橋式起重機主梁安全評估實例分析

摘 要：主梁作為橋式起重機的重要組成部分，必須對在役主梁進行安全評估。通過對起重機主梁進行綜合檢測和初步計算，在此基礎上應用斷裂力學理論和CVDA規范，結合起重機結構工作特點，建立了主梁蓋板臨界裂紋尺寸Cc的計算方法，估算主梁的疲勞剩余壽命，在此基礎上確定橋架主梁是否需要整改修復或報廢，并以某煉鋼廠1臺125t×22m橋式起重機主梁為例，對主梁使用安全性進行評估。

關鍵詞：橋式起重機； 安全評估；疲勞剩余壽命

1 概況

1992年，某煉鋼廠爐前1臺125t×22m橋式起重機橋架南主梁中部突然斷裂，致使整機突然坍塌。此起重機為空腹桁架式起重機，是60年代國產產品。這種結構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，輔助桁架除分擔一部分垂直載荷外，還藉上下水平桁架一起加強主梁的水平剛性。上下水平桁架上鋪設鋼板兼作走臺。大車運行機構和電氣設備安裝在主梁的內部。

此橋式起重機發生事故的主要原因是由于南主梁下蓋板距東端梁外側13.1m處發生疲勞斷裂。而南主梁下蓋板開裂的主要原因又是主梁下蓋板與主梁下走臺焊接缺陷引起的。金相組織的宏觀和微觀分析結果表明: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，該部位正處于焊接起弧處，過度的起弧熔燒使下蓋板母材形成初始缺陷，缺陷處的應力集中使產生裂紋并擴展，到一定程度后，導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，將產生向右下方的位移。而輔助桁架通過各節點上的橫向框架對板梁下撓產生抗力Xi。同樣，下水平桁架對上水平桁架在Pg作用下的位移也產生抗力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系。輔助桁架下弦桿除受到由各個節點力Xi產生的抗力，還受到同時作為下水平桁架在節點力Yi作用下產生的抗力。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備、大車運行機構和司機室的部分重量組成的固定載荷，以及主梁、電氣設備、大車運行機構和司機室等由于大車起制動產生的慣性力的一部分，也通過輔助桁架和下水平桁架在下弦桿上產生拉力。

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構。工字梁為大面積材料實體連續結構，其負載產生的累積變形大，而輔助桁架為中空離散結構，產生永久變形小。因此在板梁產生永久下撓時，輔助桁架是被板梁通過各橫向框架牽制迫使下撓，這樣必然在桁架下弦桿產生附加拉力。

輔助桁架的下弦桿是該種類型起重機的薄弱環節，而該種結構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，不便采用自動焊，質量難以保證。每條焊縫都要起弧、滅弧，易傷害型鋼母材。同時焊縫附近的殘余應力與工作應力和附加拉應力迭加，往往達到甚至超過材料的屈服極限，嚴重降低結構的疲勞強度。該起重機長期處于繁重吊載且經常超載作業狀態，復雜的工作環境以及其它現場隨機因素，都可能使弦桿危險點產生疲勞裂紋并擴展。當輔助梁下弦桿斷裂后如不及時整改加固，必然造成其他上下弦桿的斷裂，導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，結果導致工字板梁應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口斷面的工字薄壁梁，此時水平桁架上的大車運行機構和電氣設備的重量對工字梁產生的約束扭轉應力使開口薄壁工字主梁的應力急劇增加，下蓋板上的焊接缺陷由此成為導致主梁斷裂的危險的裂紋源。

3 主梁有缺陷焊縫的斷裂力學計算與缺陷安全評定

超聲波探傷結果：南梁下蓋一處的對接焊縫為Ⅱ級缺陷，缺陷長為13mm，深10mm（距下表面），波幅為DAC－9dB，為埋藏性缺陷。將裂紋簡化，如圖3所示。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。