某工業廠房鋼吊車梁疲勞開裂原因分析研究

嚴勇

（寶武裝備智能科技有限公司）

0 引言

工業建筑作為重要的基礎設施在工業生產過程中發揮著舉足輕重的作用，我國既有工業建筑存量已突破120億m2。隨著我國進入后工業時代，前期建設的工業建筑結構也逐步進入了設計壽命的中后期，結構老化問題逐漸凸顯如腐蝕、疲勞、振動等。吊車梁作為工業建筑的重要結構系統，是直接服務于一線生產過程的“生命線”，承擔著廠房內物料三維搬用的重要任務，廣泛應用于各行各業。近年來，冶煉行業已陸續發生多起重型工業廠房鋼吊車梁疲勞斷裂導致的重大安全生產事故（如2019年4月19日江西某鋼鐵廠發生的吊車梁斷裂導致吊運鋼包行車墜落），給國家和人民群眾的生命財產造成了巨大損失，引起了國內各工業生產企業對吊車梁疲勞破壞問題的廣泛關注。據統計，工業建筑鋼結構疲勞破壞90%以上發生在重級工作制的鋼吊車梁系統，部分重級工作制鋼吊車梁投入使用15～20年后會出現疲勞裂紋甚至疲勞斷裂，遠小于設計使用年限，直角突變式鋼吊車梁疲勞破壞問題尤為突出。本文以直角突變式鋼吊車梁疲勞破壞為工程背景，通過對某鋼廠直角突變式鋼吊車梁疲勞破壞特征進行調查，結合現場疲勞荷載譜測試對吊車梁疲勞破壞原因進行分析。

1 直角突變式鋼吊車梁疲勞破壞特征調查

1.1 廠房結構設計概況及吊車梁使用現狀

某鋼鐵廠熱軋鋼卷堆放處理廠房為單層兩跨鋼結構廠房，下柱用雙肢格構鋼柱，上柱采用焊接H型實腹式柱，吊車梁采用直角突變式變截面鋼吊車梁（如圖1所示）。廠房跨度42m，柱距24m，共有吊車梁48根，每跨均布置35t橋式吊車兩臺、27t橋式吊車一臺，吊車跨距Lk=39.5m，最大輪壓28.5t，吊車均為重級工作制吊車，主要用于鋼卷的存放及出庫的駁運，于1998年建成投入使用。2020年進行廠房檢測時發現有16根吊車梁在支座變截面部位出現不同程度的焊縫及母材開裂的情況，裂紋最長達141mm，開裂位置主要集中在端部支座的兩個部位，如圖1所示。

圖1 直角突變式變截面鋼吊車梁

1.2 吊車梁疲勞破壞部位的裂紋特征

吊車梁端部疲勞破壞主要發生在兩個部位，位置Ⅰ位于變截位置封板與插板連接焊縫，開裂如圖2所示，位置Ⅱ位于變截面位置腹板與插板連接處焊縫或母材，開裂如圖3所示。

圖2 吊車梁封板與插板位置焊縫開裂照片

圖3 吊車梁腹板與插板端部位置焊縫及母材開裂

2 吊車梁受力分析

2.1 吊車梁受力分析模型建立

2.1.1 吊車梁受力分析構件設計參數說明

查閱設計圖紙資料可知，該廠房的吊車梁有DL1和DL2兩種形式，吊車梁端部構造直角突變式支座，DL1和DL2吊車梁截面型式一致，僅跨度不同。DL1吊車梁跨度23m，DL2吊車梁跨度24m。以吊車梁DL1為研究對象進行受力分析，該吊車梁為實腹式焊接吊車梁，跨度為23m，梁全高2600mm，支座處高1700mm，變截面比1.7/2.6（略小于《鋼結構設計標準》GB50017-2017中2/3的要求），吊車梁跨中截面尺寸為2600mm×850（750）mm×14mm×36mm，變截面端部支座截面尺寸為1700mm×850（750）mm×14mm×36mm，如圖4所示。加工制作吊車梁的鋼材采用SM50B鋼，性能類似于我國Q345鋼，手工焊焊條采用E5015、E5016焊條，埋弧自動焊采用焊絲H10Mn2，吊車梁上下翼緣與腹板的焊縫及母材拼接焊縫要求剖口焊，且符合I級焊縫要求等。吊車梁支座處封板與下翼緣、端加勁肋與上翼緣均磨平頂緊焊接，封板與插入板采用剖口熔透焊，并補焊根。加工制作圖如圖4所示。

