高能級強(qiáng)夯施工時門架橫梁的疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算

王紅霞

（山西機(jī)械化建設(shè)集團(tuán)公司，山西 太原 030009）

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，建筑施工越來越多，由于強(qiáng)夯法工藝簡單、施工簡便、節(jié)省材料、高效環(huán)保，已成為地基處理的主要方法之一。山西機(jī)械化建設(shè)集團(tuán)公司是最早引進(jìn)和開發(fā)強(qiáng)夯施工技術(shù)的企業(yè)之一，在全國強(qiáng)夯地基處理領(lǐng)域居領(lǐng)先水平，并積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。我們通過加裝門架以增加履帶起重機(jī)的額定起重量來實(shí)現(xiàn)高能級強(qiáng)夯。而門架中橫梁承受重復(fù)出現(xiàn)的變化載荷，當(dāng)達(dá)到一定次數(shù)時會出現(xiàn)疲勞破壞，現(xiàn)采用理論和實(shí)踐相結(jié)合的方法，對橫梁的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行探究，以供借鑒。

1 門架橫梁設(shè)計

強(qiáng)夯機(jī)門架橫梁由翼緣板和腹板焊接而成，是承受脈動載荷的結(jié)構(gòu)件，要求它具有良好的塑性和焊接性，還要有很高的強(qiáng)度，因此我們選擇材料Q345來制作門架橫梁。

門架橫梁屬于簡支梁，橫梁的中部彎矩最大，沿著橫梁向支撐方向則逐漸減小。為節(jié)省材料、減輕自重，我們把橫梁設(shè)計成隨彎矩而變化的變截面梁。腹板和翼板厚20 mm，橫梁的內(nèi)部布有厚度為16 mm的橫隔板與副腹板，橫隔板以中部為基準(zhǔn)橫向兩邊各布2處（中間基準(zhǔn)處布一塊）；副腹板布在橫隔板之間共4處，詳見圖1。橫梁與門架立柱的連接銷軸孔中心在距下翼緣板200 mm處。橫梁自重Q橫梁＝1.904 t，跨度L＝5 000 mm。

2 橫梁應(yīng)力測試

2012年6月29日～7月1日，山西機(jī)械化建設(shè)集團(tuán)與山西省機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督監(jiān)測總站在陜西省富縣延長石化項(xiàng)目進(jìn)行了12 000 k N·m施工測試，該測試選在夯土含水量較大的地點(diǎn)進(jìn)行，并且在同一地點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)夯，最后達(dá)到很大的吸附，使夯錘深陷不能拔出（第5錘時）。共進(jìn)行了13個點(diǎn)的測試。1，2，3，4測點(diǎn)在門架立柱A底部第二節(jié)下端各柱肢上；5，6測點(diǎn)在前4個測點(diǎn)同截面橫綴中部；7，8，9，10測點(diǎn)在門架立柱B的同部位；11點(diǎn)在距橫梁中部600 mm處，12，13點(diǎn)在距橫梁中部275 mm處并分布在兩側(cè)，這3個點(diǎn)都布在上翼緣板上，11，12測試點(diǎn)在靠近立柱A的橫梁中心同側(cè)。各工況測點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變見表1。

圖1 橫梁結(jié)構(gòu)示意圖

表1 12 000 k N·m強(qiáng)夯機(jī)門架結(jié)構(gòu)各工況測點(diǎn)的應(yīng)力及應(yīng)變

3 橫梁受力分析與最大應(yīng)力點(diǎn)選擇

3.1 橫梁受力分析

橫梁受兩個立柱的支撐力RA和RB，以及履帶起重機(jī)起吊夯錘時對橫梁的壓力P（含十字頭自重）和橫梁的自重Q橫梁（均布載荷）。兩門架立柱不是垂直地基，且與橫梁的連接銷軸不在其中心處，而橫梁是受偏心壓縮力作用的壓彎構(gòu)件，由于偏心壓縮力不大，因此不考慮它產(chǎn)生的附加彎矩，還按橫梁初始產(chǎn)生的彎矩計算。

3.2 橫梁測試點(diǎn)選擇分析

橫梁受到集中力作用，則要產(chǎn)生向下的彎曲，即上翼緣板受壓，下翼緣板受拉，并且中性軸靠下（離下翼緣板200 mm），上翼緣板σ-max＞下翼緣板σ＋max，且橫梁的最大應(yīng)力在上翼緣板的上表面，因此測試點(diǎn)選在橫梁的上翼緣板的上表面。

3.3 橫梁最大應(yīng)力點(diǎn)選擇

由于受脈沖載荷的作用，橫梁的疲勞破壞經(jīng)常發(fā)生在最大正應(yīng)力、最大剪切應(yīng)力或正應(yīng)力和剪切應(yīng)力都比較大的位置附近。橫梁的最大正應(yīng)力在其中心附近，而正應(yīng)力和剪切應(yīng)力都比較大的位置在距橫梁中心225 mm處，因此橫梁中部及距橫梁中心225 mm處的上翼板外表面中心點(diǎn)為疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算點(diǎn)。

4 橫梁疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算

在進(jìn)行12 000 k N·m測試時，當(dāng)進(jìn)行到第5次夯實(shí)時，夯錘吸附嚴(yán)重不能拔出，此時需要起升力達(dá)到夯錘與鉤子自重的2.2倍，通過驗(yàn)證橫梁應(yīng)力低于許用強(qiáng)度，但橫梁是承受變載荷的結(jié)構(gòu)件，較容易發(fā)生疲勞破壞，因此在滿足靜強(qiáng)度要求的情況下，還應(yīng)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計算。

