王 強

(中冶賽迪上海工程技術(shù)有限公司,上海 200490)

1 概述

隨著我國冶金、機械、石化等工業(yè)不斷發(fā)展，從20世紀50年代開始大量建造各種類型的工業(yè)建筑，截至2014年我國工業(yè)建筑面積超過120億m2。鋼吊車梁屬于工業(yè)建筑中重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件之一，其承擔(dān)著生產(chǎn)物資運輸、設(shè)備檢修吊運等功能同時為工業(yè)建筑柱子系統(tǒng)重要的縱向聯(lián)系構(gòu)件，吊車梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的良好與否直接影響到生產(chǎn)安全。近年來由于生產(chǎn)規(guī)模的擴大，吊車梁使用環(huán)境的劣化，據(jù)統(tǒng)計在我國設(shè)有重級工作制吊車的工業(yè)建筑中，絕大部分鋼吊車梁在使用10年～15年后出現(xiàn)疲勞問題[1]。由于疲勞破壞屬于典型的脆性破壞，處于生產(chǎn)主工藝流程關(guān)鍵部位的吊車梁的安全性尤為重要，不僅嚴重影響生產(chǎn)，而且造成次生災(zāi)害的概率非常大。

2 國內(nèi)外鋼吊車梁疲勞調(diào)查

在工業(yè)領(lǐng)域歐美、日本和蘇聯(lián)等國家和地區(qū)工業(yè)化較早，其鋼結(jié)構(gòu)疲勞研究也做了大量的調(diào)查和研究，疲勞損傷主要集中在工業(yè)廠房的吊車梁本體、制動系統(tǒng)及連接。日本鋼協(xié)對52個冶金工廠吊車梁疲勞損傷進行調(diào)查，各類冶金廠房中吊車梁的損傷比例見表1，不同年份吊車梁損傷比例見表2，吊車總運行次數(shù)在5×105次以下時，有損傷的吊車梁數(shù)量占全部構(gòu)件數(shù)量的15%。

表1 各類冶金廠房中吊車梁的損傷比例(日本)

表2 不同使用年限吊車梁的損傷比例(日本)

前蘇聯(lián)調(diào)查資料顯示，吊車梁的破損率隨年代而增長見表3[2]。

表3 不同使用年限的吊車梁損傷比例(前蘇聯(lián))

我國對冶金企業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)疲勞問題也做了調(diào)查，隨著我國鋼鐵行業(yè)升級改造產(chǎn)能提高重級工作制大噸位吊車梁一般使用壽命在10年～15年左右。從近幾年調(diào)查結(jié)果來看，冶金企業(yè)吊車梁出現(xiàn)疲勞問題的工藝單元主要集中在煉鋼的加料跨、熱軋板坯庫等詳見表4。實腹式鋼吊車梁容易出現(xiàn)疲勞損傷的部位見圖1。

表4 冶金廠房鋼吊車梁易疲勞的工藝工段

3 焊接鋼吊車梁疲勞破壞的特點

焊接鋼吊車梁的疲勞破壞屬于高周疲勞(應(yīng)力疲勞)，具有以下特征：工作應(yīng)力小于fy，沒有明顯的塑性變形，壽命n≥5×104次。疲勞破壞分三個階段：裂紋形成、裂紋穩(wěn)定擴展、裂紋失穩(wěn)擴展斷裂。吊車梁斷裂部位呈現(xiàn)不同分區(qū)，斷裂區(qū)斷口平直呈有光澤的晶粒狀或人字紋，由于截面削弱快速斷裂而形成。裂紋擴展區(qū)由于裂紋不斷擴展張合，兩表面互相碾磨相對較光滑，局部產(chǎn)生褶皺詳見圖2。由于吊車梁疲勞破壞時鋼材的塑性還沒有展開，屬于脆性破壞，危險性大，已經(jīng)嚴重影響了安全生產(chǎn)，因此吊車梁安全是工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)活動中至關(guān)重要的保障點。

4 影響鋼吊車梁疲勞性能的因素

影響鋼吊車梁疲勞性能的因素是多方面的，經(jīng)研究和調(diào)查大致有以下幾個方面。

4.1 鋼材材質(zhì)的影響

1)鋼材的化學(xué)成分及非金屬夾雜物：碳素結(jié)構(gòu)鋼，隨著碳含量的增高，其強度也會增高，而塑性和韌性下降。N,O,H,S,P等元素會增大鋼材的脆性，添加適量Ni,Cr,V,Mn等元素有助于減小鋼材的脆性。王志遠等[3]從非金屬夾雜物的形貌特征、化學(xué)元素組成以及與基體之間的相互作用等方面基于斷裂力學(xué)探究了非金屬夾雜物對鋼材疲勞性能的影響，Murakami和Endo模型應(yīng)用比較廣泛。