圖4 吊車梁DL1構件加工制作圖

2.1.2 行車移動荷載作用下有限元分析模型建立

根據鋼吊車梁DL1的構件加工制作圖，采用ABAQUS有限元軟件建立分析計算模型，計算分析吊車梁端部開裂位置的應力分布情況，確定圖1中裂紋位置Ⅰ、Ⅱ和跨中下翼緣應力最大時的荷載工況，及其最大主應力隨行車移動的變化規律。有限元模型建立時，材料的彈性模量取E=206000N/mm2，泊桑比μ=0.3，不考慮材料的自重。端部支座已出現疲勞裂紋的局部區域網格劃分布種為10mm，封板厚度方向單元劃分為5層，其余全梁網格劃分布種為200mm，移動荷載從左向右移動，每個分析步移動50mm，整個模型建立576個分析步，模擬行車的第一個輪子從吊車梁最左端進入至第四輪子從吊車梁最右端離開的整個受力過程，行車選取35t行車，每側4個輪子，最大輪壓為285kN。行車移動荷載作用的吊車梁計算分析模型如圖5所示。

圖5 行車移動荷載作用吊車梁分析模型

2.2 吊車梁受力模擬分析結果

⑴行車四個輪子從左向右移動，四個輪子全部進入吊車梁。第一個輪子距離吊車梁最左端7550mm時，吊車梁端部封板與插板連接焊縫位置Ⅰ處的受力達到最不利工況，分析荷載步為151步。通過該部位的最大主應力云圖可知，吊車梁端部封板與插板連接焊縫附近的最大主應力為120.8MPa。行車運行全過程該部位最大主應力時程曲線如圖6所示。

⑵行車四個輪子從左向右移動，四個輪子全部進入吊車梁。第一個輪子距離吊車梁最左端7150mm時，吊車梁端部腹板與插板連接焊縫位置Ⅱ處的受力達到最不利工況，分析荷載步為143步。通過該部位的最大主應力云圖可知，吊車梁端部封板與插板連接焊縫附近的最大主應力為81.4MPa。行車運行全過程該部位最大主應力時程曲線如圖6所示。

⑶行車四個輪子從左向右移動，四個輪子全部進入吊車梁，第一個輪子距離吊車梁最左端148000mm時吊車梁跨中下翼緣的受力達到最不利工況，分析荷載步為296步。通過該部位的最大主應力云圖可知，吊車梁跨中下翼緣的最大主應力為62.2MPa。行車運行全過程該部位最大主應力時程曲線如圖6所示。

圖6 端部及跨中疲勞敏感部位應力時程曲線

3 吊車梁載荷譜測試分析

3.1 吊車梁載荷譜采集的應力測點布置

在該廠熱軋鋼卷堆放處理廠房內行車運行較頻繁的區域選擇一根吊車梁作為代表性吊車梁進行應力測試，獲取行車在正常生產運行過程中24h的載荷譜數據，進一步分析該吊車梁的疲勞壽命。根據有限元分析計算的結果，應力測試的測點分別布置在應力較大、易發生裂紋的支座端部和疲勞敏感的跨中下翼緣，其中1#測點為單向測點，布置在吊車梁端部的位置Ⅰ位于變截位置封板與插板連接焊縫處，測量方向沿吊車梁的截面高度方向，2#測點為直角式三向應變花測點，布置在吊車梁端部的位置Ⅱ位于變截面位置腹板與插板連接焊縫處，應變花測點的0°方向沿吊車梁的縱向，90°方向沿吊車梁的截面高度方向。端部測點布置情況如圖7所示。3#測點布置在吊車梁跨中下翼緣腹板與翼緣連接焊縫處。

圖7 吊車梁應力測點示意圖

3.2 載荷譜測試數據分析

3.2.1 各測點24h時域曲線統計分析

吊車梁應力測點1#、2#、3#的實測應力變化曲線與有限建模分析得到的應力時程曲線相似，行車經過時端部測點均出現前、后兩組車輪經過時的應力峰值，跨中下翼緣應力測點只出現一個應力峰值。行車完整一次經過吊車梁時各測點應力變化的特征曲線如圖8所示。

