樊 冬 靚

(上海寶鋼工業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 201900)

1 概述

鋼吊車梁是工業(yè)建筑中極為重要的構(gòu)件，其能否安全運(yùn)行，關(guān)系著生產(chǎn)安全，尤其是鋼廠，鋼水包熱板坯等都要通過行車吊運(yùn)，吊車梁一旦發(fā)生破壞，后果不堪設(shè)想。某鋼廠前年發(fā)生一起鋼吊車梁嚴(yán)重開裂事件，之后，為全面了解全廠鋼吊車梁運(yùn)行狀態(tài)，決定對(duì)全廠鋼吊車梁狀態(tài)進(jìn)行普查。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，全廠鋼吊車梁超過1萬根，全部檢查的話，不論人力物力都不足。為使檢查切實(shí)有效，在全廠1萬多根鋼吊車梁中，根據(jù)行車起重荷載、工作制、運(yùn)行頻繁程度以及吊車梁投產(chǎn)年限等因素，梳理出了406根鋼吊車梁，作為重點(diǎn)吊車梁進(jìn)行精密檢查。

一年多來，通過升降車及搭設(shè)檢查平臺(tái)等輔助手段，我們陸續(xù)對(duì)406根鋼吊車梁進(jìn)行了精密檢查，檢查結(jié)果顯示，總計(jì)有36根吊車梁出現(xiàn)裂縫，裂縫長度12 mm～410 mm不等，出現(xiàn)裂縫吊車梁占檢查總數(shù)比例為8.87%。

2 鋼吊車梁裂縫類型

鋼吊車梁裂縫基本為疲勞裂縫，其裂縫類型一般分為兩類：一類是腹板與上翼緣之間開裂；一類是端部支座部位開裂。

2.1 腹板與上翼緣之間開裂

產(chǎn)生這種裂縫是由于行車的垂直輪壓與腹板中心存在偏心，在吊車運(yùn)行時(shí)，這種偏心輪壓使得加勁肋與上翼緣的連接焊縫內(nèi)側(cè)端產(chǎn)生垂直向的不斷變化的集中應(yīng)力，在接殘余應(yīng)力和交變的集中應(yīng)力長期作用下，該焊縫內(nèi)側(cè)端點(diǎn)首先開裂，隨后裂縫逐漸向腹板發(fā)展。目前，這種裂縫已經(jīng)被大家廣泛認(rèn)識(shí)，并且加強(qiáng)了構(gòu)造處理和生產(chǎn)控制，在日常維護(hù)和調(diào)整行車軌道時(shí)保證梁軌偏心滿足要求的情況下，可以避免此種裂縫的產(chǎn)生[1]。這一點(diǎn)在我們對(duì)406根吊車梁檢查時(shí)也得到了證實(shí)，檢查結(jié)果未發(fā)現(xiàn)有此類裂縫產(chǎn)生。

2.2 鋼吊車梁端部支座部位開裂

吊車梁按截面型式可分為等截面吊車梁和變截面吊車梁，變截面吊車梁主要有圓弧式吊車梁和直角插板式吊車梁。在檢查中這3種型式的吊車梁都包含在內(nèi)，由于樣本的偶然性，這里不比較各截面類型吊車梁的優(yōu)劣，只關(guān)注裂縫出現(xiàn)位置，結(jié)果表明，這3種截面型式的鋼吊車梁都在端部支座集中應(yīng)力較大的部位出現(xiàn)裂縫，各截面型式開裂部位示意及典型圖見圖1～圖3。

從檢查結(jié)果看，36根出現(xiàn)裂縫的鋼吊車梁，其裂縫大都發(fā)生于焊縫的焊根、焊趾處。以出現(xiàn)裂縫較多的直角插板式變截面鋼吊車梁為例，其裂縫發(fā)生于插板與端部封板的連接焊縫處，同時(shí)結(jié)合檢查情況可以判定，該處裂縫萌生于焊縫的焊趾處。國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)對(duì)此類裂縫已經(jīng)做過試驗(yàn)[2]，結(jié)論也與我們此次的檢查結(jié)果吻合。

3 變截面鋼吊車梁裂縫典型實(shí)例

3.1 概況

某煉鋼板坯清理跨廠房(X0跨～X1跨)采用直角插板式變截面吊車梁，梁全高3 500 mm，支座處高2 000 mm，斷面3 500×850(700)×18×36，Q345材質(zhì)，其平面布置如圖4所示。在該跨范圍內(nèi)運(yùn)行著3臺(tái)行車，行車基本資料如下：

吊車起重量為94 t，Lk=39.5 m，工作制A7，橋式吊車，共2臺(tái)；

吊車起重量為32 t，Lk=39.5 m，工作制A7，橋式吊車，共1臺(tái)。

其中，2臺(tái)94 t行車進(jìn)行日常吊運(yùn)作業(yè)，使用較為頻繁，1臺(tái)32 t行車為輔助用行車，平時(shí)較少使用。

3.2 分析

1)產(chǎn)量增加，行車運(yùn)行頻繁。

該廠房于1998年建成投產(chǎn)，迄今已使用20年。在2006年，通過挖潛改造，鋼產(chǎn)量從設(shè)計(jì)的307萬t增加到660萬t，該板坯清理跨處理產(chǎn)能也大幅增加。利用射頻技術(shù)對(duì)該跨吊車梁進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，⑦軸～軸線行車運(yùn)行頻次為280次/d～330次/d，相當(dāng)于行車每年在⑥軸～軸線區(qū)間內(nèi)運(yùn)行次數(shù)超過10萬次。其他區(qū)間行車運(yùn)行頻次基本在200次/d以下。

