程大慶，虞學明，顧津瑋，黃明俊

（1.營口港務集團有限公司，遼寧 營口 115007；2.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

引 言

港口碼頭起重機大車行走軌道是由一根根 12 m長的單根標準鋼軌連接而成，兩根鋼軌之間必然存在接頭，接頭主要有兩種型式，一種是焊接接頭，一種是伸縮縫接頭。焊接接頭主要是將兩節(jié)標準軌焊接成整體形成無縫鋼軌，一般采取現(xiàn)場鋁熱焊或電弧焊焊接工藝進行連接。伸縮縫接頭是根據(jù)鋼材熱脹冷縮和焊接工藝的影響確保長軌溫度變形而設置一種接頭，是一種結(jié)構性接頭，接頭設置的間距受接頭型式、環(huán)境溫差等因素影響，目前國內(nèi)外設計規(guī)范主要有平接頭、斜接頭、Z字形接頭和凸字形接頭等接頭型式（圖1）。隨著碼頭向重型化、大型化、自動化的發(fā)展，碼頭起重設備的額定噸位越來越大，為了滿足大車行走的鋼軌承載能力、穩(wěn)定性和安全性的需要，對重型軌道的使用條件要求越來越高。近年來在碼頭建設中廣泛采用的軌道連接方式，是通過接頭聯(lián)結(jié)將長度12 m的軌道焊接后連接成長軌后再鋪設施工，可以大幅降低起重機行走經(jīng)過接頭時產(chǎn)生的沖擊力，保證大車行走和作業(yè)過程的平穩(wěn)性，可延長設備使用壽命。

圖1 接頭型式

早期碼頭起重機主要采用的是 P系列鐵路鋼軌，軌道伸縮縫接頭主要采用平接頭和斜接頭型式，基本上能夠滿足小型起重機使用的要求；隨著船舶大型化，碼頭起重機也相應地向大型化、重型化發(fā)展。承載能力較大的QU系列重型鋼軌逐漸取代了P型鋼軌，為減小沖擊，產(chǎn)生了連續(xù)軌道概念，這樣焊接接頭組合Z字形接頭成為施工設計主流，個別港口也有采用凸字形接頭型式。隨著使用年限的增長，全國各港口均出現(xiàn)了軌道伸縮接頭斷裂、焊點開裂的現(xiàn)象，特別是大型礦石、集裝箱碼頭斷裂嚴重，在很大程度上影響了碼頭裝卸生產(chǎn)效率，對起重機安全作業(yè)造成了嚴重的安全隱患。

1 碼頭軌道斷裂原因初步分析

1.1 軌道焊接接頭

一般而言，承載鋼結(jié)構焊接連接中要求焊接接頭比母材具有更高的靜載荷承載能力，以確保結(jié)構連接的可靠性，但是實際作業(yè)操作時受焊接工藝、焊接作業(yè)水平、焊接環(huán)境控制等諸多因素影響，焊接過程中難免會存在各種焊接缺陷，形成的焊接接頭存在不同程度的結(jié)構性能的不均勻性，尤其是一些非高標準要求的焊接施工中，在焊接結(jié)構變形與焊接缺陷的影響下，焊接接頭在靜態(tài)和動態(tài)載荷作用下的力學性能遠不如母材，所以焊接工藝選擇和焊接質(zhì)量控制尤為重要。

碼頭鋼軌焊接工作基本上是在碼頭施工現(xiàn)場進行，大多采用手工焊接方式，遼寧營口地區(qū)一般60～120 m為一個焊接單元，將5～10根標準鋼軌通過焊接方式連成通長無縫鋼軌。這類焊接接頭主要存在以下問題：

1）焊縫缺陷

夾渣，焊縫內(nèi)有焊條頭、鋼板條等雜物，焊縫與軌道母材未充分融合，焊縫不飽合，焊縫底部存在缺口等各種缺陷。其中，焊縫中的夾雜物對焊縫性能影響尤其是疲勞裂紋的萌生影響較大，如果夾雜物的熱膨脹系數(shù)大于母材的熱膨脹系數(shù)，那么在熱處理后冷卻的過程中，母材和夾雜物的交界處便會產(chǎn)生內(nèi)拉應力，容易削弱了母材和夾雜物的結(jié)合強度，導致夾雜物和母材脫開，在夾雜物處便會形成“空穴”，導致應力集中從而萌生出疲勞裂紋；反之，如果夾雜物的熱膨脹系數(shù)小于母材的熱膨脹系數(shù)，夾雜物就會受到壓應力的作用，也會產(chǎn)生疲勞裂紋萌生的風險，此外，影響疲勞裂紋萌生型式的主要因素還包括夾雜物自身的彈塑性：夾雜物的彈性模量若是大于母材的彈性模量，在加載的過程中，夾雜物容易發(fā)生斷裂從而萌生疲勞裂紋；夾雜物的彈性模量若是小于母材的彈性模量，那么在加載過程中，夾雜物將使得周圍的母材應力升高，容易產(chǎn)生滑移從而使得母材開裂，萌生疲勞裂紋。夾雜物對疲勞裂紋萌生的影響，除了跟夾雜物的彈塑性和熱性有關以外，還與夾雜物的形狀和大小有關，低周疲勞中疲勞裂紋比較容易在較大的夾雜物附近萌生，夾雜物形狀對應力集中系數(shù)的影響較大，因此對疲勞裂紋萌生會有較大的影響。

