火災后高空作業平臺鋼結構性能分析與試驗

李 豪，陳里楠，魏 興，洪 波，李 超，申展超

（1.大連益利亞工程機械有限公司，遼寧大連 116025；2.大連船舶重工集團有限公司，遼寧大連 116021；3.大連益網科技有限公司，遼寧大連 116025）

0 引言

S-100型高空作業平臺是由美國特雷克斯（Terex）集團下屬的吉尼（Genie）公司生產的一款自行式直臂高空作業平臺。圖1是該產品的整機模型。該產品高達30 m的平臺最大舉升高度，可滿足部分行業在高空焊接、打磨和火焰切割等方面的操作需求。

圖1 S-100型高空作業平臺外觀模型

一臺S-100型高空作業平臺在現場生產過程中，因操作不當發生火災。為節約成本，擬對該設備進行維修，并對受熱的直臂和轉臺部分進行試驗分析，以確定是否進行加固或更換受熱的鋼結構。

對平臺的鋼結構取樣并進行金相分析會對設備造成損壞，而且對不明確的鋼結構材料的分析過程周期較長、成本偏高。為了保證設備今后的使用安全性，并降低鋼結構的檢修成本，擬對火災后的高空作業平臺鋼結構進行受熱狀態分析和危險工況的有限元計算分析，然后編制設備維修后的試驗方案，以驗證該設備的性能是否能達到原先的技術要求。

1 現場情況和維修方案

1.1 現場情況

起火原因：平臺抬升至半空后進行火焰切割操作，高溫碎屑掉落至平臺的轉臺上，隨即熔化了轉臺上塑料燃油箱的外殼，引燃了燃油箱中的柴油。消防人員趕到后，使用消防水槍將火撲滅。火災導致塑料柴油箱完全燒毀，發動機、液壓元件等全部報廢，伸縮臂及轉臺的受熱部分油漆脫落。S-100平臺滅火后的情況見圖2。

圖2 S-100型高空作業平臺滅火后現場

受熱情況：伸縮臂的根鉸點至變幅油缸鉸點，以及轉臺的兩側墻板為主要受熱區域（圖3），即可能發生金相轉變的部位。

圖3 鋼結構的主要受熱部位

1.2 維修方案

（1）更換發動機、燃油箱、臂架伸縮機構零部件、液壓元件、輪胎等部件；

（2）分析鋼結構的受損情況，并重新進行承載性能試驗。試驗合格后，該設備方可再次投入使用。

2 鋼結構的性能分析

2.1 鋼結構的受熱狀態分析

因塑料燃油箱起火，導致柴油外溢。柴油外溢后雖然使整臺設備的著火面積增大，但火焰集中而持續燃燒的時間縮短。另外，發生火情后及時撲滅了明火，也縮短了火焰加熱的時間。綜合上述因素分析，此次火災沒有導致鋼結構出現過燒現象。

模擬油庫發生火災的環境下，持續0.5 h加熱鋼材試件，之后再用噴水冷卻的方式降溫，試件中的化學元素C的含量降低約0.03%，S的含量降低約0.006%，Mn的含量降低約0.08%，P和Si的含量幾乎無變化。鋼材試件的屈服強度和抗拉強度有所下降，最大降幅9%，最小降幅2%[1]。

2.2 鋼結構的有限元分析

S-100高空作業平臺直臂的鋼結構材料為BS600，轉臺的鋼結構材料為Q345，兩種材料的屈服強度在火災之都下降了9%。因此，分別求得BS600和Q345兩種材料的許用應力為273 MPa 和 156.98 MPa[2][3][4]。

通過現場測繪的同型號產品的鋼結構尺寸，可計算出平臺各個部件的重量：工作平臺340 kg，調平油缸45 kg，伸縮油缸925 kg，伸縮臂臂節1重 1010 kg，伸縮臂臂節2重635 kg，伸縮臂臂節3重380 kg。

查閱吉尼公司的產品樣本[5]，得知S-100的作業區間圖，其額定載荷為340 kg，見圖4。

圖4 S-100的作業區間

根據S-100的作業區間圖計算出危險工況時伸縮臂的仰角、臂長，再考慮到高空作業平臺運行時動載荷的影響，確定計算工況（表1），其中1.25為動力載荷系數[2]。

用有限元分析軟件 ANSYS的 Shell63，Link10，Mass21單元，分別建立伸縮臂和轉臺的有限元模型，并加載計算。計算結果如圖5和圖6所示。計算結果統計見表2，表3。

表1 計算工況

圖5 伸縮臂模型有限元分析結果

圖6 轉臺模型有限元分析結果

表2 伸縮臂有限元分析結果

表3 轉臺有限元分析結果

表4 S-100整機的試驗方案

3 承載性能檢測試驗

為驗證使用性能的計算結果是否滿足使用要求，需要在整車修理完畢之后進行承載性能檢測試驗。試驗方案按照空載、額定載荷、超載動載荷3種工況順序進行。3種工況下，分別在工作平臺加載不同的載荷。為了安全起見，不得操作復合動作。整機的試驗方案見表4，試驗數據和故障記錄見表5。試驗現場情況見圖7。

表5 試驗數據和故障記錄

4 結論

由表5中的試驗記錄可知，火災后S-100的各項危險工況的作業性能與火災之前差異不大，在額定載荷工況下的撓度滿足要求，在超載工況下未出現結構失效。試驗結果與分析結果接近，滿足該設備原始使用要求。

圖7 試驗現場情況

［1］強旭紅，羅永峰，羅準，張立華.鋼結構構件火災后材料性能試驗研究［J］.土木工程學報，2009，42（7）：28-33.

［2］GB 25849—2010移動式升降工作平臺-設計計算、安全要求和測試方法［S］.2010.

［3］寶山鋼鐵股份有限公司.工程機械用高強度熱連軋結構鋼產品手冊［R］.2009.

［4］GB/T 1591—2008低合金高強度結構鋼［S］.2008.

［5］Genie，Specifications S-100 S-105［R］.2013.

［6］GB/T 9465—2008 高空作業車［S］.2008.