2)晶粒的影響：鋼材晶粒度對于低碳鋼和低合金鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度影響較大，晶粒度越細，轉(zhuǎn)變溫度越低，越不容易發(fā)生脆斷[4]。另一方面鋼材在加工和使用過程中，晶粒在高應(yīng)力作用下，在滑移平面的方位與最大切應(yīng)力方向一致時易出現(xiàn)滑移，進而形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致微小裂紋從而影響其斷裂性能。

3)力學(xué)性能：鋼材韌度和強度同等重要，不單純追求強度指標。而忽視了其他性能，如：沖擊韌性、斷裂韌度及厚板的Z向性能。根據(jù)斷裂力學(xué)理論應(yīng)力強度因子KI應(yīng)小于斷裂韌度KIC，即：

其中，C，m均為與材料疲勞裂紋擴展性能有關(guān)參數(shù)，由試驗確定。

4)厚度：厚度越大，發(fā)生脆斷可能性增加。一方面厚板在缺口處容易形成三向拉應(yīng)力，沿厚度方向的收縮和變形受到較大的限制而形成平面應(yīng)變狀態(tài)，影響了塑性的發(fā)揮；另一方面厚板的軋制工藝不如薄板軋制次數(shù)多，組織內(nèi)部比較疏松，內(nèi)外層均勻性差。

4.2 工作環(huán)境溫度的影響

工作環(huán)境溫度對鋼材性能影響比較大。清華大學(xué)王元清等在近20年內(nèi)做了大量低溫下結(jié)構(gòu)鋼材的試驗研究發(fā)現(xiàn)鋼材存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度(見圖4)。當(dāng)溫度降到某值后，屈服強度趨近抗拉強度，此時鋼材的塑性變形很小，鋼材破壞基本為脆性變形[5]。從斷裂力學(xué)方面研究發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低，鋼材的斷裂韌度KIC下降，表現(xiàn)出低溫脆性。

4.3 環(huán)境腐蝕的影響

徐善華、馮大帥等對中性鹽霧腐蝕環(huán)境下Q235鋼、Q345B鋼疲勞特性的影響[6,7]。通過疲勞試驗、疲勞裂紋擴展試驗獲得腐蝕對鋼材疲勞的影響有關(guān)數(shù)據(jù)表明：隨著腐蝕率的增加，鋼材疲勞壽命急劇下降，鋼材裂紋擴展速率隨著腐蝕率增大而增快。陳夢成等[8]對局部腐蝕的Q235鋼材疲勞壽命影響因素試驗表明：腐蝕的構(gòu)件比無腐蝕的構(gòu)件疲勞壽命降低80%～95%，腐蝕溫度從20 ℃升高到40 ℃時，疲勞壽命下降55%～76%(見圖5)。吊車梁若處在腐蝕性介質(zhì)環(huán)境下，腐蝕介質(zhì)的化學(xué)作用、環(huán)境溫度和荷載作用的相互耦合，疲勞破壞的進程大大加快。

4.4 應(yīng)力比與加載頻率

循環(huán)加載的應(yīng)力比R越高，疲勞裂紋擴展速率越快;斷裂韌度KIC越高, 疲勞裂紋擴展速率越慢。另外較高的加載頻率通常會降低鋼材的斷裂韌度KIC，其變化趨勢與降低溫度類似[9]。清華大學(xué)熊俊等[10]通過做Q345,Q390,Q420三種鋼材制作的梁柱節(jié)點單向拉伸和循環(huán)荷載試驗表明：循環(huán)加載會顯著削弱焊接試件承載能力和變形能力，導(dǎo)致焊縫的開裂和破壞。

4.5 制作過程中的缺陷

鋼結(jié)構(gòu)在制作過程中經(jīng)歷了下料、冷熱成形、裝配、焊接、矯形和焊后熱處理等工序。鋼材經(jīng)過這些工序加工其材質(zhì)可能發(fā)生變化，焊接可能產(chǎn)生缺陷，焊后產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形這些對其抗疲勞性能都有影響。

1)應(yīng)變時效。鋼材經(jīng)過剪切、冷成形或冷矯形等產(chǎn)生一定塑性變形后經(jīng)加熱而產(chǎn)生應(yīng)變時效。焊接時的加熱不均，導(dǎo)致不同程度的熱塑性變形。

