起重船吊臂及千斤柱應力應變測試的實際應用

摘 要: 根據起重船起吊系統的結構特點，以600噸起重船為例，在有限元建模計算的基礎上，根據起重工況，介紹了對起重船的吊臂及千斤柱的危險截面進行實際應力應變測試的程序和方法，并得出相應的結論。

關鍵詞: 起重船 吊臂 千斤柱 應力測試

隨著國家的水域及航道工程建設的投入，起重船逐漸成為了水工的主力軍，因此為了保障起重作業的安全，起重船在出廠之前，設計的起重船吊臂結構能否滿足要求，必須進行測試，所進行的起吊試驗成為了船舶建造檢驗中的重中之重，本文根據起吊系統的結構特點，根據起重工況參數和建模計算結果，利用應力應變測試對600t起重船在7 種典型工況下的最大應力發生部位進行了實際強度校核。

起重船主要參數

船體長70.8 m，型深4.8m，型寬26.0m，吃水2.5 m，2柱間長68.7m，肋距0.6m。吊臂為桁架結構形式，由各種規格的鋼管組合而成，吊臂材料為 Q345B，材料的彈性模量E=206GPa，主桁架鋼管規格為600mm×16mm，水平及斜撐桿鋼管規格為299mm×10 mm，臂架總長為78m，臂架下開檔為18800mm，臂架自重為308噸(含梯架重及桿頭質量68噸)。主吊架仰角60°時，主吊鉤承載的能力為600噸，副吊鉤承載的能力為400t，起升速度為0.028m/s，千斤柱總高為19600mm；橫寬為17600mm；斜撐柱與甲板之間的夾角為52°。

試驗工況

文中起重船主鉤的設計起吊重量為600噸，副鉤起吊重量為500噸；具體試驗工況根據相關船舶試驗大綱，并結合《600t起重船扒桿結構有限元強度報告》、《600t起重船千斤柱結構有限元強度報告》，以及考慮實際使用情況和現場試驗條件提出相應的試驗工況，具體見表1（試驗工況中所涉及的起吊重量按圖紙要求核定）。

測試方案

采用電阻應變測試法進行測試，通過對危險截面的應變測試得到對應各測點的應力，并以此判斷起重船的起重系統在各工況下的強度是否符合設計要求。根據該船起吊系統的布置情況，《起重設備法定檢驗技術規則》，以及該船的結構形式、工作常態、現場勘察資料，對該船的吊臂和千斤柱工作狀況進行了分析。

測試對象。由分析可知，主鉤及副鉤在各個工況下可能出現的危險截面（危險點）基本上是一致的，故將吊臂桁架下部內側的主桿頂部、中部、桁架上部內側的根部和千斤柱單元各支座根部向上1.5m處作為測試對象，應變片的粘貼方向與被測構件的主軸線方向一致。并且筆者考慮到構件焊縫處通常都存在殘余應力，故焊縫的應力狀況不在本次測試分析的范疇內，故所有測點的選擇均避開焊縫，同時考慮到現場的實際工作條件，應變片的布置示意圖如圖1、圖2、圖3所示。

測試設備。測量導線橫截面面積為0.5mm2，采用雙股絞形銅芯形式，長度為100m；電阻應變片采用BF120-4AA型號，電阻為120Ω，敏感柵尺寸為4mm*2mm，靈敏系數為2.12；應變膠采用氰基丙烯酸酯粘合劑（502），型號為T-1；防護膠采用703硅膠；測試儀器采用XL2101B2型數字靜態電阻應變儀。

應變片布置。吊臂為桁架結構，每一邊有4根縱向主桿桿件（上下各兩根，成對稱分布），由于爬梯主要位于吊臂桁架下部縱向主桿的內側，故應變片對稱布置在兩邊吊臂桁架下部的內側主桿上；在吊臂頂部主桿上沿與吊臂軸線一致的方向對稱布置兩個應變片1＃、2＃。由于吊臂左側桁架未設置爬梯，故只在吊臂中部右側下方內側的主桿上布置一個3＃應變片，并在吊臂根部上部縱向主桿的內側對稱布置應變片，即4＃、5＃兩個應變片，位置如圖1、2示。

