超期服役鉚接鋼吊車梁殘余疲勞壽命估計試驗

王 冬

(山西鋼鐵建設(集團)有限公司 山西鼎研工程檢測技術有限公司,山西 太原 030003)

0 引言

隨著時間的推移，在新中國成立初期建造的工業廠房已經有大批進入老齡期。工程結構在經歷了較長時間的使用后，由于受到自然環境和人為因素的影響，往往已經出現了一些比較嚴重的損害，其中鋼吊車梁的疲勞破壞屬于突發脆性破壞，破壞前無明顯征兆，應引起高度重視[1，2]。

某鑄鍛公司鑄鋼廠建于1958年，為單層三跨鋼框排架結構，基礎為鋼筋混凝土獨立基礎，承重系統包括鋼格構式階形柱、工字形鉚接吊車梁和鋼結構梯形屋架等，柱距為6 m，三跨鋼框排架跨度為24 m+24 m+24 m，吊車梁多為6 m跨，因工藝需要，西跨存在抽柱情況，部分柱間為12 m，因此設置12 m跨吊車梁。目前該廠房內共布置有6臺橋式吊車，東跨兩臺50 t/10 t吊車已拆除，中跨兩臺50 t/10 t吊車，西跨一臺30 t吊車和一臺100 t吊車，均為重級工作制吊車。因該廠房鋼結構已經超期服役，為此本文根據業主要求，依據GB50144-2019《工業建筑可靠性鑒定標準》附錄E[3]的方法對該車間重級工作制鋼吊車梁控制部位的應力(應變)-時間變化關系進行實測，并按實測應力(應變)-時間變化關系進行鋼吊車梁殘余疲勞壽命評估。

1 吊車梁殘余疲勞壽命估計試驗

1.1 試驗概況

結合現場試驗條件及吊車梁重要程度，較全面地采集到了所需數據。現場對三根軸線B列的12 m跨鉚接鋼吊車梁進行了試驗， 分別為B/16-18、B/18-20、B/20-22，三根梁的結構形式相同，如圖1所示。

圖1 12 m跨鉚接鋼吊車梁

應力(應變)-時間變化關系的測量在正常生產狀態下進行，每次連續測量時間應至少包括一個完整的生產循環過程，本次測量總時間不少于36 h，測量儀器采用動態電阻應變儀。

測試儀器及設備包括：應變片(提前按半橋接好)、三芯屏蔽導線、動態電阻應變儀、筆記本電腦和應變數據動態采集系統(軟件)。

測試截面：①跨中最大豎向彎矩截面處受拉翼緣與腹板連接處附近主體(A點)；②跨中最大豎向彎矩截面處橫向加勁肋下端點附近主體(B點)；③吊車梁截面高度變化位置，受拉翼緣主體(C點與D點)。測點位置布置如圖2所示。

圖2 12 m跨鉚接鋼吊車梁測點位置布置

1.2 試驗結果

本次試驗連續監測43 h，采樣頻率為100 Hz，即每秒采集數據100個，因此試驗數據量極其龐大，限于篇幅，此處將測試數據從略，僅給出開始后2 h的典型應變時程曲線，如圖3～圖5所示。圖3～圖5中的橫坐標為時間(s)，縱坐標為微應變(με)。

圖3 截面3(梁端) 測點D的應變時程曲線

圖4 截面1(跨中) 測點A的應變時程曲線

圖5 截面1(跨中) 測點B的應變時程曲線

1.3 吊車梁殘余疲勞壽命評估值計算

鋼吊車梁系統的殘余疲勞壽命評估應結合實際損傷情況、結構形式、檢查制度和生產發展等方面的因素綜合考慮。測量部位殘余疲勞壽命的評估值計算公式為：

(1)

GB50017-2003《鋼結構設計規范》第6.2.3條規定，重級工作制吊車梁的疲勞可作為常幅疲勞；附錄E構建和連接分類規定，屬于附錄E中第17項次中的鉚釘連接處的主體金屬類別，其構件和連接分類為3類，查表6.2.3-2可知，循環次數n為200萬次的允許應力幅[Δδ]2×106=118 N/mm2。根據本次疲勞監測試驗數據顯示，43 h內吊車梁跨中截面超過[Δδ]2×106=118 N/mm2的應力循環次數的可達到113次。通過計算軟件使用雨流法統計得到測量部位第i個級別的應力幅值，并將以上數值代入公式(1)計算得到：T=-86 767.3 h<0。由此可知，吊車梁在較高應力幅作用下的理論疲勞壽命為負值，目前吊車梁已不能繼續安全工作。

2 結論

根據吊車梁殘余疲勞壽命估計試驗結果，目前吊車梁在較高應力幅的作用下理論疲勞壽命已經耗盡，吊車梁已不能繼續安全工作。結合吊車梁鋼材沖擊韌性試驗結果，吊車梁鋼材沖擊韌性不合格，材料韌性較差，在較高應力幅的作用下易發生脆性斷裂。