某工業(yè)廠房鋼吊車梁疲勞開裂原因分析研究

嚴(yán)勇

（寶武裝備智能科技有限公司）

0 引言

工業(yè)建筑作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施在工業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用，我國(guó)既有工業(yè)建筑存量已突破120億m2。隨著我國(guó)進(jìn)入后工業(yè)時(shí)代，前期建設(shè)的工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)也逐步進(jìn)入了設(shè)計(jì)壽命的中后期，結(jié)構(gòu)老化問題逐漸凸顯如腐蝕、疲勞、振動(dòng)等。吊車梁作為工業(yè)建筑的重要結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，是直接服務(wù)于一線生產(chǎn)過程的“生命線”，承擔(dān)著廠房?jī)?nèi)物料三維搬用的重要任務(wù)，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。近年來(lái)，冶煉行業(yè)已陸續(xù)發(fā)生多起重型工業(yè)廠房鋼吊車梁疲勞斷裂導(dǎo)致的重大安全生產(chǎn)事故（如2019年4月19日江西某鋼鐵廠發(fā)生的吊車梁斷裂導(dǎo)致吊運(yùn)鋼包行車墜落），給國(guó)家和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失，引起了國(guó)內(nèi)各工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)對(duì)吊車梁疲勞破壞問題的廣泛關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞90%以上發(fā)生在重級(jí)工作制的鋼吊車梁系統(tǒng)，部分重級(jí)工作制鋼吊車梁投入使用15～20年后會(huì)出現(xiàn)疲勞裂紋甚至疲勞斷裂，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)使用年限，直角突變式鋼吊車梁疲勞破壞問題尤為突出。本文以直角突變式鋼吊車梁疲勞破壞為工程背景，通過對(duì)某鋼廠直角突變式鋼吊車梁疲勞破壞特征進(jìn)行調(diào)查，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)疲勞荷載譜測(cè)試對(duì)吊車梁疲勞破壞原因進(jìn)行分析。

1 直角突變式鋼吊車梁疲勞破壞特征調(diào)查

1.1 廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況及吊車梁使用現(xiàn)狀

某鋼鐵廠熱軋鋼卷堆放處理廠房為單層兩跨鋼結(jié)構(gòu)廠房，下柱用雙肢格構(gòu)鋼柱，上柱采用焊接H型實(shí)腹式柱，吊車梁采用直角突變式變截面鋼吊車梁（如圖1所示）。廠房跨度42m，柱距24m，共有吊車梁48根，每跨均布置35t橋式吊車兩臺(tái)、27t橋式吊車一臺(tái)，吊車跨距Lk=39.5m，最大輪壓28.5t，吊車均為重級(jí)工作制吊車，主要用于鋼卷的存放及出庫(kù)的駁運(yùn)，于1998年建成投入使用。2020年進(jìn)行廠房檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)有16根吊車梁在支座變截面部位出現(xiàn)不同程度的焊縫及母材開裂的情況，裂紋最長(zhǎng)達(dá)141mm，開裂位置主要集中在端部支座的兩個(gè)部位，如圖1所示。

圖1 直角突變式變截面鋼吊車梁

1.2 吊車梁疲勞破壞部位的裂紋特征

吊車梁端部疲勞破壞主要發(fā)生在兩個(gè)部位，位置Ⅰ位于變截位置封板與插板連接焊縫，開裂如圖2所示，位置Ⅱ位于變截面位置腹板與插板連接處焊縫或母材，開裂如圖3所示。

圖2 吊車梁封板與插板位置焊縫開裂照片

圖3 吊車梁腹板與插板端部位置焊縫及母材開裂

2 吊車梁受力分析

2.1 吊車梁受力分析模型建立

2.1.1 吊車梁受力分析構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)說(shuō)明

查閱設(shè)計(jì)圖紙資料可知，該廠房的吊車梁有DL1和DL2兩種形式，吊車梁端部構(gòu)造直角突變式支座，DL1和DL2吊車梁截面型式一致，僅跨度不同。DL1吊車梁跨度23m，DL2吊車梁跨度24m。以吊車梁DL1為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，該吊車梁為實(shí)腹式焊接吊車梁，跨度為23m，梁全高2600mm，支座處高1700mm，變截面比1.7/2.6（略小于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50017-2017中2/3的要求），吊車梁跨中截面尺寸為2600mm×850（750）mm×14mm×36mm，變截面端部支座截面尺寸為1700mm×850（750）mm×14mm×36mm，如圖4所示。加工制作吊車梁的鋼材采用SM50B鋼，性能類似于我國(guó)Q345鋼，手工焊焊條采用E5015、E5016焊條，埋弧自動(dòng)焊采用焊絲H10Mn2，吊車梁上下翼緣與腹板的焊縫及母材拼接焊縫要求剖口焊，且符合I級(jí)焊縫要求等。吊車梁支座處封板與下翼緣、端加勁肋與上翼緣均磨平頂緊焊接，封板與插入板采用剖口熔透焊，并補(bǔ)焊根。加工制作圖如圖4所示。