千斤柱為對稱結構，應變片均櫻對稱布置，即如圖3中的6＃、7＃和8＃、9＃。

組橋方法。由于溫度場變化對本實驗影響較大，選取上午9點前進行測試，該時間段內氣溫變化較小，且各測點不存在由于陽光照射而形成的溫度場不均勻現象，在沒有其它熱源的影響情況下，可認為所有測點處的溫度是基本相同的，故可采用公共溫度補償的半橋接法；在與制造本吊臂所使用的完全相同的船用鋼板上粘貼一個電阻應變片，不受載荷作用，并將其置于船舶甲板上，使其與各測試單元所處溫度場基本一致，且接入應變儀時電阻（含導線）與其他工作片一致，以此作為溫度補償片。

實測應力值計算分析

1、實測應力值計算

根據對各工況下的測試數據分析可知，各應變片的數據均穩定可靠。由于吊臂等構件本身較大，且各測點分布距離較遠，故使用了100m的導線，由于長導線電阻和熱輸出的影響，試驗測試值需要修正，此外考慮應變片粘貼角度誤差一般會引入3%的測量誤差，將其全部計入得到的修正系數為1.18。根據結構所用材料為Q345B，彈性模量取E=206GPa。

2、實測應力值分析

由表4可知，在各實測工況下，各測點處的實測應力值均小于桿件的許用應力252MPa。當吊臂處于上述七個工況時，吊臂頂部和根部的實測應力較大；除工況1（主鉤吊重200噸）的實測最大應力處于吊臂根部的4＃測點處外，其他工況時實測最大應力均處于2＃測點處（見圖1、圖2），即吊臂右側主桿的頂部，且均為壓應力，吊臂左側主桿的頂部的1＃測點處也為壓應力，且僅略小于2＃測點處；而吊臂根部各測點的實測應力也處于較高水平，千斤柱拉桿的8#、9#測點處的應力最小。當吊臂處于工況4（主鉤起吊負荷為設計起吊重量的110%）時2＃測點處的最大壓應力為115.71MPa，該實測值小于有限元計算中該部位的軸線方向的最大應力值160MPa；當吊臂處于工況7（副鉤起吊負荷為設計起吊重量的100%）時2＃測點處的最大壓應力為141.23MPa，該實測值小于有限元計算中該部位的軸線方向的最大應力值191MPa（計算起吊重量按400噸計）。原因分析如下：①理論計算時，考慮了吊臂結構自重的影響，而實測時由于試驗條件的限制，結構自重對應力的影響不能完全反映出來。②理論計算時，主鉤荷載除了考慮作業系數外，還考慮了較大的風載等對其的影響等對其的影響，且按極端取情況考慮，而試驗時風力僅為2-3級，船舶處于較理想的工作狀態，風浪等對船體影響較小。③理論計算時，考慮了船舶橫傾5°的影響，而根據船舶的浮態可知試驗時船舶始終保持平穩，沒有出現明顯的橫傾現象。

3、分析結論與建議

根據試驗數據和應力計算結果，吊臂桁架和千斤柱各桿件相應測點的實測應力值均小于許用應力，其結構的強度滿足設計要求。起重船舶在作業時，船身的傾斜會使起重結構（特別是吊臂）處于不利的受力狀態，可能產生較大的附加扭矩，造成各桿件內的應力分配不合理，使某些構件在荷載較小時就產生較大的局部應力。故在作業開始前應調整好船舶的姿態，保證船身平穩，并且在作業過程中注意保持穩定，防止船體傾斜。在進行起吊試驗中，吊臂與水平夾角約為60°，此時各測點的實測應力小于許用應力，但考慮到實際作業時的工況往往比試驗時要惡劣，應嚴格保證吊臂的起吊角度符合操作規范，并在設計許可荷載范圍內工作。

結語

從試驗情況看，利用應力應變測試對起重船的關鍵起重結構進行實際強度校核的方法是行之有效的，可以幫助船舶檢驗人員更為準確地了解起重船起重結構的強度情況，從而更為科學地評估起重船舶的作業安全性，這對于提高此類工程船舶的檢驗質量有著積極意義。

（作者單位：南京市地方海事局）