冶金工厂钢吊车梁疲劳残余寿命评估

（中冶赛迪工程技术股份有限公司建工设计部 重庆 400013）

【摘 要】近年来，老厂改造工程设计项目越来越多，对既有厂房进行必要的可靠性鉴定成了新的课题，而对冶金工厂钢吊车梁疲劳残余寿命的评估则是其中较为重要的一部分。本文作者参阅了大量的相关技术文献，总结归纳了钢吊车梁系统常见的缺陷及损伤情况，分析了产生破损的主要原因，给出了钢吊车梁检测评定要点，并通过实例介绍了钢吊车梁疲劳验算、疲劳破坏判定及残余寿命评估的计算方法。

【关键词】钢吊车梁；疲劳残余寿命；评估

Metallurgical factory steel crane girder fatigue life assessment of residual

Li Shu-ben

(CISDI Construction Engineering Co., Ltd. Design Department Chongqing 400013)

【Abstract】In recent years, the old plant renovation project design projects, more and more necessary for the reliability of existing plant identification has become a new issue, and on the crane girder steel metallurgy plant life assessment of residual fatigue is one of the more important part. The authors refer to a number of related technical literature, summed up a common steel crane beam system defects and damage, analysis of the resulting damage of the main reasons given steel crane beam test assessment points, and examples presented by the steel girder crane checking fatigue, fatigue damage and residual life assessment to determine the method of calculation.

【Key words】Steel crane beam;Residual fatigue life;Assessment

1. 概述

在冶金工厂中，重型厂房中的吊车一般均为生产用吊车，这些吊车的起重量大，使用频繁，工作等级高，一般为A6、A7（重级）或A8（特重级）。对于老厂改造项目，由于此前工厂生产的不断发展，产量大都超过设计能力，使得吊车处于超负荷运行状态，加之使用的时间较长，因而吊车梁的损伤率较高。如不进行检测评定，加强维护及加固，一旦垮塌，就有可能造成人员伤亡及设备损坏，其后果不堪设想。钢吊车梁系统结构通常由吊车梁（或吊车桁架）、制动结构、辅助桁架（视吊车吨位、跨度大小而定）、支撑（水平支撑和垂直支撑）、吊车轨道以及连接构造等组成。吊车梁系统是工业厂房钢骨架的重要组成部分，尤其在重级工作制的厂房内，吊车梁系统的构件及其连接，是长期使用过程中最易出现局部以至整体破坏的一部分，也是生产中需要定期检查和维修的主要对象。由于计算图形和实际情况之间的差异，加上使用非常频繁，局部应力状态复杂，重级工作制厂房的吊车梁系统易出现早期损坏。在冶金厂房中，其可靠度和耐久性往往弱于柱子系统和屋盖系统。因此，对吊车梁疲劳残余寿命的评估是极为重要的课题。

2. 吊车梁系统的疲劳破损及产生原因

2.1 钢结构脆性破坏的原因及断裂力学的观点。

2.1.1 疲劳的概念。随时间作用周期性变化的应力称为交变应力，构件在交变应力作用下的破坏形式与静载荷下全然不同。在交变应力下，虽然最大应力低于屈服强度，长期重复之后，也会突然断裂。即使是塑性较好的材料，断裂前也没有明显的塑性变形，这种破坏现象习惯上称为疲劳破坏。一般认为，由于构件的形状和材料的不均匀等原因，构件某些局部区域的应力特别高。在长期交变应力作用下，在上述应力特别高的局部区域，逐步形成微观裂纹。裂纹尖端的严重应力集中，促使裂纹逐渐扩展，由微观变为宏观。裂纹尖端一般处于三向拉伸应力状态下，不易出现塑性变形。当裂纹扩展到一定限度时，便可能骤然迅速发展，使构件截面严重削弱，最后沿严重削弱了的截面发生突然脆性断裂。疲劳破坏是微细裂纹扩展的结果，构件的破坏一般可分成三个阶段：裂缝形成、裂缝扩展和构件破坏。

构件在交变应力下，当最大应力低于屈服强度时，往往就可能产生疲劳破坏。因此，屈服强度等静强度指标已不能作为疲劳强度的指标，必须重新确定疲劳强度指标。试验表明，在给定的交变应力下，必须经过一定次数的循环，才可能发生疲劳破坏。而且在同一循环特性下，交变应力的最大应力越大，破坏前应力的循环次数越少；反之，降低交变应力中的最大应力，便可使破坏前应力的循环次数增加。在最大应力减小到某一临界值时，试件可经历无穷多次应力循环而不发生疲劳破坏，这一临界值称为材料的持久极限或疲劳极限。

