劉麗芬 中交四航局第五工程有限公司

1.碼頭軌道系統(tǒng)及高空吊概況

1.1 碼頭高空吊簡(jiǎn)述

該碼頭岸線全長(zhǎng)達(dá)380m，主體結(jié)構(gòu)為重力式沉箱結(jié)構(gòu)。碼頭上配備了圓筒型支柱加桁架式吊臂雙鉤高空吊機(jī)。該吊機(jī)最大起重量為2600t，最大起吊高度達(dá)150m，為同類型國(guó)內(nèi)最大的碼頭岸壁吊機(jī)。高空吊共有4個(gè)支腿，并且每個(gè)支腿設(shè)置雙排鋼車輪，每排并列布設(shè)12個(gè)，整個(gè)高空吊機(jī)車輪系共由96個(gè)鋼車輪組成。

1.2 碼頭軌道系統(tǒng)

高空吊軌道沿碼頭前沿線布置，分為兩組軌道，因?yàn)殇撥囕啚殡p排結(jié)構(gòu)，所以每組軌道布設(shè)2條鋼軌，共4條，每組兩條鋼軌中心距離為1.5m，兩組軌道中心距離為16m，單軌總長(zhǎng)380m。鋼軌型號(hào)為QU120，材質(zhì)U71Mn，鋼軌錨固系統(tǒng)采用GANTREX連續(xù)固定形式，布設(shè)間距為25cm。

2.鋼軌斷裂情況簡(jiǎn)述

于2013年1月25日對(duì)碼頭高空吊安裝調(diào)試完成并進(jìn)行試運(yùn)行。在2013年2月7日發(fā)現(xiàn)陸側(cè)一組的外側(cè)鋼軌發(fā)生斷裂。斷口在碼頭的西部，距離11號(hào)泊位端部50m處，斷口距離最近的焊接接口間隔1.5m、縫寬為1.01cm，且在兩個(gè)軌道壓板中部且靠近一側(cè)壓板，斷裂區(qū)段鋼軌底部支墊平整，高差為0～1mm。2013年4月18日發(fā)生鋼軌第二次斷裂。斷裂的鋼軌是第一次斷裂陸側(cè)同一鋼軌，斷口距第一次斷口40m位置，也在兩個(gè)軌道壓板中部且靠近一側(cè)壓板位置。具體情況如下圖1和圖2所示。

圖1 第一次斷裂情況

圖2 第二次斷裂情況

3.鋼軌斷裂原因分析

3.1 鋼軌斷裂常見原因

重力式碼頭鋼軌斷裂原因各異，從過(guò)往收集的碼頭鋼軌斷裂案例中分析總結(jié)出的原因多為鋼軌母材質(zhì)量不良、接頭焊接質(zhì)量差、鋼軌安裝順直度和平整度有偏差，或是由于軌道基礎(chǔ)不均勻沉降、上部荷載下豎向應(yīng)力傳遞不均以及低溫環(huán)境（-20℃以下）引起脆性斷裂，也有可能是以上一個(gè)或多個(gè)因素相互作用造成。

3.2 鋼軌斷裂具體原因分析

高空吊碼頭鋼軌僅運(yùn)行了3個(gè)月，同一鋼軌便連續(xù)斷裂兩次，這引起了業(yè)主、高空吊設(shè)計(jì)制造安裝方、使用操作方、設(shè)計(jì)單位、施工總承包單位以及工程監(jiān)理等各方高度關(guān)注。各方查找和分析鋼軌斷裂的原因，并召開了專題研討會(huì)，邀請(qǐng)有關(guān)專家進(jìn)行研究，一開始從常見原因入手和分析，包括從鋼軌施工安裝調(diào)試質(zhì)量及精度、鋼軌接頭焊接工藝、焊接質(zhì)量、鋼軌母材材質(zhì)及機(jī)械性能、碼頭不均勻沉降考慮分析及低溫脆性斷裂分析。但沒(méi)有從高空吊機(jī)運(yùn)行時(shí)輪軌行走對(duì)鋼軌的影響進(jìn)行分析。

