丁 申

上海梅山工業(yè)民用工程設計研究院有限公司（201900）

重級工作制吊車常用在冶金工業(yè)廠房中,由于冶金工業(yè)廠房的環(huán)境惡劣以及吊車使用頻繁,吊車在廠房的正常使用期內可能會更換數(shù)次。因為吊車的生產(chǎn)廠家不同、吊車使用要求提高等原因，原有吊車梁不能滿足新吊車的使用要求。如果新舊吊車的最大輪壓、輪距、工作等級差別不大，吊車梁強度計算滿足要求，僅僅疲勞計算不滿足，那么，這時更換吊車梁未免造成一定的浪費。況且，更換吊車梁的時間受到工業(yè)生產(chǎn)的影響。雖然目前國內有一些吊車梁加固的成功案例及相應的理論，但均不成熟，相應的技術沒有得到廣泛的應用，且重級工作制吊車梁屬疲勞受力構件，經(jīng)過長期使用后，不宜在其受拉部位打火或者施焊，以免產(chǎn)生新的不可估計的殘余應力及微裂縫，隨著應力循環(huán)次數(shù)的增加，這些微裂縫會繼續(xù)擴展，成為原始的疲勞裂縫，對疲勞的影響難以準確計算。

匯總足夠有代表性的車間吊車梁應力的實測資料，按照雨流法進行應力幅頻次統(tǒng)計,得出幾種主要車間吊車梁的設計應力譜以及用應力循環(huán)次數(shù)表示的結構預期壽命。然后運用目前國際上通用的Miner線形累計損傷原理加以分析，重級工作制吊車梁的疲勞可以折算為等效常幅疲勞，按照式（1）計算。

重級工作制吊車梁是以設計基準期50年來考慮其疲勞計算的，考慮應力循環(huán)次數(shù)為2×106次,按照（2）式計算的[△σ]2×106

=144（N/mm2）。如果縮短吊車梁的使用壽命，按照設計基準期為25年考慮疲勞計算，即考慮應力循環(huán)次數(shù)為1×106次,按照（2）式計算的[△σ]1×106=171.3 N/mm2。

假設一根吊車梁前期使用階段能滿足結構計算的所有要求，當使用一段時間（假設20年）后，吊車更換，吊車梁在新吊車使用情況下，強度滿足要求，疲勞不滿足，考慮欠載效應的應力幅αf×△σ接近且小于171.3 N/mm2。這時，吊車梁依然能夠正常使用,但只有25年的壽命。前期使用20年，吊車梁的壽命可以達到50年,也就是消耗了2/5的使用壽命。后期轉變了使用情況，使用壽命只有25年，而前期消耗了2/5的壽命,剩下可以安全使用的年限為25×（1-2/5）=15年。

現(xiàn)以梅山鋼鐵股份公司煉鋼廠板坯庫為例。板坯庫廠房共2跨，每跨各3臺橋式吊車。因煉鋼廠24小時不間斷生產(chǎn)，吊車使用頻繁，超常規(guī)運行，以及板坯庫內常年高溫，吊車起吊鋼坯時，吊車大梁受新鑄成高溫鋼坯烘烤。板坯庫內吊車大梁下部均產(chǎn)生不同程度的裂縫,煉鋼廠曾對裂縫進行焊接加固，但效果不佳，經(jīng)過一段時間的使用，大梁的焊接處均重新開裂。煉鋼廠遂打算依次更換掉板坯庫內的6臺吊車。煉鋼廠1#、2#板坯庫及吊車平面布置見圖1。

每個板坯庫廠房及吊車的布置情況相同,廠房跨度27m，柱距12m,廠房中間區(qū)域因工藝要求其中一處柱距改為24m。24m跨吊車梁做成變截面，支座做成直角式突變形式。廠房兩側為兩臺相同型號的軟鉤夾鉗吊車,中間為一臺吸盤吊車。吸盤吊車起吊重量及輪壓較小,對吊車梁疲勞計算不起控制作用。新舊夾鉗吊車見表1。

表1 新舊夾鉗吊車參數(shù)對比

吊車梁強度均滿足要求，而僅在24 m跨吊車梁支座突變位置處不滿足疲勞要求,疲勞應力αf×△σ=154.792 N/mm2≥144 N/mm2,不滿足50年設計基準期的疲勞計算要求,24m跨吊車梁立面見下圖。

上述疲勞不滿足部位難以加固,且煉鋼廠此時不能停產(chǎn)，必須等到設備維修期間才能有足夠的時間更換吊車梁。另外,這時就更換吊車梁沒有充分利用完它的疲勞壽命?！朵摻Y構設計規(guī)范》中明確給出，設計基準期50年內考慮疲勞計算的應力循環(huán)次數(shù)為2×106次,即每年應力循環(huán)次數(shù)為2×106/50=4×104次。經(jīng)試算，應力循環(huán)次數(shù) n取 1.4×106次，即考慮使用時間為35年。根據(jù) （2）式計算得 [△σ]=157.5N/mm2≥154.792 N/mm2。煉鋼廠1993年投產(chǎn)使用，到2008年7號吊車更換，共15年時間。前期考慮消耗15/50=30%的疲勞壽命，那么更換新的吊車后，吊車梁后期的使用壽命為35×（1-30%）=24.5年。這樣，吊車梁既不用更換、也不用加固，尚可以繼續(xù)使用24年。

疲勞壽命受多種因素影響，包括時間進程、使用環(huán)境、生產(chǎn)條件等等，上述方法僅為理論計算的一種手法。為保證生產(chǎn)安全，吊車梁在使用過程中必須定期維護檢查。冶金工業(yè)廠房中承受重級工作制吊車的吊車梁在設計時,宜留出一定的富余量,考慮日后吊車更換以及超常規(guī)使用所引起的吊車梁應力小范圍增加的情況。

需要注意的是,這種理論計算方法僅僅適用于中級及重級（包括特種級）吊車梁、吊車桁架。因為，《鋼結構設計規(guī)范》中，吊車梁(桁架)的應力循環(huán)次數(shù)有明確的數(shù)值，即按照50年設計基準期，統(tǒng)一以應力循環(huán)次數(shù)n=2×106次為基準，計算吊車梁（桁架）的疲勞應力。不同使用條件的吊車采用相對應的欠載系數(shù)αf調整。規(guī)范中給出各種構件的容許應力幅，均是以2×106次應力循環(huán)的疲勞應力幅且具有95%置信度的下限值。只有明確給出了設計基準期內的應力循環(huán)次數(shù)及對應的容許應力幅計算方法,才有依據(jù)采用上述方法計算。

[1]GB 50017-2003,鋼結構設計規(guī)范[S].

[2]趙熙元,柴昶,武人岱.建筑鋼結構設計手冊[M].冶金工業(yè)出版社,1995:690～693.

[3]鄭山鎖,郭錦芳,陳愛國,楊勇,溫小明,梁雨多.采用斜撐加固鋼吊車梁的設計分析與現(xiàn)場動測試驗研究[J].建筑結構學報,2007(4):530～532.

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