2）工藝缺陷

焊接工藝執(zhí)行不到位，甚至沒有焊接工藝。普遍存在焊接前軌道母材不預熱，焊后不保溫的違規(guī)作業(yè)現(xiàn)象；軌道對接不成直線，位置公差超標，以至于連成長軌后整體呈蛇形狀態(tài)，安裝到軌道梁上時，不可避免地人為造成預應力；焊條選用與軌道材質(zhì)不匹配，焊機選用電流與焊條要求不匹配。

3）驗收標準不到位

由于軌道在碼頭整體工程中占比非常小，驗收時往往只是憑人體感官查看鋼軌焊縫外表面，軌道施工在工程驗收報告中基本沒有具體描述。

1.2 軌道伸縫縮接頭

伸縮縫接頭斷裂在Z字形接頭和凸字形接頭型式上比較常見，在斜接頭型式上發(fā)生概率很低，在平接頭型式上基本不會發(fā)生。主要存在以下問題：

1）加工缺陷

軌道原材料采購到場時，并沒有預先加工成Z字形接頭和凸字形接頭需要的形狀，加工是在施工現(xiàn)場進行的。加工工藝采用機械切割方式，被加工的兩個平面交匯處的直角，不可避免地存在加工缺陷，形成應力集中現(xiàn)象。觀察現(xiàn)場斷裂的軌道裂紋走向，裂紋都是從兩個加工面尖角處開始發(fā)生的。而裂紋擴展方式的不同，也將引起不同的鋼軌傷損型式。斷裂力學理論指出裂紋擴展過程是沿著能量降低的方向和遵循阻力最小的途徑來進行的，裂紋擴展的阻力由裂紋前緣金屬的性能和微觀的斷裂機制來決定，而溫度、應變速度、應力狀態(tài)及介質(zhì)對裂紋擴展的阻力均有一定影響。

2）承載缺陷

大型化的碼頭起重機需要重型軌道匹配，現(xiàn)有最大型號重軌QU120承載能力安全裕度較低，Z字形接頭和凸字形接頭加工成型后，承載能力降低一半以上；起重機經(jīng)過存在縫隙的兩個接頭時，會有很大的沖擊力，軌道伸縮縫處在使用過程中所受到的上部結(jié)構傳導的偏心載荷、水平力、彎曲應力的復合作用，通過車輪的反復低周高強碾壓對軌道接頭截面變化處造成疲勞破壞，這種疲勞經(jīng)年累月逐漸積累造成軌道斷裂。

2 碼頭軌道施工和設計問題

2.1 軌道“爬行”

現(xiàn)行軌道存在向一個方向移動，最終使得伸縮接頭預留間隙不斷縮小，甚至出現(xiàn)頂死的“爬行”現(xiàn)象。造成“爬行”現(xiàn)象的主要原因有兩個，一是軌道壓板螺栓防松措施不得力：緊固時沒有預緊力大小要求，現(xiàn)場隨意使用工具緊固；壓板與螺母接觸面存在角度，致使螺母無法與壓板表面完全接觸；基本沒有采用彈簧墊圈等必要的防松手段。致使軌道處于浮動狀態(tài)。二是沿軌道長度方向，沒有采取任何有效的防竄動措施。

2.5插管率高,愈合期長,這與老年人肺部基礎病多,肺組織修復技能減弱、感染、胸膜粘連形成多房、粘連牽拉致破口不易閉合有關,為縮短愈合期,除加強抗感染外,還需注意吸氧、全身支持療法。