經(jīng)對(duì)碼頭面和軌道檢測(cè)測(cè)量，碼頭、軌道整體結(jié)構(gòu)的沉降量控制在設(shè)計(jì)要求及規(guī)范允許范圍內(nèi)，鋼軌安裝的軌道軸線、標(biāo)高控制均在設(shè)計(jì)要求和規(guī)范允許偏差范圍內(nèi)，全線平順。鋼軌由國(guó)內(nèi)正規(guī)廠家供應(yīng)，安裝鋼軌前按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)取樣進(jìn)行理化和機(jī)械性能檢驗(yàn)，均符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。鋼軌焊接接頭超聲波檢測(cè)符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，排除由于鋼軌施工安裝質(zhì)量、鋼軌母材性能不佳、碼頭軌道不均勻沉降以及高空吊運(yùn)行時(shí)以上幾個(gè)原因共同作用造成斷裂的情況，另外碼頭環(huán)境長(zhǎng)年溫度在0℃以上，不會(huì)發(fā)生鋼軌因溫度過(guò)低而低溫脆性斷裂現(xiàn)象。鋼軌斷裂的原因未找到，即使進(jìn)行修復(fù)也只能暫時(shí)解決此鋼軌斷口，但是沒(méi)有真正解決問(wèn)題，隨后高空吊運(yùn)行使用過(guò)程中還有可能再次斷裂，從而影響碼頭安全作業(yè)及正常生產(chǎn)安排。對(duì)此，必須找到造成鋼軌斷裂的真正原因，徹底解決鋼軌該問(wèn)題，以保證碼頭高空吊安全生產(chǎn)和正常使用。

3.3 鋼軌斷裂主要原因

從鋼軌斷口形狀及形態(tài)判斷，此種斷裂形式為脆性斷裂，究竟是什么因素造成鋼軌脆性斷裂？

鋼材工作受力狀態(tài)一般是二維受力。如鋼材在工作受力狀態(tài)的同時(shí)承受三個(gè)方向應(yīng)力作用時(shí)，鋼材的塑性及其力學(xué)性能會(huì)降低，特別是低合金高強(qiáng)度鋼的塑性及韌性降低更為明顯，其斷裂韌性和塑性變得更差，容易發(fā)生脆斷。U71Mn的鋼軌屬于低合金高強(qiáng)度鋼，抗拉強(qiáng)度達(dá)880MPa、屈服強(qiáng)度為460MPa，但斷裂韌性平均為29MPa，延伸率為10%左右，鋼軌強(qiáng)度高但塑性較差。

沿此思路尋找鋼軌脆性斷裂原因。在與高空吊操作人員溝通和了解高空吊使用情況時(shí)，操作人員反映吊機(jī)作業(yè)行走時(shí)有不順暢現(xiàn)象，似有遇到小障礙物阻礙行走，檢查吊機(jī)軌道卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何異物。

是否高空吊行走時(shí)不同軸鋼輪左右“啃軌”作用于鋼軌上，使鋼軌承受過(guò)大左右側(cè)向應(yīng)力，在各種載荷共同作用下使鋼軌發(fā)生脆性斷裂？經(jīng)各方共同分析并到現(xiàn)場(chǎng)查看斷裂鋼軌斷口和斷裂口位置附近的鋼軌磨損情況，檢查吊機(jī)車輪與鋼軌側(cè)面接觸磨損程度，然后全面檢查吊機(jī)輪系的車輪與鋼軌接觸情況，并逐一檢測(cè)吊機(jī)4個(gè)支腿輪系鋼輪同軸度和平面度。檢查發(fā)現(xiàn)高空吊陸側(cè)向西支腿外側(cè)6個(gè)車輪組中，2個(gè)車輪往碼頭海側(cè)偏離軸線，1個(gè)車輪往碼頭陸側(cè)偏離軸線。經(jīng)測(cè)量，此組車輪偏離軸線且偏差最大達(dá)到了9mm，而高空吊其他支腿車輪組的車輪軸線及車輪平面度均在設(shè)計(jì)、安裝技術(shù)要求范圍內(nèi)，鑒于此，最終確認(rèn)上述便是造成鋼軌斷裂的主要原因。

