直角突变式钢吊车梁群体疲劳寿命评估*

严 勇 幸坤涛 庄继勇 赵晓青 王华丹

(1.上海宝钢工业技术服务有限公司，上海 201900;2.中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088)

0 引言

吊车梁是服务工业生产的重要结构系统，广泛应用于各行各业，尤其在钢铁冶炼行业，钢结构吊车梁的使用数量多，结构形式多样，承受荷载大。近年来在多个钢铁厂均出现吊车梁使用过程中发生疲劳开裂问题，尤其是直角突变式钢吊车梁疲劳破坏问题较为突出［1-2］。针对直角突变式吊车梁的疲劳破坏机理，中冶建筑研究总院有限公司做过很多研究［1］，吊车梁在行车移动荷载的多次重复作用下，在应力集中的部位产生微细裂缝，随着荷载作用次数的不断增多，裂缝在钢材厚度方向和构件平面内扩展，最后会因截面过分削弱而使构件突然断裂或失效。根据现场日常检查及有关疲劳试验的结果，直角突变式钢吊车梁疲劳破坏的过程大致分四个阶段：a.在变截面连接焊缝位置出现起始裂纹;b.裂纹向插板厚度方向发展;c.裂纹向腹板平面内发展;d.断裂失效，如图1所示。

图1 直角突变吊车梁的疲劳破坏过程Fig.1 The fatigue failure process of a crane beam with a right angle

根据已有研究成果［1］及现行 GB 50144—2008《工业建筑可靠性鉴定标准》可以对跨中1～2根梁的疲劳寿命进行评估，但如何快速准确地对跨内所有吊车梁进行群体寿命评估，对于厂房管理者来说还是迫切需要解决的问题。

本文依据吊车梁疲劳累积损伤原理，对直角式吊车梁进行了有限元模拟分析，确定疲劳敏感部位，在此基础上提出了一种应用吊车梁实测应力谱数据、日使用频次数据及历史产量数据进行钢吊车梁群体疲劳寿命定量评估的方法，并应用该方法对某炼钢厂板坯清理跨21根吊车梁进行群体疲劳寿命评估。

1 直角突变式吊车梁疲劳寿命评估

1.1 直角突变式吊车梁有限元模拟

选取某炼钢厂已经发生疲劳破坏的直角突变式吊车梁作为研究对象，该跨吊车梁共21根，1998年建成投产，迄今已使用19年。跨度均为24 m，梁全高3 500 mm，支座处高2 000 mm，变截面比2/3.5，吊车梁断面3 500 mm×850(700)mm×18 mm×36 mm，吊车梁三维模型如图2所示。该跨范围内运行三台行车(其中两台行车起吊量为950 kN，吊车跨度为39.5 m，工作制A6，桥式吊车;一台起吊量为320 kN，吊车跨度为 39.5 m，工作制 A6，桥式吊车)，吊车梁钢号均选用SM50B号钢，性能类似于我国Q345钢。

图2 直角突变吊车梁三维模型Fig.2 Three dimensional model diagram of a crane beam with a right angle

采用ABAQUS有限元软件建模时，材料的弹性模量取 E=206 ×105MPa，泊松比 μ =0.3，不考虑材料的自重。梁部端头局部区域网格划分为10 mm，封板厚度方向单元划分为4层，其余全梁网格划分为200 mm，移动荷载每分析步移动50 mm，每个模型约建立622个分析步，选取94 t行车，最大轮压为410 kN。通过分析发现在行车荷载作用下该吊车梁变截面部位应力集中严重，如图3所示，该部位为吊车梁疲劳破坏的敏感部位，并分析得到疲劳敏感部位(变截面腹板及端封板)和跨中下翼缘在行车移动荷载作用下最大主应力影响线，如图4—图6所示，同时得到吊车梁在最不利荷载工况(第183分析步)下疲劳敏感部位的应力云图，如图7所示。此时最大支座反力为1 870 kN，分析得到疲劳敏感部位腹板应力大于130 MPa，端封板最大应力100 MPa，跨中最大应力65 MPa。

图3 直角突变吊车梁应力分布云图 PaFig.3 Stress distribution cloud map of a crane beam with a right angle

图4 行车移动荷载作用下吊车梁疲劳敏感部位腹板最大主应力影响线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 疲劳敏感部位应力测试分析

选择使用频率较高的吊车梁Y10、Y11应力测量对象，测量了24 h吊车梁端部疲劳敏感部位封板、腹板应力变化情况，并用雨流法统计分析应力循环次数［3-4］。应变花测点1位于吊车梁端部腹板上，应变花测点2、3位于吊车梁端部封板上，测点布置如图8所示。

图5 行车移动荷载作用下吊车梁敏感部位封板最大主应力影响线Fig.5 The maximum principal stress influence line of the sensitive part of crane beam under moving load

图6 行车移动荷载作用下吊车梁跨中下翼缘最大主应力影响线Fig.6 The maximum principal stress influence line of crane middle span and lower flange under moving load

图7 最不利荷载作用下疲劳敏感部位的应力分布云图 MPaFig.7 Stress distribution cloud map of fatigue sensitive parts under the most unfavorable load

图8 应力测点布置Fig.8 Layout of stress measurement points

采集24 h数据，利用雨流法对应力谱数据进行分析得到测点1、2、3的应力幅统计数据如图9—图11所示，3个测点的应力循环次数分别为532，514，549次，取三者平均值532次作为该吊车梁疲劳敏感部位的24 h应力循环次数，由测点2、3实测应力谱统计得到直角突变式吊车梁疲劳敏感部位的等效应力幅Δσe为55 MPa，考虑板厚修正后的应力幅水平为 45.8 MPa。

