直角突變式鋼吊車梁群體疲勞壽命評估*

嚴(yán) 勇 幸坤濤 莊繼勇 趙曉青 王華丹

(1.上海寶鋼工業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 201900;2.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

0 引言

吊車梁是服務(wù)工業(yè)生產(chǎn)的重要結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，尤其在鋼鐵冶煉行業(yè)，鋼結(jié)構(gòu)吊車梁的使用數(shù)量多，結(jié)構(gòu)形式多樣，承受荷載大。近年來在多個(gè)鋼鐵廠均出現(xiàn)吊車梁使用過程中發(fā)生疲勞開裂問題，尤其是直角突變式鋼吊車梁疲勞破壞問題較為突出［1-2］。針對直角突變式吊車梁的疲勞破壞機(jī)理，中冶建筑研究總院有限公司做過很多研究［1］，吊車梁在行車移動(dòng)荷載的多次重復(fù)作用下，在應(yīng)力集中的部位產(chǎn)生微細(xì)裂縫，隨著荷載作用次數(shù)的不斷增多，裂縫在鋼材厚度方向和構(gòu)件平面內(nèi)擴(kuò)展，最后會(huì)因截面過分削弱而使構(gòu)件突然斷裂或失效。根據(jù)現(xiàn)場日常檢查及有關(guān)疲勞試驗(yàn)的結(jié)果，直角突變式鋼吊車梁疲勞破壞的過程大致分四個(gè)階段：a.在變截面連接焊縫位置出現(xiàn)起始裂紋;b.裂紋向插板厚度方向發(fā)展;c.裂紋向腹板平面內(nèi)發(fā)展;d.斷裂失效，如圖1所示。

圖1 直角突變吊車梁的疲勞破壞過程Fig.1 The fatigue failure process of a crane beam with a right angle

根據(jù)已有研究成果［1］及現(xiàn)行 GB 50144—2008《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》可以對跨中1～2根梁的疲勞壽命進(jìn)行評估，但如何快速準(zhǔn)確地對跨內(nèi)所有吊車梁進(jìn)行群體壽命評估，對于廠房管理者來說還是迫切需要解決的問題。

本文依據(jù)吊車梁疲勞累積損傷原理，對直角式吊車梁進(jìn)行了有限元模擬分析，確定疲勞敏感部位，在此基礎(chǔ)上提出了一種應(yīng)用吊車梁實(shí)測應(yīng)力譜數(shù)據(jù)、日使用頻次數(shù)據(jù)及歷史產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行鋼吊車梁群體疲勞壽命定量評估的方法，并應(yīng)用該方法對某煉鋼廠板坯清理跨21根吊車梁進(jìn)行群體疲勞壽命評估。

1 直角突變式吊車梁疲勞壽命評估

1.1 直角突變式吊車梁有限元模擬

選取某煉鋼廠已經(jīng)發(fā)生疲勞破壞的直角突變式吊車梁作為研究對象，該跨吊車梁共21根，1998年建成投產(chǎn)，迄今已使用19年。跨度均為24 m，梁全高3 500 mm，支座處高2 000 mm，變截面比2/3.5，吊車梁斷面3 500 mm×850(700)mm×18 mm×36 mm，吊車梁三維模型如圖2所示。該跨范圍內(nèi)運(yùn)行三臺(tái)行車(其中兩臺(tái)行車起吊量為950 kN，吊車跨度為39.5 m，工作制A6，橋式吊車;一臺(tái)起吊量為320 kN，吊車跨度為 39.5 m，工作制 A6，橋式吊車)，吊車梁鋼號(hào)均選用SM50B號(hào)鋼，性能類似于我國Q345鋼。

圖2 直角突變吊車梁三維模型Fig.2 Three dimensional model diagram of a crane beam with a right angle

采用ABAQUS有限元軟件建模時(shí)，材料的彈性模量取 E=206 ×105MPa，泊松比 μ =0.3，不考慮材料的自重。梁部端頭局部區(qū)域網(wǎng)格劃分為10 mm，封板厚度方向單元?jiǎng)澐譃?層，其余全梁網(wǎng)格劃分為200 mm，移動(dòng)荷載每分析步移動(dòng)50 mm，每個(gè)模型約建立622個(gè)分析步，選取94 t行車，最大輪壓為410 kN。通過分析發(fā)現(xiàn)在行車荷載作用下該吊車梁變截面部位應(yīng)力集中嚴(yán)重，如圖3所示，該部位為吊車梁疲勞破壞的敏感部位，并分析得到疲勞敏感部位(變截面腹板及端封板)和跨中下翼緣在行車移動(dòng)荷載作用下最大主應(yīng)力影響線，如圖4—圖6所示，同時(shí)得到吊車梁在最不利荷載工況(第183分析步)下疲勞敏感部位的應(yīng)力云圖，如圖7所示。此時(shí)最大支座反力為1 870 kN，分析得到疲勞敏感部位腹板應(yīng)力大于130 MPa，端封板最大應(yīng)力100 MPa，跨中最大應(yīng)力65 MPa。