2)焊接引起的缺陷。如焊接過程易產(chǎn)生氣孔、裂紋、夾渣等各類缺陷;另一方面焊接結(jié)構(gòu)中存在殘余應(yīng)力和殘余變形。這些缺陷往往會是前期裂紋的發(fā)源地。

3)構(gòu)件表面的光潔度和表面處理工藝。有關(guān)資料表明[11]:材料強度越高受表面光潔度影響越大；應(yīng)力水平低，壽命越久受表面光潔度影響也越大。另構(gòu)件表面引入壓縮殘余應(yīng)力，如：表面拋丸等，可提高疲勞壽命。

4.6 吊車軌道偏心

吊車軌道中心與吊車梁腹板中心不重合，偏心較大時，吊車輪壓引起的扭矩對腹板和橫向加勁肋的影響不容忽視。此類偏心一方面由安裝偏差引起，GB 50205—2020鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收標準的有關(guān)要求，吊車軌道中心對吊車梁腹板軸線偏心應(yīng)小于腹板厚度1/2；近幾年的調(diào)研發(fā)現(xiàn)：軌道壓軌器的松動，軌道產(chǎn)生側(cè)彎不居中的情況也存在。

4.7 構(gòu)件的應(yīng)力集中及構(gòu)造不合理

構(gòu)件的缺口疲勞不容忽視。從近年來工程實踐中對變截面吊車梁進行有限元分析發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中效應(yīng)明顯，一定程度上削弱了其材料局部的抗疲勞能力，故起重量在100 t以上的重級工作制吊車梁宜采用等截面形式。細部接頭構(gòu)造中也存在不同程度的應(yīng)力集中，從圖6[4]中可以看出不同接頭形式的疲勞性能優(yōu)劣，缺口效應(yīng)越強抗疲勞能力越弱。構(gòu)造不合理也容易形成疲勞破壞的薄弱環(huán)節(jié)，如：構(gòu)(板)件截面突變處不做過渡處理、采用過厚鋼板、焊縫密集、三向焊縫匯交、在高應(yīng)力區(qū)布置焊縫等等。

5 結(jié)論

通過對影響鋼吊車梁疲勞性能的因素研究可從以下幾個方面對鋼吊車梁的設(shè)計進行改進：

1)鋼材的材質(zhì)對于吊車梁抗疲勞性能至關(guān)重要，其斷裂韌度和強度同等重要。重型吊車梁設(shè)計宜從鋼材的化學(xué)成分、碳當(dāng)量、氮含量、晶體顆粒等級、沖擊韌性、交貨條件等方面進行嚴格控制。

2)環(huán)境溫度對鋼吊車梁疲勞性能的影響明顯，可通過選擇具有良好的沖擊韌性，較高斷裂韌度的鋼材提高其抗疲勞能力。

3)腐蝕對鋼吊車梁疲勞性能的影響不言而喻，可根據(jù)所處的環(huán)境類別選擇設(shè)計使用年限較長(如：10年～15年)的防腐涂裝方案。

4)從近幾年重型鋼結(jié)構(gòu)吊車梁的工程實踐來看，采用基于S—N曲線疲勞累積損傷計算理論分析此類疲勞問題，降低應(yīng)力幅(應(yīng)力比)是比較有效的方法，另外基于裂紋擴展準則的疲勞分析理論還需進一步研究。

5)隨著工業(yè)產(chǎn)能升級，處于生產(chǎn)主工藝流程上的吊車梁其荷載加載頻率大幅度提高，疲勞壽命越來越短，其重要性系數(shù)應(yīng)與普通吊車梁有區(qū)別，欠載系數(shù)是否合適需要探討。

6)吊車梁的構(gòu)造不合理、應(yīng)力集中和制作過程中產(chǎn)生的缺陷往往是疲勞裂紋的發(fā)源地，此類問題應(yīng)從設(shè)計到施工引起高度重視。軌道偏心和缺口疲勞效應(yīng)不容忽視，建議采用有限元法進行分析驗算較為穩(wěn)妥。

綜上所述從斷裂力學(xué)的角度來衡量吊車梁抗疲勞性能的優(yōu)劣，實質(zhì)是抑制裂紋萌生和擴展的方式好壞。隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，對處于生產(chǎn)重要部位的吊車梁實時監(jiān)測也是比較好的生產(chǎn)保障措施。