ISO 21657:2017《起重机 极限状态设计法》标准解读

极限状态设计的基本原理

克鲁德重工严格遵循国家标准组织生产，ISO 21657:2017引入的极限状态设计法（Limit States Design——LSD）与我国起重机设计规范GB/T 3811采用的许用应力设计法（Allowable Stress Design——ASD）的区别：ASD法——将各载荷组合的最大计算应力控制在材料的许用应力以内。许用应力=材料屈服强度÷安全系数。安全系数是固定的（如1.5）。不区分不同类型的载荷（永久载荷/可变载荷）在安全性上的不同权重。LSD法——将各极限状态下的设计载荷效应（结构内力）控制在结构承载能力以内。不同类型的载荷（自重、吊载、风载、惯性力）分别乘以不同的分项系数（载荷分项系数）——并根据其影响程度和安全重要性确定。承载能力（抗力）也乘以抗力分项系数（<1）——更加精细地反映材料和结构的实际可靠度。LSD法将极限状态分为两类：承载能力极限状态（Ultimate Limit State——ULS）——结构在最大设计载荷作用下不发生破坏、失稳或倾覆——安全等级要求最高。正常使用极限状态（Serviceability Limit State——SLS）——结构在正常使用载荷下不产生过大的变形、振动和裂缝——影响设备的正常操作但不会造成安全事故。标准要求——起重机结构应同时满足ULS和SLS的要求——两者分别验算——取其中更严格的条件控制设计。

载荷分项与组合

标准规定的载荷分项系数和组合：永久载荷（G）——起重机自重、配重和固定附件（分项系数γG=1.2）。可变载荷（Q）——起升载荷（吊载——包括吊具和物料自重）——分项系数γQ=1.5（对起升载荷）或γQ=1.35（对风载荷）。偶然载荷（A）——如碰撞载荷、地震载荷（分项系数γA=1.0）。载荷组合的原则——取最不利的组合（使结构产生最大内力的组合方式）。基本组合（正常使用）——ULS组合=1.2×永久载荷+1.5×起升载荷+1.35×风载荷×组合系数——组合系数Ψ（风载荷与起升载荷同时出现的概率×0.6~0.7）。极端组合（非工作状态）——ULS组合=1.0×永久载荷+1.25×最大风载荷（非工作状态风压）——非工作状态不考虑起升载荷（吊钩空载）。疲劳载荷组合——用于疲劳寿命验算——载荷分项系数=1.0——采用疲劳载荷谱（使用频次最高的载荷水平——不是最大载荷）。标准还引入了”可靠度指标”β——β值越高结构的失效概率越低——目标可靠度β=3.0~4.5（对应失效概率约0.001~0.00003）。β的取值取决于结构的破坏后果（安全等级）——安全等级I（严重后果——如吊运熔融金属的铸造起重机、大型塔机）——β≥4.0——安全等级II（一般严重后果——通用起重机）——β≥3.5——安全等级III（后果较轻微——小型检修起重机）——β≥3.0。

承载能力极限状态验算

标准规定的承载能力极限状态验算项目：强度验算——截面正应力σ≤f_y/γM（f_y为钢材屈服强度——γM为抗力分项系数（1.0~1.15——取决于材料品种和破坏类型）——剪应力τ≤f_y/(√3·γM)）。稳定验算——整体稳定（压弯构件在弯矩作用下的平面内和平面外稳定——按欧拉公式和等效弯矩系数计算）——局部稳定（板件宽厚比满足限值——受压翼缘和腹板不发生局部屈曲）。疲劳验算——细节疲劳等级——按焊接接头的细节分类（如对接焊缝、角焊缝、螺栓孔、母材等——每类细节对应不同的疲劳强度S-N曲线）——疲劳载荷谱（各疲劳载荷水平的应力幅Δσ和对应的循环次数n——按帕尔姆格伦-迈因纳线性累积损伤准则——总损伤D≤1.0）。刚度验算（SLS）——额定载荷下主梁跨中最大挠度≤L/700~L/1000（按起重机工作级别和定位精度要求确定）。断裂力学验算——对在役起重机——当关键部位发现裂纹时——用断裂力学方法计算在特定载荷下的裂纹扩展速度和临界裂纹长度——确定下一次检查前可以安全使用的次数或时间。标准特别强调——LSD法的计算精度取决于载荷参数和材料参数的准确估计——设计时对参数的不确定性应有充分的估计——必要时应采用更保守的分项系数。

LSD法与ASD法的比较

标准对LSD法与ASD法的对比分析：安全裕度的分配方式不同——ASD法将总安全系数（1.5）全部集中在抗力侧（许用应力=屈服强度/1.5）——不分载荷类型——所有载荷一视同仁。LSD法将安全裕度分别分配到载荷侧（载荷分项系数>1）和抗力侧（抗力分项系数<1）——载荷越不可预测（如风载荷）分项系数越大——越可控（如自重）分项系数越小——更科学。LSD法在相同目标可靠度下可以得出更经济的设计——因为在载荷组合中各载荷同时达到最大值概率很小——通过组合系数（Ψ）来反映——设计载荷比ASD法更接近实际载荷水平——结构重量可以减轻5%~15%。疲劳验算方法不同——ASD法在疲劳验算中使用单一的整体安全系数——LSD法使用基于S-N曲线的损伤累积方法——更精确量化疲劳损伤。标准认为——对于大型和重要的起重机（大吨位、高工作级别）——LSD法比ASD法更准确和安全——推荐在重要起重机的设计中使用LSD法。对于中小型通用起重机——ASD法计算简便。——满足使用要求。标准最后指出——目前国际起重机设计正在从ASD法向LSD法过渡——ISO 21657为各国家标准的更新提供了技术框架。

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