某鋼結構件的失效分析與改進措施

魯華賓

鋼結構件在工程設備和結構中一般受力較大，是主承受載荷的構件，必須保證有足夠的安全余量，要有足夠的安全系數[1]，特別是要考慮在極限工況條件下保證有足夠的強度與剛度。在工程實踐中，技術人員經常會根據經驗取舍技術參數，忽略對結構強度與剛度的驗算與校核，如果參數取舍不合理，可能會造成構件的失效，影響設備的正常運行，甚至造成大的工程事故[2]。在參與企業實踐服務時遇到一起電梯設備對重架結構件的失效事故，設備失效時的照片如圖1所示，從圖1可以看出鋼結構主梁已完全變形和扭曲，上邊緣局部有撕裂口。本文旨在通過對對重架結構的失效分析，找出失效原因，提出改進措施，以期工程技術人員在根據經驗進行結構設計時更要注意驗算和安全。

圖1 失效設備鋼結構件

1 失效分析

1.1 原始參數

針對該鋼結構，查看其圖紙結構參數，如圖2所示，其材料為Q235-A，長度1 130 mm，高度190 mm，中部有直徑為50 mm的圓孔，寬度205 mm，板材厚度8 mm，中間圓孔薄弱處截面尺寸如圖3所示。

圖2 鋼結構件尺寸

圖3 圓孔處截面尺寸（mm）

1.2 工況描述

該鋼結構為電梯對重架，是承受對重載荷的結構。靜載時的載荷為電梯空轎廂和轎廂支撐零部件的載荷與額定載重量的45%~50%構成 (可按50%計算)。

即S＝P+0.5Q＝17.5+7.5＝25 kN

式中，靜載時對重架的載荷為S；空轎廂和轎廂支撐零部件的重量P=16+1.5=17.5 kN；額定載重量Q＝15 kN.

考慮偏載及塵沙等因素的影響兩側可取摩擦阻力為3 kN，考慮到加速工況[3]，加速度為1 m/s2.則，總載荷計算為：

F＝25+3+25×0.1＝30.5 kN

將圖1的構件轉化為力學模型[4]如圖4所示。

圖4 鋼結構件力學模型（mm）

1.3 強度及剛度計算

強度計算：梁壁板材厚度尺寸為8 mm，實際測量厚度僅有7.6 mm，根據圓孔處橫截面尺寸圖3和力學模型圖4可以計算出：

慣性矩IX=8 430 000 mm4，

抗彎截面模量WX=89 800 mm3，

最大彎矩Mmax=565×15 250=8 620 000 N·mm，最大應力σ＝Mmax/WX=8 620 000/89 800=96 MPa.

Q235材料的屈服應力為σS＝235 MPa；按照行業標準[3]，一般安全系數應n≥ 3.6，而實際安全系數為n′＝ σS/σ =235/96=2.4＜ n.

很顯然，安全系數偏小，該結構件的強度不滿足使用要求，由此看來，出現如圖1的上口撕裂和嚴重變形也是可能的。

剛度計算：Q235材料的彈性模量為E＝210 GPa

最大撓度為y=Fl3/48EI=30 500×1 1303/48×210×103×8 430 000=0.52 mm

按照行業標準，一般允許變形撓度為[w]=1/960而實際變形為w=0.52/1130=1/2 100＜[w]變形滿足要求。

2 改進措施

2.1 在用產品的解決方案

對于在用產品，如果全部通過設備停用進行更換結構件不太現實。實際處理時可通過在結構件兩側對稱焊接同材料加強板來實現強度的提高，焊接鋼板的尺寸長×寬 ×厚為1000 mm×40 mm×5 mm.焊接加強板后的結構如圖5所示，加強后的變形不需要重新驗算，加強后的強度驗算如下。

圖5 在用設備的處理方案（mm）

慣性矩IX=13 136 400 mm4；抗彎截面模量WX=138 300 mm3；最大應力σ＝Mmax/WX=8 620 000/138 300=62.3 MPa，而實際安全系數為 n′＝ σS/σ=235/62.3=3.8＞n=3.6.

很顯然，安全系數足夠，加強后該結構件的強度滿足使用要求。

2.2 后續產品的改進設計

對于后續產品的設計要兼顧產品的一致性和美觀性[5]，采用焊接加強板的方法顯然不合適。設計時應該從兩個方向著手，一是增加板材的厚度達到10 mm，二是增加結構的高度，高度增加到220 mm.這樣針對強度的改進方案不需要產品發生結構性的改變，改動較小，也能滿足要求。改進后的結構件尺寸如圖6所示。

圖6 后續產品橫截面改進措施（mm）

改進后的強度驗算如下。

慣性矩IX=16 836 800 mm4；抗彎截面模量WX=153 000 mm3；最大應力σ＝Mmax/WX=8 620 000/153 000=56.3 MPa，而實際安全系數為 n′＝ σS/σ=235/56.3=4.2＞n＝3.6.

顯然，安全系數足夠，重新設計后的結構件的強度滿足使用要求。

3 結束語

本文通過對某失效結構件進行了分析及改進，改進后的尺寸與改進前增加不多，但安全系數提高了近一倍，即強度提高了近一倍。因此，技術人員在進行設計時經驗固然重要，但根據經驗設計構件后進行必要的驗算不能缺少，因為尺寸稍作變化，對結構強度會產生較大影響。

[1]胡宗波.鋼結構箱形柱與梁異型節點設計方法研究[J].工程力學，2012（11）：191-196.

[2]鄭先元.鋼結構工程施工質量監督中的常見問題及應對措施[J].工程質量，2010（9）：53-59.

[3]GB/T 7588-2003.電梯制造與安裝安全規范[S].北京：全國電梯標準化委員會，2004.

[4]孫保蒼，丁建波.工程力學基礎[M].北京：國防工業出版社2016：130-131.

[5]孫紅玲，劉青亮，李詠梅，等.基于PRO/E參數化的油浸式變壓器箱底設計[J].科技與企業，2012（21）：210-213.