圖4 吊車梁DL1構(gòu)件加工制作圖

2.1.2 行車移動(dòng)荷載作用下有限元分析模型建立

根據(jù)鋼吊車梁DL1的構(gòu)件加工制作圖，采用ABAQUS有限元軟件建立分析計(jì)算模型，計(jì)算分析吊車梁端部開裂位置的應(yīng)力分布情況，確定圖1中裂紋位置Ⅰ、Ⅱ和跨中下翼緣應(yīng)力最大時(shí)的荷載工況，及其最大主應(yīng)力隨行車移動(dòng)的變化規(guī)律。有限元模型建立時(shí)，材料的彈性模量取E=206000N/mm2，泊桑比μ=0.3，不考慮材料的自重。端部支座已出現(xiàn)疲勞裂紋的局部區(qū)域網(wǎng)格劃分布種為10mm，封板厚度方向單元?jiǎng)澐譃?層，其余全梁網(wǎng)格劃分布種為200mm，移動(dòng)荷載從左向右移動(dòng)，每個(gè)分析步移動(dòng)50mm，整個(gè)模型建立576個(gè)分析步，模擬行車的第一個(gè)輪子從吊車梁最左端進(jìn)入至第四輪子從吊車梁最右端離開的整個(gè)受力過程，行車選取35t行車，每側(cè)4個(gè)輪子，最大輪壓為285kN。行車移動(dòng)荷載作用的吊車梁計(jì)算分析模型如圖5所示。

圖5 行車移動(dòng)荷載作用吊車梁分析模型

2.2 吊車梁受力模擬分析結(jié)果

⑴行車四個(gè)輪子從左向右移動(dòng)，四個(gè)輪子全部進(jìn)入吊車梁。第一個(gè)輪子距離吊車梁最左端7550mm時(shí)，吊車梁端部封板與插板連接焊縫位置Ⅰ處的受力達(dá)到最不利工況，分析荷載步為151步。通過該部位的最大主應(yīng)力云圖可知，吊車梁端部封板與插板連接焊縫附近的最大主應(yīng)力為120.8MPa。行車運(yùn)行全過程該部位最大主應(yīng)力時(shí)程曲線如圖6所示。

⑵行車四個(gè)輪子從左向右移動(dòng)，四個(gè)輪子全部進(jìn)入吊車梁。第一個(gè)輪子距離吊車梁最左端7150mm時(shí)，吊車梁端部腹板與插板連接焊縫位置Ⅱ處的受力達(dá)到最不利工況，分析荷載步為143步。通過該部位的最大主應(yīng)力云圖可知，吊車梁端部封板與插板連接焊縫附近的最大主應(yīng)力為81.4MPa。行車運(yùn)行全過程該部位最大主應(yīng)力時(shí)程曲線如圖6所示。

⑶行車四個(gè)輪子從左向右移動(dòng)，四個(gè)輪子全部進(jìn)入吊車梁，第一個(gè)輪子距離吊車梁最左端148000mm時(shí)吊車梁跨中下翼緣的受力達(dá)到最不利工況，分析荷載步為296步。通過該部位的最大主應(yīng)力云圖可知，吊車梁跨中下翼緣的最大主應(yīng)力為62.2MPa。行車運(yùn)行全過程該部位最大主應(yīng)力時(shí)程曲線如圖6所示。