圖3 直角突變吊車梁應(yīng)力分布云圖 PaFig.3 Stress distribution cloud map of a crane beam with a right angle

圖4 行車移動(dòng)荷載作用下吊車梁疲勞敏感部位腹板最大主應(yīng)力影響線Fig.4 The influence line of the maximum principal stress of the web on the fatigue sensitive part of crane beam under moving loads

1.2 疲勞敏感部位應(yīng)力測試分析

選擇使用頻率較高的吊車梁Y10、Y11應(yīng)力測量對象，測量了24 h吊車梁端部疲勞敏感部位封板、腹板應(yīng)力變化情況，并用雨流法統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)力循環(huán)次數(shù)［3-4］。應(yīng)變花測點(diǎn)1位于吊車梁端部腹板上，應(yīng)變花測點(diǎn)2、3位于吊車梁端部封板上，測點(diǎn)布置如圖8所示。

圖5 行車移動(dòng)荷載作用下吊車梁敏感部位封板最大主應(yīng)力影響線Fig.5 The maximum principal stress influence line of the sensitive part of crane beam under moving load

圖6 行車移動(dòng)荷載作用下吊車梁跨中下翼緣最大主應(yīng)力影響線Fig.6 The maximum principal stress influence line of crane middle span and lower flange under moving load

圖7 最不利荷載作用下疲勞敏感部位的應(yīng)力分布云圖 MPaFig.7 Stress distribution cloud map of fatigue sensitive parts under the most unfavorable load

圖8 應(yīng)力測點(diǎn)布置Fig.8 Layout of stress measurement points

采集24 h數(shù)據(jù)，利用雨流法對應(yīng)力譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到測點(diǎn)1、2、3的應(yīng)力幅統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖9—圖11所示，3個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)分別為532，514，549次，取三者平均值532次作為該吊車梁疲勞敏感部位的24 h應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，由測點(diǎn)2、3實(shí)測應(yīng)力譜統(tǒng)計(jì)得到直角突變式吊車梁疲勞敏感部位的等效應(yīng)力幅Δσe為55 MPa，考慮板厚修正后的應(yīng)力幅水平為 45.8 MPa。

圖9 測點(diǎn)1應(yīng)力譜統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.9 Statistical results of stress spectrum of point 1

圖10 測點(diǎn)2應(yīng)力譜統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.10 Statistical results of stress spectrum of point 2

圖11 測點(diǎn)3應(yīng)力譜統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.11 Statistical results of stress spectrum of point 3

1.3 吊車梁疲勞壽命評估分析

根據(jù)直角突變吊車梁疲勞壽命的S-N曲線［2］得到的疲勞壽命評估公式(1)，計(jì)算得到該類型吊車梁的預(yù)期疲勞壽命N為209萬次。

2 吊車梁群體疲勞壽命分析評估方法

通過研究發(fā)現(xiàn)吊車梁的疲勞破壞與吊車梁疲勞控制部位的應(yīng)力幅水平和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)息息相關(guān)，這是吊車梁疲勞壽命評估時(shí)的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)［5］。單根吊車梁疲勞壽命分析評估是通過現(xiàn)場實(shí)測疲勞控制部位應(yīng)力譜(24 h)和歷年的產(chǎn)量情況進(jìn)行估算的，最終根據(jù)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》給定欠載效應(yīng)等效系數(shù)，對吊車梁疲勞壽命給出定性評價(jià)。對于同一跨的吊車梁群體來說，各個(gè)吊車梁疲勞控制部位的應(yīng)力幅水平是一樣的，其疲勞壽命由行車移動(dòng)荷載作用的次數(shù)決定［6］。這樣一來，只要知道每一根吊車梁的使用頻次，就可對吊車梁群體中的每一根吊車梁的疲勞壽命進(jìn)行定量評估。基于上述吊車梁群體疲勞壽命評估的思路，吊車梁群體疲勞壽命定量評估方法流程如圖12所示。

圖12 吊車梁群體疲勞壽命評估流程Fig.12 Flow chart of group fatigue life evaluation for crane beams