2.2 軌道基礎

膠墊板與找平鋼板、膠泥共同構成鋼軌的基床，基床的剛度會影響特征長度的取值，影響鋼軌的內(nèi)力響應。起重機在經(jīng)過軌道伸縮接頭時，由于車輪的輾壓力首先是作用在一側(cè)軌道上，相對于另一側(cè)的軌道接頭，本側(cè)軌道接頭下沉位移量很大。長期往復作用，致使軌道鋼墊板、填充膠泥漸漸變形、損壞，而膠墊板承受壓力，會產(chǎn)生壓縮變形，側(cè)向向外延展。在均勻荷載作用下，產(chǎn)生對稱的延展變形，在偏心荷載作用下就會產(chǎn)生不對稱的延展變形，這種不均勻擠壓，產(chǎn)生局部較大張力，反復作用下，容易造成局部變形過大，超過橡膠墊的伸長率而撕裂。膠墊板一旦發(fā)生破壞，存在較大的空隙時，上部鋼軌的應力就會明顯加大，應力集中現(xiàn)象更加明顯。如此惡性循環(huán)，更加速了軌道伸縮接頭的損壞。

2.3 輪軌接觸

起重機行進過程中，若存在偏心荷載，車輪與軌道接頭的接觸方式將由一點接觸變?yōu)槎帱c接觸（圖 2），除與鋼軌上表面接觸外，還與軌距角處發(fā)生接觸。

圖2 車輪與鋼軌接觸型式

軌距角處接觸面積小，壓應力大，雖然鋼軌在裝船機正常工作狀態(tài)時處于彈性階段，但是如果某些地方產(chǎn)生地基沉降，鋼軌應力將明顯增大。通過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，鋼軌在使用過程中受到車輪反復低周碾壓，表層接觸區(qū)域受到反復的拉壓應力作用，鋼軌表層較薄弱的區(qū)域在剪切應力的作用面上形成滑移帶，產(chǎn)生明顯塑性變形，當塑性變形達到一定程度，隨著鋼軌受到循環(huán)剪切應力作用次數(shù)的增加，鋼軌中的累積塑性應變將達到材料的裂紋萌生臨界值，導致滑移帶開裂從而萌生微小裂紋，分散的微小裂紋貫穿后便會形成宏觀裂紋，出現(xiàn)斷裂情況。

3 碼頭軌道斷裂對策

3.1 焊接接頭

1）嚴格執(zhí)行焊接工藝

手工焊接前，必須制訂完善的軌道焊接工藝，并嚴格執(zhí)行：對接軌道找正，對接縫隙留好；根據(jù)軌道材質(zhì)選用焊條型號；選用合適的電焊機，調(diào)節(jié)好焊接電流等等。有條件的，優(yōu)先選用鋁熱焊。

2）加強驗收

采用MT和UT綜合檢測第一個焊縫的質(zhì)量，作為碼頭工程總體項目驗收必不可少的一項驗收內(nèi)容，需提供現(xiàn)場檢測驗收報告。

3.2 伸縮接頭

1）總體原則

盡量減少伸縮接頭數(shù)量；伸縮接頭縫隙大小要根據(jù)當?shù)貥O限溫差預留；伸縮接頭盡量安排在起重機不經(jīng)常作業(yè)的區(qū)域（如兩個泊位之間），以便降低損壞的頻率；可采用門式起重設備小車軌道止擋塊的技術措施（圖 3），止塊與軌道焊接，擋塊與鋼墊板焊接，防止碼頭軌道“爬行”，造成伸縮縫擠死現(xiàn)象；伸縮接頭處基礎采用高等級的加強設計，并施工。

圖3 軌道加裝止擋塊

2）優(yōu)先原則

優(yōu)先選用平接頭。具有不用再加工，承載力大、損壞概率極低等不可替代的優(yōu)點。缺點是對起重機行走沖擊力大，可采取根據(jù)溫度選用不同長度的，便拆式硬質(zhì)橡膠等塑性材質(zhì)填充接頭縫隙減少沖擊力。

3）加工工藝

改變設施設計時，軌道接頭只給出名義尺寸的慣用做法，要明確出形位公差，兩個加工面接合處的尖角應該采取圓角過渡等有效的消除應力設計。

4）設計新型接頭

水運工程中較少有涉及碼頭鋼軌設計的相關規(guī)范和規(guī)程，鋼軌的設計主要參考設計圖集進行選型，常用的幾種伸縮縫接頭在很多港口均存在斷裂等適應性問題，開展系統(tǒng)的技術研究和試驗，提出和設計適應性更好的碼頭鋼軌接頭是一個重要的方向。

4 結(jié) 語

分析了碼頭起重機軌道在使用過程中產(chǎn)生斷裂的原因和問題，提出了解決方案和對策，對碼頭軌道實際維護具有極大指導作用，也為今后推動碼頭軌道設計規(guī)范的制訂及施工設計提供具有積極意義的理論和實踐支撐。