根據(jù)鋼軌特性及軌道系統(tǒng)錨固方案，正常工作狀態(tài)下輪壓引起的鋼軌應(yīng)力約為250MPa。由于陸側(cè)外支腿車輪各有車輪左右偏離軸線，啃軌造成左右側(cè)向擠壓鋼軌，引起此支腿輪系車輪下方此段的鋼軌同時(shí)承受很大的左右側(cè)向壓力，高空吊作業(yè)運(yùn)行時(shí)，鋼軌還要承受高空吊運(yùn)行的行進(jìn)軸向力。即此支腿輪系車輪下方此段的鋼軌承受車輪的正壓力、多個(gè)車輪同時(shí)啃軌左右側(cè)向壓力以及吊機(jī)行走時(shí)的軸向力，此鋼軌在吊機(jī)作業(yè)時(shí)承受三維應(yīng)力的共同作用。吊機(jī)作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)車輪啃軌比較嚴(yán)重時(shí)，引起鋼軌受更大左右側(cè)向應(yīng)力。另外，本工程采用的鋼軌錨固系統(tǒng)為GANTREX連續(xù)固定形式，較一般的碼頭軌道壓板間距50cm來(lái)說(shuō)較密，在壓板全部調(diào)緊的狀態(tài)下，高空吊行走時(shí)，鋼軌承受的壓力、摩擦力以及鋼軌變形產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力無(wú)法完全釋放，導(dǎo)致鋼軌的內(nèi)應(yīng)力增大并集中。

側(cè)向承受力比較低是鋼軌的特性，當(dāng)受到較大側(cè)向應(yīng)力特別是同時(shí)受左右側(cè)向應(yīng)力的作用時(shí)，即啃軌比較嚴(yán)重時(shí)鋼軌承受的側(cè)向應(yīng)力會(huì)變得更大，同時(shí)因緊固件過(guò)緊，應(yīng)力無(wú)法完全釋放，在其他工作荷載應(yīng)力共同作用下，作用于鋼軌的應(yīng)力大于鋼軌的強(qiáng)度而發(fā)生斷裂。此種斷裂一般為脆性斷裂，是鋼軌承受三維應(yīng)力超過(guò)鋼軌強(qiáng)度造成的。

找到鋼軌斷裂主要原因，那么采取相應(yīng)技術(shù)措施即可解決。高空吊設(shè)計(jì)、制作、安裝公司重新調(diào)整支腿輪系精度，再全面檢測(cè)和調(diào)整有安裝精度問(wèn)題的高空吊支腿輪系車輪的平面度和同軸度，直至符合高空吊的安裝技術(shù)要求，并適當(dāng)回調(diào)鋼軌錨固系統(tǒng)，系列操作后問(wèn)題迎刃而解，化解了施工過(guò)程中的難題。此后高空吊作業(yè)運(yùn)行數(shù)年，至今未發(fā)生新的斷裂情況，證明解決措施具有可行性。

4.結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)本次分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）碼頭軌道鋼軌使用過(guò)程中出現(xiàn)斷裂問(wèn)題時(shí)，除了從常見斷裂原因?qū)ふ?，也要考慮碼頭吊機(jī)設(shè)備的制造、安裝、使用等因素對(duì)軌道鋼軌的影響。

（2）碼頭大型多輪系吊機(jī)設(shè)備中，如果一支腿輪系車輪的同軸度出現(xiàn)偏差，極易導(dǎo)致鋼軌同時(shí)受三維應(yīng)力作用，使鋼軌的塑性及其力學(xué)性能降低，特別是低合金高強(qiáng)度鋼的塑性及韌性降低更明顯，其斷裂韌性和塑性變得更差，導(dǎo)致鋼軌容易發(fā)生脆斷。

（3）在設(shè)計(jì)、制造、安裝碼頭大型吊機(jī)的過(guò)程中要充分考慮此因素影響，并制定針對(duì)性的質(zhì)量保證措施，避免鋼軌斷裂。