一起门式起重机桁架式主梁腹杆断裂事故分析与探讨

摘要：本文通过一台桁架式通用门式起重机在载荷试验时，主梁腹杆多处出现断裂或裂纹的事故案例，对该起重机的断裂现象进行原因分析和探讨，并提出处理和改进措施。

关键词：门式起重机 桁架式主梁 腹杆 断裂 分析

不久前，某船厂新装的一台桁架式通用门式起重机在安装好之后进行试验与检验，在进行载荷试验时，桁架式主梁腹杆多处出现折断或裂纹，主梁损坏严重，导致该起重机必须更换新设计、新制造的主梁，并且影响该船厂的正常生产作业，经济损失非常严重。经调查分析确认，该起重机的设计、制造存在影响质量安全的重大因素，下面对该案例进行介绍、分析，并对该起重机的设计、制造、运输、安装提出处理和改进措施。

1.基本情况

1.1起重机结构型式

该起重机为某沿海船厂的生产现场所用，起重机型号为ME300t，跨度43m，工作级别为A3，双小车抬吊最大起重量为300t，主梁、支腿均为桁架式结构。其中支腿为角钢组成的桁架结构，主梁为双主梁型式，截面为三角形截面，双下弦杆、单上弦杆，上弦杆为Q235-B的63c工字钢，下弦杆为两根Q235-B的56c工字钢，腹杆均为Q235-B的125×125×10方钢管，小车架和各机构均为通用门式起重机的常规结构型式。

1.2试验情况

现场检验、试验人员按照国家相关要求，起重机在空载试验后，进行试吊轻载（约0.6～0.7倍额定载荷），并检查各机构、结构及电控设备均未出现问题，并将各机构的制动器制动力矩调整好，准备继续加载进行额定载荷及静载试验。在加载进行额载试验时，主梁接连发生巨大声响（发生声响时，载荷未完全提起），后经检查是腹杆断裂（从跨中开始到支腿上部）。发生声响后司机紧急停止了起升，并随后将载荷放下。在整个试验过程中，均对主梁的上弦杆和支腿主支杆的下部进行了应力测试，应力图见图1、图2，从图1看，起吊载荷到主梁腹杆断裂时，主梁上弦杆的载荷应力并不大（约39Mpa），并未达到计算书中的计算应力值（制造单位提供的计算载荷应力为81Mpa，考虑各项系数后的值，偏大），并且起升很平稳，并未发生很大冲击（加载过程中的曲线比较平稳，见图2中受力最大点的前一段应力图）。

1.3主梁腹杆的断裂情况

该起重机主梁的主要断裂位置出现在桁架主梁上、下玄杆的连接腹杆上、下部位（断裂主要是腹杆上部，下部只有几处）。靠近上玄杆与腹杆的连接焊缝，并且每一处的断裂处或裂纹处均有一块连接两相邻腹杆的连接板（见图3、图4），每根腹杆的每一端均只有一处与连接板相连（并且都不在同一侧），每一处的断裂或裂纹均由连接板与腹杆的连接焊缝开始。

从受力情况和断口形状分析：当时起吊的载荷并不大（从应力图中也可以看出），断裂基本是从连接板与腹杆的连接焊缝开始，断裂的腹杆直接断裂成两节，断裂口能够很好地拼凑复原，端口能很好地吻合，在端口处没有宏观的塑性变形迹象，从这些现象可以确定腹杆的断裂属脆性断裂。

2.断裂原因分析

2.1主梁桁架结构设计不合理

（1）腹杆体系的选用不合理：

起重量为300t、跨度为43m的起重机，主梁的受力较大，并且主梁的截面较大，应选用再分式桁架腹杆体系、十字形腹杆体系或者菱形腹杆体系，以缩短弦杆的节间距离，减少小车轮压的局部弯曲影响。而制造厂商为了节约成本，选用了三角形腹杆体系，并且没加竖杆，使得当重载小车的轮压作用于上弦杆间之内时，将会引起很大的局部弯曲，导致存在缺陷的部位因此产生破坏。

（2）腹杆角度不合理：

在三角形腹杆体系的桁架结构中，斜杆与弦杆的夹角一般在35?～55?之间。而该主梁斜杆与弦杆的夹角接近80?，而且上弦杆与下弦杆的垂直距离达4m多，这样一来，使得腹杆数量大大增加，使得主梁的自重增加，并且使腹杆承受剪力的能力大大降低。

（3）节点设计不合理：

一般的桁架结构，桁架各杆件焊接在节点板上或者直接焊接起来，管节点则采用节点连接件或采用部分插入连接板，所有被连接杆件的几何轴线交汇在一点。该起重机主梁的节点未采用节点板连接，除了直接连接外，还在两交叉腹杆的内侧中部加焊了一块连接板，使得本来就焊缝密集、应力复杂的节点产生更严重的应力集中和焊后残余应力。

2.2焊缝热影响区

从图3、图4可以看出，裂纹开始出现处均位于两腹杆连接板端部的焊缝处，说明此处受钢材熔化焊的影响，存在较大的焊接残余应力。在起重机起吊载荷时，当残余应力峰值达到材料的抗拉强度时，局部首先发生开裂，最后导致腹杆整体断裂。

2.3焊接质量

现场检查发现，在多处腹杆断裂口的腹杆与连接板的连接焊缝存在焊接缺陷，这些有缺陷的焊缝成为腹杆受力后的断裂源。如图5所示，多处焊缝存在气孔、夹渣，不同程度的未熔合、未焊透等缺陷，由于焊接缺陷的存在，是导致该起重机腹杆脆性断裂的重要因素之一。

2.4起重机制造过程中出现的质量问题

通过现场检查主梁腹杆的各个断口和裂纹，发现有的断口处存在明显锈蚀现象（主要是与下弦杆连接的腹杆端），而该起重机为新装起重机，暂未投入使用，可以判断：断口锈蚀处为起重机的制造过程中已经出现的裂纹，并且经过沿海的雨水的侵蚀而出现锈蚀，并非本次试验时产生的裂纹，如图6所示：照片中锈蚀部分为本次载荷试验前就已经存在的裂纹，光亮部分为新断裂的部分。

2.5其他可能产生腹杆断裂的原因

（1）、腹杆材质选用错误或者材料出现严重的质量问题，达不到设计要求。

（2）、运输或安装因素，在运输或安装过程中，主梁腹杆受损或主要结构发生较大的变形。

3.处理及改进建议

从上述分析可知，该起重机的设计、制造、检验等方面存在重大的缺陷和问题，因此，需要从以下方面加以改进，方可避免质量问题再次发生：

（1）、改进主梁结构设计，采用再分式桁架腹杆体系、十字形腹杆体系或者菱形腹杆体系，并且合理设计桁架节点，减少应力集中和焊后残余应力。

（2）、改善焊缝热影响区的受力情况，通过热处理、锤击、振动法和加载法等方法在结构件焊接后消除焊接残余应力。

（3）、提高焊接质量，改进焊接工艺、提高焊工技能，并对焊缝进行无损检测，保证焊缝质量。

（4）、加强制造、运输、安装过程中的检验，发现问题及时处理。

（5）、对材料采购、使用加强控制，保证原材料的质量，并且在起重机主结构中尽量采用高强度材质。

（6）、载荷试验是检验起重机钢结构的质量的重要手段，企业自检时要严格按试车大纲进行检验及载荷试验。