塔式起重機鋼結構疲勞壽命研究

龐磊

摘 要：在建筑工程施工中，塔式起重機在提升物料方面發揮著重要的作用，尤其適用于空間較窄小的建筑工地，但實際應用中易發生各類安全事故，如塔身及起重臂的疲勞損壞，引發交變荷載故障。塔式起重機設計應用中需進行系統化的鋼結構疲勞強度計算。

關鍵詞：塔式起重機；鋼結構；疲勞壽命

中圖分類號：TH213.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）09-0039-02

1 研究背景

塔式起重機具有工作效率高、應用范圍廣等優勢，廣泛應用于建筑施工中，是建筑材料及施工設備調運的重要工具。作為施工組織中的關鍵性施工裝備，塔式起重機有著一系列應用技術要點，在實際施工過程中易發生各類安全事故，影響到建筑施工的正常開展，并造成較大的經濟損失。塔式起重機的故障主要源自塔身及平衡臂等結構的設計欠合理、制造質量不合格以及施工流程欠規范等。其中，塔式起重機的結構設計欠合理是造成起重機故障的主要原因，如鋼結構疲勞強度損壞、應力腐蝕等，造成鋼結構的失效。從安全系數角度考慮提升塔式起重機結構設計水平，可在確保結構尺寸及質量優異性能的基礎上最大限度提升起重機實際應用性能，并延長起重機使用壽命。目前實際施工中所應用的塔式起重機設備并未有效考慮鋼結構疲勞失效的問題，影響到塔式起重機使用壽命。伴隨經濟社會的發展，塔式起重機設備的結構疲勞性問題逐漸引發重點關注，成為塔式起重機結構設計的關鍵技術點。

2 塔式起重機的有限元模型和靜應力

塔式起重機疲勞損傷及構件受交變應力影響時造成的失效現象，通常應力作用難以達到材料及構件的屈服極限，但長期反復作用下，易形成疲勞破壞，但一般無明顯塑性變形跡象，較難被察覺，具有較大的潛在危險性，且疲勞端口處會出現纖維狀區域特征，分散性較強。起重機疲勞類型主要包括機械疲勞、熱疲勞以及腐蝕性疲勞等方面，分別由交變機械、溫度波動、循環交變應力及腐蝕性環境等影響因素引發，機械疲勞在塔式起重機中較為常見。

建立塔式起重機有限元模型見下圖1所示，三維網格模型包括630個網格節點以及1567個梁桿單元，有限元計算工況依據實際運行環境及特點選取，吊重分別位于起重臂最遠端、內外拉桿、起重臂根部等工況結構，通過計算獲得各工況的靜應力值。其中，起重臂最遠端吊重工況中，靜應力值分布見下圖2所示，可看出各工況靜應力強度均符合設計要求。

3 應力循環的轉化

塔式起重機應力譜為各工況應用中工程極值應力的集合，如空載靜止及回轉工況、起吊及回轉工況等，通過單向荷載作用下應力考核點應力的有限元計算，可形成塔式起重機應力譜以綜合評估各工程載荷下的應力狀態。通常在塔式起重機工作中，桿件組件受不規則交變應力影響較大，考慮到拉應力與壓應力不一致的影響，需設置剛性桁架平衡臂。由塔式起重機應力譜可知，各結構部位受力形式及狀態各異，受起吊載荷、回轉方向、風荷載等的影響也較大，表現在應力譜圖上即為橫軸上下兩部分，依據起重機作用規律，桿件正、反向受力大致相當，則正、反向回轉啟動次數也大致一致。為衡量主弦桿應力狀態的變化，坐標圖對稱軸選用零應力點折線垂線，應力譜負值部分翻轉后得到完整的應力譜圖。

應力循環轉化即利用應力狀態的調整實現塔式起重機結構疲勞影響因素的分析，通過古德曼圖線可衡量交變應力對結構性疲勞的影響程度及方式，依據古德曼圖線及應力循環譜圖，（）為一個應力循環，平均應力，依據各應力循環組最大應力及最小應力建立應力組，由古德曼圖線方程，應力幅，為破斷拉應力，則等效對稱循環應力可通過計算得到，疲勞極限，在此基礎上建立各桿件的等效應力譜圖。

4 起重機的疲勞壽命

起重機鋼結構的壽命的分析需從疲勞分析入手，其安全工作年限在實際應用中也較為關注，但疲勞壽命評估往往受各類因素的影響，需采取系統化評估手段，首先需理解基本的疲勞壽命評估標準及方法，疲勞破壞通常經歷成核階段、微觀裂紋階段、宏觀擴展階段以及疲勞斷裂階段等，需通過高效的疲勞壽命分析不斷提升塔式起重機的工作可靠性與安全性。

塔式起重機可靠度約達90%以上，其等效對稱循環應力需依據各應力考核點零構件疲勞壽命曲線查得，即P-S-N曲線。曲線中包括LCF、HCF以及SF各段，分別為低周期、高周期以及無限壽命應力區，依據P-S-N曲線可得到等效對稱循環應力疲勞壽命，S-N曲線的應力與疲勞壽命呈以下關系特性：，適用于高周期疲勞應力的分析。而當等效對稱應力落在曲線的無限壽命階段，則，此階段中塔式起重機應力考核點無疲勞損傷，分離無限壽命應力值域后，對稱循環應力變化為。

在塔式起重機P-S-N曲線的高周期疲勞階段，可由等效對稱應力對應的作用方式及次數、壽命得到應力考核點的損傷率值：。

但在塔式起重機實際工作中，存在一個等效對稱循環應力相互交叉的情況，造成疲勞壽命的分析較復雜，缺乏統一的衡量標準，因此，為提升塔機疲勞壽命評價的有效性，建立等效對稱循環應力評價機制，設立標準應力及標準作用次數，各等效對稱循環應力均以標準應力及作用次數為依據建立，即，則，進而得到損傷率：

，當，等效作用次數方程為：，故標準應力基礎上的等效對稱循環應力作用次數為：

，因此，總疲勞損傷可表示為：，剩余壽命為：。

通過上述對塔式起重機疲勞壽命的分析，可提升應力考核點處疲勞損傷及壽命評價精度及可靠性，依據高效的疲勞狀態評估以及截面特性可確定截面的可修復及可替換特性，以采取相應的替換及報廢措施。

5 結語

塔式起重機是建筑材料及施工設備調運的重要工具以及關鍵性施工裝備，施工過程中塔式起重機的故障將直接影響到施工可靠性與安全性，從安全系數角度并未有效考慮鋼結構疲勞失效的問題。文章建立有限元結構模型，進行靜應力循環分析，其中，應力循環次數由應力譜圖確定，依據古德曼圖轉換，并設定標準應力及作用次數，評估塔式起重機疲勞壽命。

參考文獻

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