2)行車輪壓大，跨內(nèi)布局不合理。

跨內(nèi)靠近X0列有兩處生產(chǎn)操作室小房，導(dǎo)致行車吊運(yùn)板坯時(shí)小車往往靠近X1列側(cè)，X1列吊車梁相較于X0列吊車梁，所受行車輪壓往往處于較大的狀態(tài)。為檢測行車運(yùn)行時(shí)吊車梁變截面處應(yīng)力變化情況，在腹板上靠近插板與端部封板連接焊縫的部位設(shè)置測點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力測量，結(jié)果見表1。按照《建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》[3]和國內(nèi)商用軟件[4]計(jì)算該測點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度，疲勞分類為第二類，即循環(huán)次數(shù)為2×106次的容許應(yīng)力為144 MPa。從表1可知，該測點(diǎn)最大主應(yīng)力為130 MPa左右，已經(jīng)相當(dāng)接近容許應(yīng)力。近來一些冶金工業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從業(yè)人員已經(jīng)對(duì)該類疲勞分類為第二類提出了疑義，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范提出，該類型吊車梁變截面處循環(huán)次數(shù)為2×106次的容許應(yīng)力為90 MPa較為合適[5]，按此數(shù)值作為比較，該測點(diǎn)測量結(jié)果已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出。

表1 應(yīng)力測量記錄表

4 裂縫發(fā)展

吊車梁裂縫基本為疲勞裂縫，其發(fā)展一般歷經(jīng)三個(gè)階段[6]。

1)微觀裂紋演變?yōu)楹暧^裂紋階段，即鋼材內(nèi)部固有細(xì)小缺陷在應(yīng)力集中作用下轉(zhuǎn)為肉眼能觀測到的宏觀裂縫的階段，該階段裂縫形成的速度跟鋼材材質(zhì)和焊接質(zhì)量有較大關(guān)系。

2)裂縫緩慢發(fā)展階段，該階段吊車梁裂縫發(fā)展較為緩慢，是發(fā)現(xiàn)吊車梁裂縫采取措施消除隱患的最佳階段。我們選取幾個(gè)處于萌發(fā)階段的裂縫(裂縫長度10 mm～30 mm，見圖5)進(jìn)行周期性觀察，結(jié)果經(jīng)過一年的觀察，在行車運(yùn)行頻次在10萬次/年的情況下，裂縫發(fā)展長度普遍為2 mm～3 mm，還是較為緩慢的。

3)裂縫快速發(fā)展階段，該階段裂縫發(fā)展較為快速，直至吊車梁結(jié)構(gòu)破壞，應(yīng)避免該種情況的出現(xiàn)。

5 更換及加固措施

36根開裂吊車梁所涉及的范圍并不廣泛，而是集中出現(xiàn)在幾個(gè)區(qū)域，為確保安全生產(chǎn)，我們對(duì)出現(xiàn)裂縫相對(duì)集中的兩個(gè)區(qū)域的吊車梁進(jìn)行了更換，在新吊車梁的設(shè)計(jì)選型上，由于生產(chǎn)工藝所限，吊車梁改動(dòng)的余地不大。此次發(fā)現(xiàn)的吊車梁開裂部位都在端部支座處，所以新吊車梁在原吊車梁設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)吊車梁端部4 m左右范圍內(nèi)的腹板進(jìn)行了加厚,普遍較原設(shè)計(jì)加厚了50%左右。

同時(shí)，針對(duì)其他區(qū)域零星出現(xiàn)開裂的吊車梁，以及雖尚未出現(xiàn)開裂情況但根據(jù)行車載荷、運(yùn)行頻繁程度等因素篩選出來的一批重點(diǎn)變截面吊車梁，我們對(duì)其易出現(xiàn)裂縫的端部進(jìn)行了加固處理，加固方式根據(jù)吊車梁變截面型式的不同而采取不同的加固方法，圓弧式吊車梁及直角插板式吊車梁端部加固的方法見圖6,圖7。

6 結(jié)語

鋼吊車梁是工業(yè)廠房最主要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，也是最容易發(fā)生破壞的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，鋼吊車梁初期裂縫細(xì)微，且位置較為隱蔽，容易忽視。在全國各大鋼廠陸續(xù)有吊車梁開裂情況出現(xiàn)的情況下，篩選出一些行車起重量大、運(yùn)行頻繁，投產(chǎn)年限比較長的重點(diǎn)吊車梁，以1年～2年為一個(gè)周期對(duì)其進(jìn)行全面的檢測，是十分有必要的。

參考文獻(xiàn):

[1] 羅大春.某煉鋼廠鋼吊車梁的開裂分析與加固處理[J].工業(yè)建筑，2012(S1):303-305.

[2] 趙曉青，惠云玲，常好誦，等.彎曲封板直角突變式鋼吊車梁的疲勞強(qiáng)度分析[J].2017，47(7):155-159.

[3] 趙熙元，柴 昶，武人黛.建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1995.

[4] 中國建筑科學(xué)院PKPM CAD工程部.PKPM 2010鋼結(jié)構(gòu)CAD軟件STS用戶手冊[Z].2010.

[5] 王 林，鄭偉昌，胡朝暉，等.重級(jí)工作制直角突變式鋼吊車梁突變處疲勞性能分析[J].鋼鐵技術(shù)，2017(2):54-56.

[6] 夏光軍.焊接吊車梁腹板開裂原因及防止措施[J].鋼結(jié)構(gòu)，2010，4(25):65-68.