2.1.2 钢结构脆性破坏的原因及断裂力学的观点。在焊接取代铆接的时期，脆性破坏事故就不断发生。多年来国内外的试验研究和理论分析证实：焊接及随后的冷却，构成不均匀的热循环过程，使焊接结构内部产生自相平衡的内应力，在焊缝附近出现局部的残余拉应力高峰，横截面其余部分则形成残余压应力与之平衡。焊接残余拉应力最高峰值往往可达到钢材的屈服强度。此外，焊接连接部位因截面改变原状，会产生不同程度的应力集中现象。残余应力和应力集中两个因素的同时存在，使疲劳裂缝发生于焊缝融合线的表面缺陷处或焊缝内部缺陷处，然后沿垂直于外力作用方向扩展，直到最后破坏。

焊接结构出现脆性破坏，主要有以下原因：（1）焊缝经常会或多或少存在一些缺陷，如裂纹、欠焊、夹渣和气孔等，这些缺陷能够成为断裂的起源。（2）焊接后结构内部存在残余应力。残余应力未必是破坏的主因，但和其他因素结合在一起，可能导致开裂。（3）焊接结构的连接往往有较大刚性。当出现三条相互垂直的焊缝时，材料的塑性变形就很难发展。（4）焊接使结构形成整体，一旦裂缝开展，就有可能一断到底。

从国内外发生脆断的事故中可以看出，钢结构发生脆性破坏时，一般都没有达到其设计应力，也就是低应力脆断。为了解决低应力的脆断问题，断裂力学就应运而生。断裂力学认为，断裂是在荷载和侵蚀性环境的作用下，裂纹扩展到临界尺寸时发生的。如果构件内部原来就存在较大裂纹，那么它在一定的条件下就会断裂。因此，解决脆断问题必须从结构内部存在微小裂纹的情况出发。

结构内部总是存在不同类型和不同程度的缺陷，除了材料本身的缺陷外，焊接过程中就可能出现各种缺陷，包括咬边、未融合、未焊透及气孔等，其中以咬边最为不利。这些缺陷（如咬边）有的就相当于裂纹，有的（如气孔）虽然不像裂纹那样尖锐，但在使用过程中由于应力和介质的作用，可以形成裂纹。尖锐的裂纹使构件受力时处于高度的应力集中。裂纹随应力增大而扩展，起初是稳定地扩展，后来达到临界状态，逐步扩展而断裂。为了防止断裂，需要合理选用钢材，控制焊接工艺，改进焊缝形状，提高材料韧性等。

2.2 吊车梁系统结构常见缺陷与破损情况。吊车梁系统不易产生重大事故，但损坏情况却相当严重，部分重级和特重级工作制车间的吊车梁，使用3~5年后，就不得不报废。国内有关调查资料表明，在鞍钢、首钢、武钢、上海等地区四十余个工厂（或车间），吊车梁系统有损伤现象的接近50%，是比较普遍的。大冶钢厂均热炉车间于1960年投产，1976年发现21根梁中的16根梁，在上翼缘与腹板连接焊缝附近出现纵向裂缝，于1977年作了替换。原因是吊车轮子偏心作用和吊车工作频繁，吊车轨道顶部出现严重啃轨现象。吊车梁连接焊缝附近的主剪应力造成了吊车梁的疲劳损伤。

国内外重级工作制吊车梁系统结构使用中焊接工字梁常见的各种缺陷与破损部位如下：

2.2.1 梁本身及其连接的局部破坏。在梁端加劲或横向加劲肋与上翼缘的焊接处或其附近腹板与上翼缘的焊接区产生局部纵向裂缝（图1中1、2、3）。这些裂缝有的产生在上翼缘焊缝中而后扩展到腹板，有的直接出现在上翼缘焊缝附近的腹板上。

图12.2.2 梁上翼缘、柱及制动结构间相互连接的破损。梁上翼缘与制动桁架节点板的连接焊缝产生开裂、螺栓松动或剪断，梁上翼缘与制动板的连接亦有局部损坏（图2中4、5、6） 柱与梁上翼缘及柱与制动结构的连接焊缝处开裂、或螺栓剪断，甚至加固后又再次发生破损（图3中7、8）

