为变截面处的最大水平惯性弯矩
Msbmax=0.1Mbmax
Wxb、Wyb分别变截面处的截面抗弯模数。
Qbmax为变截面处截面上的最大剪力,等于各固定载荷及活动载荷在该截面产生的最大剪力之和。
Qbmax=Qbq+QbGq+Qbc+QbRmax
S为腹板端部一侧截面对截面中性轴的静矩
S=bδg(hbf+δg)/2
考虑到折合应力仅作用于梁的局部,对梁的危险性较小,故将其许用值加以提高。
§4-3主梁的疲劳强度计算
按设计规范规定,只对A6、A7、A8级的结构件进行疲劳强度计算。
计算时按第Ⅰ类载荷组合进行。
进行计算的部位,由实际情况确定。
通常将下述两个部位作为疲劳计算点进行计算。
(1)横向筋板焊缝端部腹板处
(2)下盖板对焊缝对接缝和附近金属
疲劳强度计算按下式进行:
对
(1),σ主=σ/2+
≤[σp]
σ主主拉应力;[σp]为疲劳强度许用应力
σ、τ为第Ⅰ类载荷组合下,该处的应力。
对
(2),σmax≤[σp]
σmax为验算疲劳强度的计算应力,即该验算部位在第Ⅰ类载荷组合下产生的最高应力。
σmax可按以下顺序进行计算。
确定载荷:
P1x——小车重产生的轮压
P10——额定起重量产生的轮压
q’——梁身自重
计算轮压:
P1Ⅰ=P1x+φ’P10d
第Ⅰ类载荷组合,用等效起重量计算,P10为等效起重量
Q等效产生的轮压。
Qd=φdQ
P10d=φdP1
式中φd见表4-1所示。
表4-1φd数值表
中级
重级
特重级
焊接板结构
0.75