鋼吊車梁疲勞不滿足時(shí)尚可繼續(xù)使用的條件

丁 申

上海梅山工業(yè)民用工程設(shè)計(jì)研究院有限公司（201900）

重級工作制吊車常用在冶金工業(yè)廠房中,由于冶金工業(yè)廠房的環(huán)境惡劣以及吊車使用頻繁,吊車在廠房的正常使用期內(nèi)可能會(huì)更換數(shù)次。因?yàn)榈踯嚨纳a(chǎn)廠家不同、吊車使用要求提高等原因，原有吊車梁不能滿足新吊車的使用要求。如果新舊吊車的最大輪壓、輪距、工作等級差別不大，吊車梁強(qiáng)度計(jì)算滿足要求，僅僅疲勞計(jì)算不滿足，那么，這時(shí)更換吊車梁未免造成一定的浪費(fèi)。況且，更換吊車梁的時(shí)間受到工業(yè)生產(chǎn)的影響。雖然目前國內(nèi)有一些吊車梁加固的成功案例及相應(yīng)的理論，但均不成熟，相應(yīng)的技術(shù)沒有得到廣泛的應(yīng)用，且重級工作制吊車梁屬疲勞受力構(gòu)件，經(jīng)過長期使用后，不宜在其受拉部位打火或者施焊，以免產(chǎn)生新的不可估計(jì)的殘余應(yīng)力及微裂縫，隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加，這些微裂縫會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展，成為原始的疲勞裂縫，對疲勞的影響難以準(zhǔn)確計(jì)算。

匯總足夠有代表性的車間吊車梁應(yīng)力的實(shí)測資料，按照雨流法進(jìn)行應(yīng)力幅頻次統(tǒng)計(jì),得出幾種主要車間吊車梁的設(shè)計(jì)應(yīng)力譜以及用應(yīng)力循環(huán)次數(shù)表示的結(jié)構(gòu)預(yù)期壽命。然后運(yùn)用目前國際上通用的Miner線形累計(jì)損傷原理加以分析，重級工作制吊車梁的疲勞可以折算為等效常幅疲勞，按照式（1）計(jì)算。

重級工作制吊車梁是以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年來考慮其疲勞計(jì)算的，考慮應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為2×106次,按照（2）式計(jì)算的[△σ]2×106

=144（N/mm2）。如果縮短吊車梁的使用壽命，按照設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為25年考慮疲勞計(jì)算，即考慮應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為1×106次,按照（2）式計(jì)算的[△σ]1×106=171.3 N/mm2。

假設(shè)一根吊車梁前期使用階段能滿足結(jié)構(gòu)計(jì)算的所有要求，當(dāng)使用一段時(shí)間（假設(shè)20年）后，吊車更換，吊車梁在新吊車使用情況下，強(qiáng)度滿足要求，疲勞不滿足，考慮欠載效應(yīng)的應(yīng)力幅αf×△σ接近且小于171.3 N/mm2。這時(shí)，吊車梁依然能夠正常使用,但只有25年的壽命。前期使用20年，吊車梁的壽命可以達(dá)到50年,也就是消耗了2/5的使用壽命。后期轉(zhuǎn)變了使用情況，使用壽命只有25年，而前期消耗了2/5的壽命,剩下可以安全使用的年限為25×（1-2/5）=15年。

現(xiàn)以梅山鋼鐵股份公司煉鋼廠板坯庫為例。板坯庫廠房共2跨，每跨各3臺(tái)橋式吊車。因煉鋼廠24小時(shí)不間斷生產(chǎn)，吊車使用頻繁，超常規(guī)運(yùn)行，以及板坯庫內(nèi)常年高溫，吊車起吊鋼坯時(shí)，吊車大梁受新鑄成高溫鋼坯烘烤。板坯庫內(nèi)吊車大梁下部均產(chǎn)生不同程度的裂縫,煉鋼廠曾對裂縫進(jìn)行焊接加固，但效果不佳，經(jīng)過一段時(shí)間的使用，大梁的焊接處均重新開裂。煉鋼廠遂打算依次更換掉板坯庫內(nèi)的6臺(tái)吊車。煉鋼廠1#、2#板坯庫及吊車平面布置見圖1。

每個(gè)板坯庫廠房及吊車的布置情況相同,廠房跨度27m，柱距12m,廠房中間區(qū)域因工藝要求其中一處柱距改為24m。24m跨吊車梁做成變截面，支座做成直角式突變形式。廠房兩側(cè)為兩臺(tái)相同型號的軟鉤夾鉗吊車,中間為一臺(tái)吸盤吊車。吸盤吊車起吊重量及輪壓較小,對吊車梁疲勞計(jì)算不起控制作用。新舊夾鉗吊車見表1。

表1 新舊夾鉗吊車參數(shù)對比

吊車梁強(qiáng)度均滿足要求，而僅在24 m跨吊車梁支座突變位置處不滿足疲勞要求,疲勞應(yīng)力αf×△σ=154.792 N/mm2≥144 N/mm2,不滿足50年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的疲勞計(jì)算要求,24m跨吊車梁立面見下圖。

上述疲勞不滿足部位難以加固,且煉鋼廠此時(shí)不能停產(chǎn)，必須等到設(shè)備維修期間才能有足夠的時(shí)間更換吊車梁。另外,這時(shí)就更換吊車梁沒有充分利用完它的疲勞壽命?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確給出，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年內(nèi)考慮疲勞計(jì)算的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為2×106次,即每年應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為2×106/50=4×104次。經(jīng)試算，應(yīng)力循環(huán)次數(shù) n取 1.4×106次，即考慮使用時(shí)間為35年。根據(jù) （2）式計(jì)算得 [△σ]=157.5N/mm2≥154.792 N/mm2。煉鋼廠1993年投產(chǎn)使用，到2008年7號吊車更換，共15年時(shí)間。前期考慮消耗15/50=30%的疲勞壽命，那么更換新的吊車后，吊車梁后期的使用壽命為35×（1-30%）=24.5年。這樣，吊車梁既不用更換、也不用加固，尚可以繼續(xù)使用24年。

疲勞壽命受多種因素影響，包括時(shí)間進(jìn)程、使用環(huán)境、生產(chǎn)條件等等，上述方法僅為理論計(jì)算的一種手法。為保證生產(chǎn)安全，吊車梁在使用過程中必須定期維護(hù)檢查。冶金工業(yè)廠房中承受重級工作制吊車的吊車梁在設(shè)計(jì)時(shí),宜留出一定的富余量,考慮日后吊車更換以及超常規(guī)使用所引起的吊車梁應(yīng)力小范圍增加的情況。

需要注意的是,這種理論計(jì)算方法僅僅適用于中級及重級（包括特種級）吊車梁、吊車桁架。因?yàn)?，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，吊車梁(桁架)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)有明確的數(shù)值，即按照50年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，統(tǒng)一以應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n=2×106次為基準(zhǔn)，計(jì)算吊車梁（桁架）的疲勞應(yīng)力。不同使用條件的吊車采用相對應(yīng)的欠載系數(shù)αf調(diào)整。規(guī)范中給出各種構(gòu)件的容許應(yīng)力幅，均是以2×106次應(yīng)力循環(huán)的疲勞應(yīng)力幅且具有95%置信度的下限值。只有明確給出了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)及對應(yīng)的容許應(yīng)力幅計(jì)算方法,才有依據(jù)采用上述方法計(jì)算。

[1]GB 50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]趙熙元,柴昶,武人岱.建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊[M].冶金工業(yè)出版社,1995:690～693.

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