图32.2.3 轨道连接的破损。弯钩螺栓被拉伸严重变形或大量移动，压板固定螺栓松动或拉断。

2.2.4 梁间垂直支撑的破损。靠近跨中的垂直支撑多数发生连接螺栓剪断或节点板开裂等破损情况。

2.3 产生破损的主要原因。由2.2节可以看出，吊车梁的破损与缺陷主要集中在梁的上部区域。产生破损的主要原因是梁上部区域的受力情况十分复杂，许多因素在设计中未加考虑，在扭转作用下产生的附加弯曲应力和剪力（整体及局部挤压剪应力）的复合作用形成纵向疲劳裂缝。其次是构造措施的不合理以及施工缺陷等因素。

（1）吊车梁的实际工作与计算假定往往不尽一致。由于设计及构造上的原因，有时在相邻简支吊车梁的支座处沿纵向用连接板将腹板相连，加上吊车轨道连续铺设，使简支梁形成弹性嵌固，从而使支座处相邻梁沿纵向连接以及轨道及其固定螺栓受到很大超额应力而出现破损。

（2）吊车梁结构与厂房结构连接的影响。吊车梁系统是由梁、制动结构、辅助桁架、支撑及轨道连接等组成的空间结构，设计时考虑竖向荷载由吊车梁承担，水平荷载由制动结构承担，但实际调查证明，吊车梁系统都是作为一个整体来工作的，在竖向荷载作用下，构件呈弯扭受力状态，使翼缘及其连接处产生附加应力。

（3）吊车轮压超过设计值的影响。桥式吊车的轮压在理论上是均匀分布的，但由于轨道不平、吊车桥架的制作偏差、吊车桥架各部分竖向刚度差异等原因，在吊车同一侧的几个轮子的轮压往往不等，实测表明，实际轮压有时可达理论值的2倍左右。同样由于吊车桥架平面刚度有限，在运行中不可避免的产生平面歪扭，造成吊车轮缘对轨道产生很大的附加水平力（也称卡轨力），这种侧向压力有时可达理论制动力的数倍，这种超额的竖向、水平的吊车作用力，都会造成局部及连接处的高附加应力，并引起疲劳损伤，这也可解释为什么在重级工作制吊车梁中往往在梁的上部或连接部位更容易产生损伤。

3. 钢吊车梁检测评定要点

我国重型厂房大多数于五十年代至七十年产，多数已进入退役中后期。随着管理水平与劳动生产率的提高，生产潜力得到巨大的发挥，工厂实际产量已大大超过设计能力，生产的连续性更强，吊车的频繁程度更高。而且由于工厂发展的需要，往往要扩大生产，使吊车处于超负荷运行，甚至还需要更换大吨位的吊车。这些都会使吊车梁系统出现损伤。为了满足生产工艺与设备更新的要求，需要对吊车梁系统进行可靠性鉴定，为设计或加固提供依据。钢吊车梁的检测要点如下：

（1）重点检查吊车梁与柱和制动结构的连接，检查时应注意焊缝质量；（2）检查吊车轨道固定螺栓的松动，轨底或垫板与梁接触面均匀程度，有无啃轨现象，车挡是否齐全；（3）检查吊车轨道与梁中心的偏心距；（4）检查上翼缘连接焊缝及其近旁的疲劳开裂，受拉区腹板在加劲肋端部处及受拉翼缘有横向焊缝处的疲劳开裂，受拉翼缘有无焊接其他钢件等；（5）对于重级工作制和吊车起重量等于或大于50t的中级工作制焊接吊车梁，应检验常温冲击韧性，必要时检验负温冲击韧性；（6）当结构经受过1500C以上的温度作用或受过骤冷骤热影响时，应检查烧伤状况，必要时应取样试验以确定其力学性能指标；（7）在安装和使用过程中引起的构件偏差及变形评定。

4. 钢吊车梁疲劳残余寿命的评估

钢结构疲劳残余寿命是基于疲劳准则来推算的，因此实际应力谱是评定工作的重要依据，它提供了必需的参数包括荷载循环次数，最大荷载值以及荷载不同水平值的频次分布等，因而只能通过实测来确定。实际上同一构件不同部位的应力谱是不同的，甚至相差很大，吊车梁上翼缘的应力谱就要比下翼缘复杂的多。较简便的方法是在测试时选择控制部分的应力谱作为梁的典型应力谱。在完成各项检测工作，获得应有的资料后，才能在复核极限承载力之后评定其残余寿命，确定连续使用的安全期限。