4.1 橫梁疲勞強(qiáng)度驗(yàn)證的選擇

高能級強(qiáng)夯機(jī)工作前，我們都要進(jìn)行試夯，以便采取相應(yīng)的技術(shù)措施，保障強(qiáng)夯機(jī)既能正常工作又能很好地完成施工任務(wù)。由表1可以看出，在前3次夯實(shí)中門架立柱和橫梁的應(yīng)力變化不大，可見剛開始夯實(shí)時土壤對夯錘的吸附影響很??；在第5錘時因夯錘底部吸附力大而不易拔出。按照強(qiáng)夯機(jī)的操作規(guī)程要求，當(dāng)夯錘底部吸附力增大時，不得強(qiáng)行提錘而是挖掘夯錘周邊的土以減小吸附，所以第5錘數(shù)據(jù)為強(qiáng)夯機(jī)工作的靜強(qiáng)度依據(jù)，因此按正常工作時的承載來考慮橫梁疲勞強(qiáng)度，即選取試驗(yàn)第3次夯實(shí)時的數(shù)據(jù)進(jìn)行橫梁疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算。

4.2 橫梁疲勞許用應(yīng)力確定

4.2.1 橫梁工作級別選擇

橫梁作為強(qiáng)夯機(jī)工作的重要結(jié)構(gòu)件，參照起重機(jī)的使用等級和其載荷狀態(tài)級別及載荷譜系數(shù)，按照結(jié)構(gòu)件的使用等級和其應(yīng)力狀態(tài)級別及應(yīng)力譜系數(shù)，確定橫梁的工作級別為E6。

4.2.2 橫梁應(yīng)力集中等級選擇

橫梁為箱形結(jié)構(gòu)件，由上、下翼板與兩個腹板焊接而成，而內(nèi)部還有橫隔板和副腹板與其焊接，且橫隔板和副腹板與上翼板不焊接。根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》中構(gòu)件連接的應(yīng)力集中情況等級和構(gòu)件接頭形式，查得橫梁應(yīng)力集中等級為K2。

4.2.3 橫梁疲勞許用應(yīng)力計算

橫梁材料采用Q345，由《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》表33查得疲勞許用應(yīng)力基本值［σ-1］＝95.6 MPa，因橫梁卸載后σmin＝0，所以其應(yīng)力循環(huán)特性值r＝0，由-1≤r≤0，橫梁上翼緣板受壓，查表31得壓縮疲勞許用應(yīng)力［σrc］＝2［σ-1］／（1-r）＝2［σ-1］＝191.2 MPa，剪切疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力［τr］＝［σrc］／＝191.2／＝110.39 MPa。

4.3 橫梁支撐力和剪切力計算

4.3.1 橫梁支撐力計算

根據(jù)表1知，第3次夯實(shí)時兩立柱底部第二節(jié)測試點(diǎn)截面的應(yīng)力分別為：

由此可知兩門架立柱承載力不同，造成橫梁偏斜而不是水平的；根據(jù)表1可知12，13測試點(diǎn)在各工況時數(shù)值差別不大，為了便于計算可看作橫梁基本水平。由于測試點(diǎn)在立柱底部第二節(jié)下端，則門架立柱測點(diǎn)截面受力分別為4σ門AA和4σ門BA（柱肢的面積A＝1 926.1 c m2），它們轉(zhuǎn)算成橫梁支撐力RA和RB時，應(yīng)減去上面立柱的自重Q＝3.617×104N及門架立柱受壓彎曲產(chǎn)生的力（產(chǎn)生的彎矩很小可忽略），那么RA＝4σ門AA-Q＝29.242×104N；RB＝4σ門BA-Q＝32.151×104N。

4.3.2 橫梁剪切力計算

由于橫梁兩邊的支撐力不同，中間部分可看成均布載荷，若不考慮橫梁自重的影響，則靠近門架B的橫梁（在均布載荷之外）剪切力FB＝RB，靠近門架A的橫梁（在均布載荷之外）剪切力FA＝RA。

4.4 橫梁均布載荷處截面性質(zhì)計算

橫梁腹板寬b＝360 mm，高h(yuǎn)＝550 mm，厚δ＝20 mm；副腹板厚δ′＝16 mm。由于橫梁與立柱的連接銷軸孔在離下翼板200 mm，則橫梁中部截面慣性矩為：

靜矩為：

4.5 橫梁疲勞強(qiáng)度的計算

4.5.1 橫梁中部疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)橫梁兩邊的支撐力不同可知，橫梁的最大彎矩位置在門架B那邊靠近中心處，此時剪切力為零，為了便于計算彎矩就按中心計算：

其中：Wx為橫梁關(guān)于x軸的凈抗彎截面系數(shù)；y為橫梁上計算點(diǎn)距x軸的距離，y＝350 mm。因剪切力τmax＝0 MPa，根據(jù)疲勞強(qiáng)度公式：｜σmax｜＜［σrc］，σmax＝155.02 MPa＜［σrc］＝191.2 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

4.5.2 橫梁距中心處225 mm變截面處的疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算

此處所受的彎矩為：

最大應(yīng)力為：

5 結(jié)論

橫梁屬于重要的結(jié)構(gòu)件，在工作前應(yīng)檢查上下翼板與腹板之間的焊縫及出現(xiàn)疲勞裂紋幾率高的上翼板中部及均布載荷開始處?？砂凑諜M梁的疲勞應(yīng)力許用值來控制橫梁的疲勞應(yīng)力，尤其是長期在高能級強(qiáng)夯工作中使用的橫梁，雖然沒有出現(xiàn)裂紋等，但為了安全，可將其用在低能級強(qiáng)夯施工中。

［1］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB／T3811-2008起重機(jī)械設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009：3-9，53-56.

［2］徐格寧.機(jī)械裝備金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1990.

［4］胡宗武，汪西應(yīng)，汪春生.起重機(jī)設(shè)計與實(shí)例［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.