實腹式鋼吊車梁疲勞原因分析

王 強

(中冶賽迪上海工程技術有限公司,上海 200490)

1 概述

隨著我國冶金、機械、石化等工業不斷發展，從20世紀50年代開始大量建造各種類型的工業建筑，截至2014年我國工業建筑面積超過120億m2。鋼吊車梁屬于工業建筑中重要結構構件之一，其承擔著生產物資運輸、設備檢修吊運等功能同時為工業建筑柱子系統重要的縱向聯系構件，吊車梁結構狀態的良好與否直接影響到生產安全。近年來由于生產規模的擴大，吊車梁使用環境的劣化，據統計在我國設有重級工作制吊車的工業建筑中，絕大部分鋼吊車梁在使用10年～15年后出現疲勞問題[1]。由于疲勞破壞屬于典型的脆性破壞，處于生產主工藝流程關鍵部位的吊車梁的安全性尤為重要，不僅嚴重影響生產，而且造成次生災害的概率非常大。

2 國內外鋼吊車梁疲勞調查

在工業領域歐美、日本和蘇聯等國家和地區工業化較早，其鋼結構疲勞研究也做了大量的調查和研究，疲勞損傷主要集中在工業廠房的吊車梁本體、制動系統及連接。日本鋼協對52個冶金工廠吊車梁疲勞損傷進行調查，各類冶金廠房中吊車梁的損傷比例見表1，不同年份吊車梁損傷比例見表2，吊車總運行次數在5×105次以下時，有損傷的吊車梁數量占全部構件數量的15%。

表1 各類冶金廠房中吊車梁的損傷比例(日本)

表2 不同使用年限吊車梁的損傷比例(日本)

前蘇聯調查資料顯示，吊車梁的破損率隨年代而增長見表3[2]。

表3 不同使用年限的吊車梁損傷比例(前蘇聯)

我國對冶金企業的鋼結構疲勞問題也做了調查，隨著我國鋼鐵行業升級改造產能提高重級工作制大噸位吊車梁一般使用壽命在10年～15年左右。從近幾年調查結果來看，冶金企業吊車梁出現疲勞問題的工藝單元主要集中在煉鋼的加料跨、熱軋板坯庫等詳見表4。實腹式鋼吊車梁容易出現疲勞損傷的部位見圖1。

表4 冶金廠房鋼吊車梁易疲勞的工藝工段

3 焊接鋼吊車梁疲勞破壞的特點

焊接鋼吊車梁的疲勞破壞屬于高周疲勞(應力疲勞)，具有以下特征：工作應力小于fy，沒有明顯的塑性變形，壽命n≥5×104次。疲勞破壞分三個階段：裂紋形成、裂紋穩定擴展、裂紋失穩擴展斷裂。吊車梁斷裂部位呈現不同分區，斷裂區斷口平直呈有光澤的晶粒狀或人字紋，由于截面削弱快速斷裂而形成。裂紋擴展區由于裂紋不斷擴展張合，兩表面互相碾磨相對較光滑，局部產生褶皺詳見圖2。由于吊車梁疲勞破壞時鋼材的塑性還沒有展開，屬于脆性破壞，危險性大，已經嚴重影響了安全生產，因此吊車梁安全是工業企業生產活動中至關重要的保障點。

4 影響鋼吊車梁疲勞性能的因素

影響鋼吊車梁疲勞性能的因素是多方面的，經研究和調查大致有以下幾個方面。

4.1 鋼材材質的影響

1)鋼材的化學成分及非金屬夾雜物：碳素結構鋼，隨著碳含量的增高，其強度也會增高，而塑性和韌性下降。N,O,H,S,P等元素會增大鋼材的脆性，添加適量Ni,Cr,V,Mn等元素有助于減小鋼材的脆性。王志遠等[3]從非金屬夾雜物的形貌特征、化學元素組成以及與基體之間的相互作用等方面基于斷裂力學探究了非金屬夾雜物對鋼材疲勞性能的影響，Murakami和Endo模型應用比較廣泛。

2)晶粒的影響：鋼材晶粒度對于低碳鋼和低合金鋼的脆性轉變溫度影響較大，晶粒度越細，轉變溫度越低，越不容易發生脆斷[4]。另一方面鋼材在加工和使用過程中，晶粒在高應力作用下，在滑移平面的方位與最大切應力方向一致時易出現滑移，進而形成應力集中，導致微小裂紋從而影響其斷裂性能。

3)力學性能：鋼材韌度和強度同等重要，不單純追求強度指標。而忽視了其他性能，如：沖擊韌性、斷裂韌度及厚板的Z向性能。根據斷裂力學理論應力強度因子KI應小于斷裂韌度KIC，即：

其中，C，m均為與材料疲勞裂紋擴展性能有關參數，由試驗確定。

4)厚度：厚度越大，發生脆斷可能性增加。一方面厚板在缺口處容易形成三向拉應力，沿厚度方向的收縮和變形受到較大的限制而形成平面應變狀態，影響了塑性的發揮；另一方面厚板的軋制工藝不如薄板軋制次數多，組織內部比較疏松，內外層均勻性差。

4.2 工作環境溫度的影響

工作環境溫度對鋼材性能影響比較大。清華大學王元清等在近20年內做了大量低溫下結構鋼材的試驗研究發現鋼材存在韌脆轉變溫度(見圖4)。當溫度降到某值后，屈服強度趨近抗拉強度，此時鋼材的塑性變形很小，鋼材破壞基本為脆性變形[5]。從斷裂力學方面研究發現隨著溫度的降低，鋼材的斷裂韌度KIC下降，表現出低溫脆性。