4.1 疲劳计算 依据《钢结构设计规范》，对变幅（应力循环内的应力幅随机变化）疲劳，若能获得结构在使用寿命期间内各种荷载的频率分布、应力幅水平以及频次分布总和所构成的应力谱，则可将其折算为等效常幅疲劳，按下式进行计算：

Δσe=∑ni(Δσi)∑ni1/βΔσ=Cn1/β（4.1）

式中 Δσe――变幅疲劳的等效应力幅；

ni――预期寿命内应力幅水平达到 的应力循环

次数；

∑ni――以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；

Δσ――常幅疲劳的容许应力幅；

n――常幅疲劳的应力循环次数；

C、β――根据构件和连接类别（见钢结构设计规范附录E）确定的参数。（见表1）

从表中C值变化，可明显看出连接方式对疲劳寿命的影响。

4.2 疲劳损伤的判定。疲劳损伤是不断累积的，每一次应力循环都将使构件造成疲劳损伤。若某一应力幅 的总寿命为Ni，则每次应力循环所造成的损伤为：

D=1Ni（4.2）

当该应力循环 Ni次，则造成的总损伤为：

Di=niNi（4.3）

考虑到每一级别的应力幅，则总损伤应为：

D=∑ni=1Di=∑ni=1niNi=n1N1+n2N2+……（4.4）

n为应力幅的级数。当损伤率等于1时，构件发生破坏，因此，疲劳破坏的判据为：

D=∑ni=1niNi=1 （4.5）

设想另有一常幅疲劳的应力幅Δσe ，循环 ∑ni次后，构件或连接也产生疲劳破坏，则

∑ni (Δσe)β=C （4.6）

近似地认为变幅疲劳与同类常幅疲劳的 Δσ-N曲线有相同的直线关系，则变幅疲劳每一级应力幅平均有

Ni(Δσi)β=C （4.7）

由以上二式得

∑niNi=(Δσi)β (Δσe)β （4.8）

将公式（4.8）代入（4.5）中，即得到公式（4.1）。

4.3 疲劳残余寿命评估。根据《钢结构检测评定及加固技术规程》，钢吊车梁的疲劳残余寿命评估可按下式计算：

T=CT1Φ∑ni(Δσi)β-T0

式中T ――残余寿命（年）；

T1 ――测量总时间（小时），不宜小于24小时；

T0 ――该构件已使用过的时间（年）；

Φ――附加安全系数，当测量时间为24小时时取3.0；

ni――在测量时间T1内， Δσi 作用次数；

Δσi――测量部位第i个级别的应力幅值（N/mm2）。

4.4 工程实例。某钢铁公司炼钢厂提钒炼钢主厂房，1969年设计，1971年建成投产。铸锭一跨跨度24m，基本柱距12m，设有4台180/50t吊车。2001年，为适应生产的需要，决定将铸锭一跨现有的三台180t吊车更换为200/60t吊车，因此需进行吊车梁残余寿命评估。

经现场调查，铸锭一跨吊车的轨道有轻微的啃轨现象，吊车轨道多处断裂，固定轨道的部分螺栓有松动或弯曲现象，吊车梁与柱子的连接螺栓有松动、缺失现象。经现场测试并进行核算，该吊车梁的残余寿命约为9.2年（见文献〔1〕）。

计算参数和结果如下：

T1――测量总时间： T1＝24小时

C――构件连接和类别参数（类别2）：C = 8.61E14

β――构件连接和类别参数（类别2）：β＝4

T0――该结构已使用过的时间：T0 = 30年

Φ――附加安全系数，测量时间为24小时，Φ＝ 3

Δσi――测量部位第i级别的应力幅值（N/mm2）：

Δσi＝ 238 N/mm2

ni――在测量时间T1内，Δσi的作用次数： ni1＝150次

T=C・T1Φ∑ni Δσβ-T0

=8.61×1014×243×150×2384×365-30=9.2(年)

参考文献

［1］ 中冶集团建筑研究总院，某钢厂铸锭跨吊车梁残余寿命评估报告，2000.5.

［2］ 陈绍蕃，钢结构设计原理（第二版），科学出版社，1998.

［3］ 赵熙元，柴昶，武人岱，建筑钢结构设计手册，冶金工业出版社，1995.

［4］ 俞国音，已有钢结构的安全评定与加固技术.

［5］ 钢结构设计规范（GBJ50017－2003），中国计划出版社，2003.

［6］钢结构检测评定及加固技术规程，冶金工业出版社，1997.

［7］ 钢铁工业建（构）筑物可靠性鉴定规程（YBJ219－89），1989.