3 吊車梁疲勞壽命評估實(shí)例

以某煉鋼廠板坯清理跨X1列21根吊車梁為評估對象，如圖13所示，根據(jù)前文提出的吊車梁群體疲勞壽命定量評估的方法進(jìn)行評估，該跨吊車梁在2016年檢查時(shí)發(fā)現(xiàn) Y5—Y6、Y6—Y7、Y7—Y8、Y8—Y9、Y9—Y10、Y10—Y11 吊車梁端部支座位置已出現(xiàn)不同程度的焊縫開裂，開裂部位均為端部變截面位置插板、端封板、腹板交匯的焊縫位置，見圖14、圖 15。

圖13 吊車梁平面布置示意Fig.13 Schematic diagram of crane beam

圖14 吊車梁端部焊縫開裂(裂紋已貫穿焊縫)Fig.14 Cracking of end weld of crane beam(crack penetrated through weld)

圖15 吊車梁端部焊縫開裂Fig.15 Cracking of end weld of crane beam

3.1 吊車梁使用頻率測量分析

利用吊車梁使用頻率測量設(shè)備，對X1列吊車梁群體測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到各吊車梁24 h的使用頻次。各吊車梁的使用頻次曲線見圖16。

圖16 X1列各吊車梁使用頻次曲線Fig.16 Usage frequency curves of X1 column crane beams

3.2 吊車梁群體疲勞壽命評估分析

1)根據(jù)使用頻次最頻繁吊車梁實(shí)測的24 h應(yīng)力循環(huán)次數(shù)(532次)和歷年產(chǎn)量數(shù)據(jù)的比例關(guān)系，推算出該吊車梁歷年產(chǎn)量所對應(yīng)的24 h相對應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，推算結(jié)果見表1。

表1 使用頻次最頻繁吊車梁歷年的24 h相對應(yīng)力循環(huán)次數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical table of 24 h relative stress cycle times of crane years with the most frequent use

2)根據(jù)使用頻次最頻繁吊車梁歷年的24 h應(yīng)力循環(huán)次數(shù)和吊車梁群體中各吊車梁實(shí)測的24 h使用頻次數(shù)據(jù)，按比例推算出吊車梁群體中各吊車梁歷年的24 h相對應(yīng)力循環(huán)次數(shù)(該相對循環(huán)次數(shù)是相對于使用頻次最頻繁吊車梁推算得到的)，推算結(jié)果如圖17所示。

圖17 吊車梁群體中各吊車梁歷年的24 h相對應(yīng)力循環(huán)次數(shù)統(tǒng)計(jì)分析Fig.17 Statistical analysis of 24 h relative stress cycle times of crane girders in crane girder group

3)根據(jù)吊車梁群體中各吊車梁歷年的24 h相對應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，可以推算出各吊車梁歷年應(yīng)力循環(huán)總次數(shù)，進(jìn)而得到吊車梁群體中各吊車梁自投產(chǎn)以來到2016年總應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，數(shù)據(jù)推算結(jié)果如圖18所示。

從圖18推算得到的各吊車梁自投產(chǎn)以來到2016年總應(yīng)力循環(huán)次數(shù)來看，現(xiàn)場開裂的吊車梁(Y5—Y6、Y6—Y7、Y7—Y8、Y8—Y9、Y9—Y10、Y10—Y11)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)均已超過直角突變吊車梁S-N曲線計(jì)算得到的預(yù)期疲勞壽命對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際情況較吻合。

圖18 吊車梁群體中各吊車梁總應(yīng)力循環(huán)次數(shù)統(tǒng)計(jì)分析Fig.18 Statistical analysis of total stress cycle times of crane girders in crane girder group

4 結(jié)束語

1)通過有限元仿真模擬分析，明確了直角突變式鋼吊車梁的疲勞敏感部位位于支座變截面處，與直角突變式鋼吊車梁實(shí)際疲勞破壞部位一致，揭示了直角突變式鋼吊車梁疲勞破壞機(jī)理。

2)本文采用了24 h吊車梁使用頻次數(shù)據(jù)、應(yīng)力測試數(shù)據(jù)和歷史產(chǎn)量數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系，推算得到吊車梁群體中各吊車梁的總應(yīng)力次數(shù)，為吊車梁群體疲勞壽命的定量評估提供了數(shù)據(jù)。

3)本文提出了一種吊車梁群體疲勞評估分析的方法，并通過實(shí)際工程對該方法進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相符。該評估分析方法可信度較高，實(shí)現(xiàn)了吊車梁群體疲勞壽命的定量評估，評估結(jié)果可用于指導(dǎo)吊車梁的日常維護(hù)和精細(xì)化管理，也可推廣應(yīng)用于其他類型吊車梁的群體壽命評估。