4.3 環境腐蝕的影響

徐善華、馮大帥等對中性鹽霧腐蝕環境下Q235鋼、Q345B鋼疲勞特性的影響[6,7]。通過疲勞試驗、疲勞裂紋擴展試驗獲得腐蝕對鋼材疲勞的影響有關數據表明：隨著腐蝕率的增加，鋼材疲勞壽命急劇下降，鋼材裂紋擴展速率隨著腐蝕率增大而增快。陳夢成等[8]對局部腐蝕的Q235鋼材疲勞壽命影響因素試驗表明：腐蝕的構件比無腐蝕的構件疲勞壽命降低80%～95%，腐蝕溫度從20 ℃升高到40 ℃時，疲勞壽命下降55%～76%(見圖5)。吊車梁若處在腐蝕性介質環境下，腐蝕介質的化學作用、環境溫度和荷載作用的相互耦合，疲勞破壞的進程大大加快。

4.4 應力比與加載頻率

循環加載的應力比R越高，疲勞裂紋擴展速率越快;斷裂韌度KIC越高, 疲勞裂紋擴展速率越慢。另外較高的加載頻率通常會降低鋼材的斷裂韌度KIC，其變化趨勢與降低溫度類似[9]。清華大學熊俊等[10]通過做Q345,Q390,Q420三種鋼材制作的梁柱節點單向拉伸和循環荷載試驗表明：循環加載會顯著削弱焊接試件承載能力和變形能力，導致焊縫的開裂和破壞。

4.5 制作過程中的缺陷

鋼結構在制作過程中經歷了下料、冷熱成形、裝配、焊接、矯形和焊后熱處理等工序。鋼材經過這些工序加工其材質可能發生變化，焊接可能產生缺陷，焊后產生殘余應力和變形這些對其抗疲勞性能都有影響。

1)應變時效。鋼材經過剪切、冷成形或冷矯形等產生一定塑性變形后經加熱而產生應變時效。焊接時的加熱不均，導致不同程度的熱塑性變形。

2)焊接引起的缺陷。如焊接過程易產生氣孔、裂紋、夾渣等各類缺陷;另一方面焊接結構中存在殘余應力和殘余變形。這些缺陷往往會是前期裂紋的發源地。

3)構件表面的光潔度和表面處理工藝。有關資料表明[11]:材料強度越高受表面光潔度影響越大；應力水平低，壽命越久受表面光潔度影響也越大。另構件表面引入壓縮殘余應力，如：表面拋丸等，可提高疲勞壽命。

4.6 吊車軌道偏心

吊車軌道中心與吊車梁腹板中心不重合，偏心較大時，吊車輪壓引起的扭矩對腹板和橫向加勁肋的影響不容忽視。此類偏心一方面由安裝偏差引起，GB 50205—2020鋼結構工程施工質量驗收標準的有關要求，吊車軌道中心對吊車梁腹板軸線偏心應小于腹板厚度1/2；近幾年的調研發現：軌道壓軌器的松動，軌道產生側彎不居中的情況也存在。

4.7 構件的應力集中及構造不合理

構件的缺口疲勞不容忽視。從近年來工程實踐中對變截面吊車梁進行有限元分析發現應力集中效應明顯，一定程度上削弱了其材料局部的抗疲勞能力，故起重量在100 t以上的重級工作制吊車梁宜采用等截面形式。細部接頭構造中也存在不同程度的應力集中，從圖6[4]中可以看出不同接頭形式的疲勞性能優劣，缺口效應越強抗疲勞能力越弱。構造不合理也容易形成疲勞破壞的薄弱環節，如：構(板)件截面突變處不做過渡處理、采用過厚鋼板、焊縫密集、三向焊縫匯交、在高應力區布置焊縫等等。

5 結論

通過對影響鋼吊車梁疲勞性能的因素研究可從以下幾個方面對鋼吊車梁的設計進行改進：

1)鋼材的材質對于吊車梁抗疲勞性能至關重要，其斷裂韌度和強度同等重要。重型吊車梁設計宜從鋼材的化學成分、碳當量、氮含量、晶體顆粒等級、沖擊韌性、交貨條件等方面進行嚴格控制。

2)環境溫度對鋼吊車梁疲勞性能的影響明顯，可通過選擇具有良好的沖擊韌性，較高斷裂韌度的鋼材提高其抗疲勞能力。

3)腐蝕對鋼吊車梁疲勞性能的影響不言而喻，可根據所處的環境類別選擇設計使用年限較長(如：10年～15年)的防腐涂裝方案。

4)從近幾年重型鋼結構吊車梁的工程實踐來看，采用基于S—N曲線疲勞累積損傷計算理論分析此類疲勞問題，降低應力幅(應力比)是比較有效的方法，另外基于裂紋擴展準則的疲勞分析理論還需進一步研究。

5)隨著工業產能升級，處于生產主工藝流程上的吊車梁其荷載加載頻率大幅度提高，疲勞壽命越來越短，其重要性系數應與普通吊車梁有區別，欠載系數是否合適需要探討。

6)吊車梁的構造不合理、應力集中和制作過程中產生的缺陷往往是疲勞裂紋的發源地，此類問題應從設計到施工引起高度重視。軌道偏心和缺口疲勞效應不容忽視，建議采用有限元法進行分析驗算較為穩妥。

綜上所述從斷裂力學的角度來衡量吊車梁抗疲勞性能的優劣，實質是抑制裂紋萌生和擴展的方式好壞。隨著結構健康監測技術的發展，對處于生產重要部位的吊車梁實時監測也是比較好的生產保障措施。