圖6 端部及跨中疲勞敏感部位應(yīng)力時(shí)程曲線

3 吊車梁載荷譜測(cè)試分析

3.1 吊車梁載荷譜采集的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

在該廠熱軋鋼卷堆放處理廠房?jī)?nèi)行車運(yùn)行較頻繁的區(qū)域選擇一根吊車梁作為代表性吊車梁進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，獲取行車在正常生產(chǎn)運(yùn)行過程中24h的載荷譜數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析該吊車梁的疲勞壽命。根據(jù)有限元分析計(jì)算的結(jié)果，應(yīng)力測(cè)試的測(cè)點(diǎn)分別布置在應(yīng)力較大、易發(fā)生裂紋的支座端部和疲勞敏感的跨中下翼緣，其中1#測(cè)點(diǎn)為單向測(cè)點(diǎn)，布置在吊車梁端部的位置Ⅰ位于變截位置封板與插板連接焊縫處，測(cè)量方向沿吊車梁的截面高度方向，2#測(cè)點(diǎn)為直角式三向應(yīng)變花測(cè)點(diǎn)，布置在吊車梁端部的位置Ⅱ位于變截面位置腹板與插板連接焊縫處，應(yīng)變花測(cè)點(diǎn)的0°方向沿吊車梁的縱向，90°方向沿吊車梁的截面高度方向。端部測(cè)點(diǎn)布置情況如圖7所示。3#測(cè)點(diǎn)布置在吊車梁跨中下翼緣腹板與翼緣連接焊縫處。

圖7 吊車梁應(yīng)力測(cè)點(diǎn)示意圖

3.2 載荷譜測(cè)試數(shù)據(jù)分析

3.2.1 各測(cè)點(diǎn)24h時(shí)域曲線統(tǒng)計(jì)分析

吊車梁應(yīng)力測(cè)點(diǎn)1#、2#、3#的實(shí)測(cè)應(yīng)力變化曲線與有限建模分析得到的應(yīng)力時(shí)程曲線相似，行車經(jīng)過時(shí)端部測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)前、后兩組車輪經(jīng)過時(shí)的應(yīng)力峰值，跨中下翼緣應(yīng)力測(cè)點(diǎn)只出現(xiàn)一個(gè)應(yīng)力峰值。行車完整一次經(jīng)過吊車梁時(shí)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化的特征曲線如圖8所示。

圖8 行車一次經(jīng)過時(shí)吊車梁端部及跨中測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化特征曲線

通過對(duì)1#、2#、3#測(cè)點(diǎn)24h應(yīng)力譜數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，封板與腹板連接焊縫部位1#測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力為132.5MPa，腹板與插板連接焊縫處應(yīng)變花測(cè)點(diǎn)2#的最大主應(yīng)力92.9MPa，最大主應(yīng)力方向與0°方向的夾角約為46.8°，跨中下翼3#測(cè)點(diǎn)的最大應(yīng)力為55.4。整個(gè)測(cè)試期間各測(cè)點(diǎn)的24h載荷譜測(cè)試數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 吊車梁端部及跨中測(cè)點(diǎn)24h荷載譜數(shù)據(jù)

3.2.2 基于實(shí)測(cè)荷載譜數(shù)據(jù)的吊車梁疲勞強(qiáng)度分析

對(duì)各測(cè)點(diǎn)24h的載荷譜數(shù)據(jù)采用雨流計(jì)數(shù)法分析計(jì)算提取不同應(yīng)力幅下的循環(huán)次數(shù)，然后剔除對(duì)疲勞貢獻(xiàn)較小的應(yīng)力幅后得到測(cè)點(diǎn)1#、2#、3#在正常生產(chǎn)條件下每天的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖10～12所示。其中封板與腹板連接焊縫部位1#測(cè)點(diǎn)每天（24h）應(yīng)力循環(huán)次數(shù)322次，腹板與插板連接焊縫處應(yīng)變花2#測(cè)點(diǎn)每天（24h）主應(yīng)力循環(huán)次數(shù)334次，跨中3#測(cè)點(diǎn)每天（24h）應(yīng)力循環(huán)次數(shù)313次。由行車實(shí)測(cè)荷載譜的統(tǒng)計(jì)分析得到的變幅循環(huán)應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果可根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》將變幅疲勞折算為等效常幅疲勞進(jìn)行計(jì)算，變幅疲勞的等效應(yīng)力幅按式⑴確定。

圖10 1#測(cè)點(diǎn)24h荷載譜數(shù)據(jù)的應(yīng)力幅分布情況

式中,

β——參數(shù)，由構(gòu)件和連接類型確定；

Δδe——吊車梁變幅疲勞等效為常幅疲勞后的等效應(yīng)力幅；

∑ni——以應(yīng)力循環(huán)次數(shù)表示的結(jié)構(gòu)預(yù)期疲勞壽命；

ni——為吊車梁預(yù)期壽命內(nèi)應(yīng)力幅水平達(dá)到Δδi的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。

