橋式起重機(jī)主梁安全評(píng)估實(shí)例分析

摘 要：主梁作為橋式起重機(jī)的重要組成部分，必須對(duì)在役主梁進(jìn)行安全評(píng)估。通過(guò)對(duì)起重機(jī)主梁進(jìn)行綜合檢測(cè)和初步計(jì)算，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用斷裂力學(xué)理論和CVDA規(guī)范，結(jié)合起重機(jī)結(jié)構(gòu)工作特點(diǎn)，建立了主梁蓋板臨界裂紋尺寸Cc的計(jì)算方法，估算主梁的疲勞剩余壽命，在此基礎(chǔ)上確定橋架主梁是否需要整改修復(fù)或報(bào)廢，并以某煉鋼廠1臺(tái)125t×22m橋式起重機(jī)主梁為例，對(duì)主梁使用安全性進(jìn)行評(píng)估。

關(guān)鍵詞：橋式起重機(jī)； 安全評(píng)估；疲勞剩余壽命

1 概況

1992年，某煉鋼廠爐前1臺(tái)125t×22m橋式起重機(jī)橋架南主梁中部突然斷裂，致使整機(jī)突然坍塌。此起重機(jī)為空腹桁架式起重機(jī)，是60年代國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品。這種結(jié)構(gòu)的主梁由工字形板梁和空腹桁架式輔助桁架組成，主梁和桁架之間用若干橫向框架連接小車車輪支承在工字型主梁腹板上方的軌道上，故小車輪壓主要由工字梁承受，輔助桁架除分擔(dān)一部分垂直載荷外，還藉上下水平桁架一起加強(qiáng)主梁的水平剛性。上下水平桁架上鋪設(shè)鋼板兼作走臺(tái)。大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和電氣設(shè)備安裝在主梁的內(nèi)部。

此橋式起重機(jī)發(fā)生事故的主要原因是由于南主梁下蓋板距東端梁外側(cè)13.1m處發(fā)生疲勞斷裂。而南主梁下蓋板開(kāi)裂的主要原因又是主梁下蓋板與主梁下走臺(tái)焊接缺陷引起的。金相組織的宏觀和微觀分析結(jié)果表明:南主梁下蓋板斷裂起源于焊接頭部位，疲勞源與焊接缺陷有關(guān)，該部位正處于焊接起弧處，過(guò)度的起弧熔燒使下蓋板母材形成初始缺陷，缺陷處的應(yīng)力集中使產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，到一定程度后，導(dǎo)致主梁乃至橋架的突然斷裂。

2 主梁受力及斷裂原因分析

如圖2所示的主梁截面，板梁在小車車輪壓力P和小車慣性力Pg的作用下，將產(chǎn)生向右下方的位移。而輔助桁架通過(guò)各節(jié)點(diǎn)上的橫向框架對(duì)板梁下?lián)袭a(chǎn)生抗力Xi。同樣，下水平桁架對(duì)上水平桁架在Pg作用下的位移也產(chǎn)生抗力Yi，于是形成板梁與輔助桁架間、上水平桁架和下水平桁架間的作用力與反作用力的關(guān)系。輔助桁架下弦桿除受到由各個(gè)節(jié)點(diǎn)力Xi產(chǎn)生的抗力，還受到同時(shí)作為下水平桁架在節(jié)點(diǎn)力Yi作用下產(chǎn)生的抗力。此外，輔助桁架自重、上下水平桁架的一部分重量以及電氣設(shè)備、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和司機(jī)室的部分重量組成的固定載荷，以及主梁、電氣設(shè)備、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和司機(jī)室等由于大車起制動(dòng)產(chǎn)生的慣性力的一部分，也通過(guò)輔助桁架和下水平桁架在下弦桿上產(chǎn)生拉力。

空腹桁架式主梁是工字形板梁和空腹輔助桁架組成的組合結(jié)構(gòu)。工字梁為大面積材料實(shí)體連續(xù)結(jié)構(gòu)，其負(fù)載產(chǎn)生的累積變形大，而輔助桁架為中空離散結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生永久變形小。因此在板梁產(chǎn)生永久下?lián)蠒r(shí)，輔助桁架是被板梁通過(guò)各橫向框架牽制迫使下?lián)希@樣必然在桁架下弦桿產(chǎn)生附加拉力。

輔助桁架的下弦桿是該種類型起重機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)，而該種結(jié)構(gòu)的上下桁架弦桿與工字梁上下蓋板和腹板以及輔助弦桿焊接縫短，不便采用自動(dòng)焊，質(zhì)量難以保證。每條焊縫都要起弧、滅弧，易傷害型鋼母材。同時(shí)焊縫附近的殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力和附加拉應(yīng)力迭加，往往達(dá)到甚至超過(guò)材料的屈服極限，嚴(yán)重降低結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。該起重機(jī)長(zhǎng)期處于繁重吊載且經(jīng)常超載作業(yè)狀態(tài)，復(fù)雜的工作環(huán)境以及其它現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)因素，都可能使弦桿危險(xiǎn)點(diǎn)產(chǎn)生疲勞裂紋并擴(kuò)展。當(dāng)輔助梁下弦桿斷裂后如不及時(shí)整改加固，必然造成其他上下弦桿的斷裂，導(dǎo)致上下水平桁架破壞，破壞主梁的整體性，致使全部載荷由工字板梁承受，但窄而高的工字形板梁的水平慣性矩較小，承受水平載荷的能力較差，結(jié)果導(dǎo)致工字板梁應(yīng)力水平的大幅度提高。再者，上下水平桁架失效后的工字板梁成為一開(kāi)口斷面的工字薄壁梁，此時(shí)水平桁架上的大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和電氣設(shè)備的重量對(duì)工字梁產(chǎn)生的約束扭轉(zhuǎn)應(yīng)力使開(kāi)口薄壁工字主梁的應(yīng)力急劇增加，下蓋板上的焊接缺陷由此成為導(dǎo)致主梁斷裂的危險(xiǎn)的裂紋源。

3 主梁有缺陷焊縫的斷裂力學(xué)計(jì)算與缺陷安全評(píng)定

超聲波探傷結(jié)果：南梁下蓋一處的對(duì)接焊縫為Ⅱ級(jí)缺陷，缺陷長(zhǎng)為13mm，深10mm（距下表面），波幅為DAC－9dB，為埋藏性缺陷。將裂紋簡(jiǎn)化，如圖3所示。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。