图9 测点1应力谱统计结果Fig.9 Statistical results of stress spectrum of point 1

图10 测点2应力谱统计结果Fig.10 Statistical results of stress spectrum of point 2

图11 测点3应力谱统计结果Fig.11 Statistical results of stress spectrum of point 3

1.3 吊车梁疲劳寿命评估分析

根据直角突变吊车梁疲劳寿命的S-N曲线［2］得到的疲劳寿命评估公式(1)，计算得到该类型吊车梁的预期疲劳寿命N为209万次。

2 吊车梁群体疲劳寿命分析评估方法

通过研究发现吊车梁的疲劳破坏与吊车梁疲劳控制部位的应力幅水平和应力循环次数息息相关，这是吊车梁疲劳寿命评估时的两个关键参数［5］。单根吊车梁疲劳寿命分析评估是通过现场实测疲劳控制部位应力谱(24 h)和历年的产量情况进行估算的，最终根据GB 50017—2003《钢结构设计规范》给定欠载效应等效系数，对吊车梁疲劳寿命给出定性评价。对于同一跨的吊车梁群体来说，各个吊车梁疲劳控制部位的应力幅水平是一样的，其疲劳寿命由行车移动荷载作用的次数决定［6］。这样一来，只要知道每一根吊车梁的使用频次，就可对吊车梁群体中的每一根吊车梁的疲劳寿命进行定量评估。基于上述吊车梁群体疲劳寿命评估的思路，吊车梁群体疲劳寿命定量评估方法流程如图12所示。

图12 吊车梁群体疲劳寿命评估流程Fig.12 Flow chart of group fatigue life evaluation for crane beams

3 吊车梁疲劳寿命评估实例

以某炼钢厂板坯清理跨X1列21根吊车梁为评估对象，如图13所示，根据前文提出的吊车梁群体疲劳寿命定量评估的方法进行评估，该跨吊车梁在2016年检查时发现 Y5—Y6、Y6—Y7、Y7—Y8、Y8—Y9、Y9—Y10、Y10—Y11 吊车梁端部支座位置已出现不同程度的焊缝开裂，开裂部位均为端部变截面位置插板、端封板、腹板交汇的焊缝位置，见图14、图 15。

图13 吊车梁平面布置示意Fig.13 Schematic diagram of crane beam

图14 吊车梁端部焊缝开裂(裂纹已贯穿焊缝)Fig.14 Cracking of end weld of crane beam(crack penetrated through weld)

图15 吊车梁端部焊缝开裂Fig.15 Cracking of end weld of crane beam

3.1 吊车梁使用频率测量分析

利用吊车梁使用频率测量设备，对X1列吊车梁群体测量数据进行统计分析，得到各吊车梁24 h的使用频次。各吊车梁的使用频次曲线见图16。

图16 X1列各吊车梁使用频次曲线Fig.16 Usage frequency curves of X1 column crane beams

3.2 吊车梁群体疲劳寿命评估分析

1)根据使用频次最频繁吊车梁实测的24 h应力循环次数(532次)和历年产量数据的比例关系，推算出该吊车梁历年产量所对应的24 h相对应力循环次数，推算结果见表1。

表1 使用频次最频繁吊车梁历年的24 h相对应力循环次数统计Table 1 Statistical table of 24 h relative stress cycle times of crane years with the most frequent use

2)根据使用频次最频繁吊车梁历年的24 h应力循环次数和吊车梁群体中各吊车梁实测的24 h使用频次数据，按比例推算出吊车梁群体中各吊车梁历年的24 h相对应力循环次数(该相对循环次数是相对于使用频次最频繁吊车梁推算得到的)，推算结果如图17所示。

图17 吊车梁群体中各吊车梁历年的24 h相对应力循环次数统计分析Fig.17 Statistical analysis of 24 h relative stress cycle times of crane girders in crane girder group

3)根据吊车梁群体中各吊车梁历年的24 h相对应力循环次数，可以推算出各吊车梁历年应力循环总次数，进而得到吊车梁群体中各吊车梁自投产以来到2016年总应力循环次数，数据推算结果如图18所示。

从图18推算得到的各吊车梁自投产以来到2016年总应力循环次数来看，现场开裂的吊车梁(Y5—Y6、Y6—Y7、Y7—Y8、Y8—Y9、Y9—Y10、Y10—Y11)的应力循环次数均已超过直角突变吊车梁S-N曲线计算得到的预期疲劳寿命对应的应力循环次数，计算结果与现场实际情况较吻合。

图18 吊车梁群体中各吊车梁总应力循环次数统计分析Fig.18 Statistical analysis of total stress cycle times of crane girders in crane girder group

4 结束语

1)通过有限元仿真模拟分析，明确了直角突变式钢吊车梁的疲劳敏感部位位于支座变截面处，与直角突变式钢吊车梁实际疲劳破坏部位一致，揭示了直角突变式钢吊车梁疲劳破坏机理。

2)本文采用了24 h吊车梁使用频次数据、应力测试数据和历史产量数据的对应关系，推算得到吊车梁群体中各吊车梁的总应力次数，为吊车梁群体疲劳寿命的定量评估提供了数据。

3)本文提出了一种吊车梁群体疲劳评估分析的方法，并通过实际工程对该方法进行验证，计算结果与实际相符。该评估分析方法可信度较高，实现了吊车梁群体疲劳寿命的定量评估，评估结果可用于指导吊车梁的日常维护和精细化管理，也可推广应用于其他类型吊车梁的群体寿命评估。