由式⑴計(jì)算得到應(yīng)力測(cè)點(diǎn)1#、2#、3#對(duì)應(yīng)部位的變幅疲勞的等效應(yīng)力幅分別為115MPa、100MPa、57MPa。

3.3 吊車梁疲勞壽命分析

根據(jù)吊車梁實(shí)測(cè)的荷載譜數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果及《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2017中重級(jí)、中級(jí)工作制吊車梁在變幅荷載作用下的疲勞壽命分析計(jì)算方法，推算得到吊車梁各個(gè)測(cè)點(diǎn)部位在行車隨機(jī)變幅荷載作用下的等效應(yīng)力、欠載效應(yīng)的等效系數(shù)及各測(cè)點(diǎn)50年使用期內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，詳見表1。根據(jù)吊車梁端部變截位置封板與插板連接焊縫處1#測(cè)點(diǎn)、腹板與插板連接焊縫處2#測(cè)點(diǎn)、跨中下翼緣連接焊縫處3#測(cè)點(diǎn)的受力特征，對(duì)照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中疲勞計(jì)算的構(gòu)件和分類，其中，測(cè)點(diǎn)1#、2#部位疲勞強(qiáng)度計(jì)算時(shí)相關(guān)參數(shù)按照構(gòu)件連接類別Z6考慮，測(cè)點(diǎn)3#部位疲勞強(qiáng)度計(jì)算時(shí)相關(guān)參數(shù)按照構(gòu)件連接類別Z4考慮。

表1 吊車梁端部及跨中疲勞敏感部位疲勞壽命分析結(jié)果

圖11 2#測(cè)點(diǎn)24h荷載譜數(shù)據(jù)的應(yīng)力幅分布情況

圖12 3#測(cè)點(diǎn)24h荷載譜數(shù)據(jù)的應(yīng)力幅分布情況

從該廠房行車運(yùn)行使用較頻繁吊車梁的荷載譜數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比分析可以看出，測(cè)試吊車梁端部測(cè)點(diǎn)1#、2#的等效應(yīng)力幅均高于設(shè)計(jì)規(guī)定的循環(huán)次數(shù)為200萬(wàn)次的容許應(yīng)力幅，跨中下翼緣測(cè)點(diǎn)3#的等效應(yīng)力幅低于設(shè)計(jì)規(guī)定的循環(huán)次數(shù)為200萬(wàn)次的容許應(yīng)力幅，各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推算的欠載效應(yīng)等效系數(shù)均高于設(shè)計(jì)規(guī)范的取值，說(shuō)明該吊車梁在實(shí)際生產(chǎn)使用中繁重程度較大，易造成螺栓松動(dòng)、焊縫疲勞開裂等結(jié)構(gòu)損傷。

4 結(jié)論與建議

⑴由直角突變型支座吊車梁有限元計(jì)算模擬分析的受力結(jié)果可知，該構(gòu)造形式的吊車梁在端部變截面的封板與插板連接焊縫位置、腹板與插板連接處焊縫位置應(yīng)力集中明顯，在循環(huán)荷載作用下易發(fā)生疲勞破壞；

⑵由實(shí)測(cè)荷載譜分析結(jié)果可知：測(cè)試吊車梁端部變截位置封板與插板連接焊縫處、插板端位置的等效應(yīng)力幅均高于設(shè)計(jì)規(guī)范值，說(shuō)明吊車梁的支座端部疲勞強(qiáng)度低于設(shè)計(jì)允許值；其次根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推算的欠載效應(yīng)等效系數(shù)均高于設(shè)計(jì)規(guī)范的取值，說(shuō)明吊車梁實(shí)際使用的頻繁程度高于設(shè)計(jì)。上述兩方面原因疊加是導(dǎo)致該廠房?jī)?nèi)部分直角突變式鋼吊車梁端部過早出現(xiàn)疲勞開裂的主要原因；

⑶由于工業(yè)廠房中吊車梁的疲勞壽命與實(shí)際生產(chǎn)使用的頻繁程度及等效應(yīng)力幅息息相關(guān)，建議對(duì)一些重級(jí)工作制的吊車梁應(yīng)加強(qiáng)日常的監(jiān)護(hù)使用，避免因吊車梁疲勞斷裂導(dǎo)致的生產(chǎn)安全事故。