圖8 行車一次經過時吊車梁端部及跨中測點應力變化特征曲線

通過對1#、2#、3#測點24h應力譜數據統計分析，封板與腹板連接焊縫部位1#測點的最大主應力為132.5MPa，腹板與插板連接焊縫處應變花測點2#的最大主應力92.9MPa，最大主應力方向與0°方向的夾角約為46.8°，跨中下翼3#測點的最大應力為55.4。整個測試期間各測點的24h載荷譜測試數據如圖9所示。

圖9 吊車梁端部及跨中測點24h荷載譜數據

3.2.2 基于實測荷載譜數據的吊車梁疲勞強度分析

對各測點24h的載荷譜數據采用雨流計數法分析計算提取不同應力幅下的循環次數，然后剔除對疲勞貢獻較小的應力幅后得到測點1#、2#、3#在正常生產條件下每天的應力循環次數，分布統計結果如圖10～12所示。其中封板與腹板連接焊縫部位1#測點每天（24h）應力循環次數322次，腹板與插板連接焊縫處應變花2#測點每天（24h）主應力循環次數334次，跨中3#測點每天（24h）應力循環次數313次。由行車實測荷載譜的統計分析得到的變幅循環應力統計結果可根據《鋼結構設計規范》將變幅疲勞折算為等效常幅疲勞進行計算，變幅疲勞的等效應力幅按式⑴確定。

圖10 1#測點24h荷載譜數據的應力幅分布情況

式中,

β——參數，由構件和連接類型確定；

Δδe——吊車梁變幅疲勞等效為常幅疲勞后的等效應力幅；

∑ni——以應力循環次數表示的結構預期疲勞壽命；

ni——為吊車梁預期壽命內應力幅水平達到Δδi的應力循環次數。

由式⑴計算得到應力測點1#、2#、3#對應部位的變幅疲勞的等效應力幅分別為115MPa、100MPa、57MPa。

3.3 吊車梁疲勞壽命分析

根據吊車梁實測的荷載譜數據統計分析結果及《鋼結構設計規范》GB50017-2017中重級、中級工作制吊車梁在變幅荷載作用下的疲勞壽命分析計算方法，推算得到吊車梁各個測點部位在行車隨機變幅荷載作用下的等效應力、欠載效應的等效系數及各測點50年使用期內的應力循環次數，詳見表1。根據吊車梁端部變截位置封板與插板連接焊縫處1#測點、腹板與插板連接焊縫處2#測點、跨中下翼緣連接焊縫處3#測點的受力特征，對照《鋼結構設計規范》中疲勞計算的構件和分類，其中，測點1#、2#部位疲勞強度計算時相關參數按照構件連接類別Z6考慮，測點3#部位疲勞強度計算時相關參數按照構件連接類別Z4考慮。

表1 吊車梁端部及跨中疲勞敏感部位疲勞壽命分析結果

圖11 2#測點24h荷載譜數據的應力幅分布情況

圖12 3#測點24h荷載譜數據的應力幅分布情況

從該廠房行車運行使用較頻繁吊車梁的荷載譜數據統計分析與設計參數對比分析可以看出，測試吊車梁端部測點1#、2#的等效應力幅均高于設計規定的循環次數為200萬次的容許應力幅，跨中下翼緣測點3#的等效應力幅低于設計規定的循環次數為200萬次的容許應力幅，各測點實測數據推算的欠載效應等效系數均高于設計規范的取值，說明該吊車梁在實際生產使用中繁重程度較大，易造成螺栓松動、焊縫疲勞開裂等結構損傷。

4 結論與建議

⑴由直角突變型支座吊車梁有限元計算模擬分析的受力結果可知，該構造形式的吊車梁在端部變截面的封板與插板連接焊縫位置、腹板與插板連接處焊縫位置應力集中明顯，在循環荷載作用下易發生疲勞破壞；

⑵由實測荷載譜分析結果可知：測試吊車梁端部變截位置封板與插板連接焊縫處、插板端位置的等效應力幅均高于設計規范值，說明吊車梁的支座端部疲勞強度低于設計允許值；其次根據實測數據推算的欠載效應等效系數均高于設計規范的取值，說明吊車梁實際使用的頻繁程度高于設計。上述兩方面原因疊加是導致該廠房內部分直角突變式鋼吊車梁端部過早出現疲勞開裂的主要原因；

⑶由于工業廠房中吊車梁的疲勞壽命與實際生產使用的頻繁程度及等效應力幅息息相關，建議對一些重級工作制的吊車梁應加強日常的監護使用，避免因吊車梁疲勞斷裂導致的生產安全事故。