現(xiàn)代測(cè)試分析方法在鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)與修復(fù)中的應(yīng)用

摘要：文章介紹了塔吊式卸船機(jī)鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)工藝，利用有限元建模分析和應(yīng)力測(cè)試分析計(jì)算確定維修工藝，從高塔吊鋼結(jié)構(gòu)局部的模型有限元分析，介紹了德國(guó)的“MOPS模塊式信號(hào)采集系統(tǒng)”，提出了影響港口設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠性的幾大因素，強(qiáng)調(diào)了港口設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)維修檢修的必要性。

關(guān)鍵詞：高塔吊；鋼結(jié)構(gòu)開(kāi)裂；有限元建模分析；應(yīng)力測(cè)試；現(xiàn)代測(cè)試分析方法 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TU391 文章編號(hào)：1009-2374（2015）05-0060-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0362

秦皇島港股份有限公司礦石碼頭三臺(tái)高塔吊由德國(guó)高華港口技術(shù)有限公司制造，于2004年正式投產(chǎn)使用。設(shè)計(jì)起重能力50t，作業(yè)回轉(zhuǎn)半徑11～48米，整機(jī)系統(tǒng)由機(jī)械電器兩大部分組成。由走行、臂架俯仰、回轉(zhuǎn)、電器等系統(tǒng)組成。三臺(tái)高塔吊于2006年先后在卷?yè)P(yáng)機(jī)房配重支撐梁根部出現(xiàn)焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象，后經(jīng)增加馬鞍型蓋板加強(qiáng)修復(fù)后繼續(xù)使用。在此之后鋼結(jié)構(gòu)多次出現(xiàn)其他形式的輕微鋼結(jié)構(gòu)開(kāi)裂問(wèn)題，都已陸續(xù)修復(fù)。2013年4月又發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)軸承下方四個(gè)支撐板與平臺(tái)焊縫和支撐板母材本身出現(xiàn)不同程度的開(kāi)裂，且三臺(tái)均出現(xiàn)相似問(wèn)題，開(kāi)裂位置與日常工作角度一致，此次鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問(wèn)題情況較嚴(yán)重，為解決這一問(wèn)題，相關(guān)技術(shù)人員利用德國(guó)CAESAR公司制造的“MOPS模塊式信號(hào)采集系統(tǒng)”對(duì)高塔吊主體鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行無(wú)損探傷檢查。

1 鋼結(jié)構(gòu)開(kāi)裂測(cè)試結(jié)果及分析

首先我們做了有限元分析，定性計(jì)算塔吊在三種工作位置時(shí)應(yīng)力分布。其中配重152t，起吊載荷30t，塔吊上部重量117t。

圖1

根據(jù)對(duì)簡(jiǎn)化模型的有限元分析，塔吊基座內(nèi)的凹形筋板應(yīng)力狀態(tài)，受壓側(cè)筋板有應(yīng)力集中，位置在筋板焊腳和凹形內(nèi)角處。

鋼結(jié)構(gòu)測(cè)試工作中應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的選取是在有限元計(jì)算結(jié)果及使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題部位來(lái)確定。測(cè)點(diǎn)選擇依據(jù)為：有限元計(jì)算結(jié)果較大部位、承擔(dān)動(dòng)載荷的主要部位以及日常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題的部位。

布貼單向應(yīng)變片各測(cè)點(diǎn)，應(yīng)力σ=E·ε（E：楊氏模量；ε：實(shí)測(cè)應(yīng)變）

布貼45°三向應(yīng)變花各測(cè)點(diǎn)，主應(yīng)力大小按照下列公式進(jìn)行合成：

其中、、分別為0°、45°、90°三個(gè)方向的應(yīng)變，以抓斗放于地面，鋼絲繩處于松弛狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力為初始應(yīng)力零點(diǎn)。測(cè)試抓斗抓料時(shí)各測(cè)點(diǎn)的工作應(yīng)力。應(yīng)力變化較劇烈的幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)如表1：

表1

序號(hào) 測(cè)點(diǎn)

編號(hào) 測(cè)點(diǎn)位置 應(yīng)力變化（MPa）

1 4 靠近垂直開(kāi)裂處的馬鞍型蓋板附近處 -114.1～7.2

2 5 靠近垂直開(kāi)裂處的馬鞍型蓋板根部處 -175.9～13.1

3 12 靠近電器室的馬鞍型蓋板根部處 -170.1～13.2

4 LX2 陸側(cè)西邊圓弧立板小圓角處 -86.6～60.1

5 HD1 海側(cè)東邊圓弧立板角點(diǎn)處 -65.7～38.9

6 HX2 海側(cè)西邊圓弧立板小圓角處 -25.3～120.6

從以上測(cè)試情況可看出，高塔吊鋼結(jié)構(gòu)多個(gè)部位應(yīng)力較大且為交變載荷，為設(shè)備安全運(yùn)行埋下隱患，綜合有限元計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，塔吊主要鋼結(jié)構(gòu)焊縫和母材的破壞形式為交變載荷引起的疲勞破壞。影響其變化主要因素有以下五點(diǎn)：（1）受力不均導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)變形，如操作不當(dāng)、連接螺母松動(dòng)、長(zhǎng)期超載等；（2）鋼結(jié)構(gòu)裂紋，由于在操作過(guò)程中，啟動(dòng)或制動(dòng)過(guò)猛，在運(yùn)轉(zhuǎn)中換速過(guò)快，反車(chē)時(shí)緊急制動(dòng)，造成鋼結(jié)構(gòu)沖擊力增大，由于其慣性力過(guò)大導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生裂紋，尤其焊縫開(kāi)裂；（3）塔機(jī)疲勞，由于塔機(jī)過(guò)度使用，使其疲勞強(qiáng)度降低，加上違章作業(yè)，超載運(yùn)作，造成鋼結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，產(chǎn)生不穩(wěn)定交變應(yīng)力；（4）爬爪不到位，在作業(yè)過(guò)程中，由于操作員的疏忽，造成爬爪不當(dāng)，致使塔機(jī)鋼結(jié)構(gòu)受力不均，影響其結(jié)構(gòu)發(fā)生變形或損壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致塔機(jī)事故的發(fā)生，機(jī)毀人亡。（5）鋼絲繩斷裂，由于鋼絲繩長(zhǎng)期的使用，保養(yǎng)不到位，日常檢查的疏忽，在作業(yè)過(guò)程中鋼絲繩突然斷裂，塔機(jī)鋼結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊力的影響，輕者產(chǎn)生局部鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生變形出現(xiàn)裂紋，重者造成塔機(jī)傾翻?？傊?，影響塔吊鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的因素很多。因此，在日常作業(yè)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行作業(yè)，避免塔吊急速重載提升和提升過(guò)程高速回轉(zhuǎn)。特別是回轉(zhuǎn)以上部位，各測(cè)點(diǎn)工作時(shí)應(yīng)力水平主要是由于載荷工況不一樣所致，各測(cè)點(diǎn)在設(shè)備工作抓斗重載起升時(shí)，應(yīng)力變化較為劇烈，特別是在抓斗起升伴隨回轉(zhuǎn)的過(guò)程中應(yīng)力變化最為劇烈?？紤]到工作時(shí)的連續(xù)性和循環(huán)特性應(yīng)加強(qiáng)日常定期或不定期檢查和檢測(cè)，確保塔吊作業(yè)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，安全無(wú)事故。

2 改造方案

針對(duì)測(cè)試結(jié)果和鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)存問(wèn)題，我們根據(jù)測(cè)試情況和有限元建模分析，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的隱患部位和薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了改造維修。包括旋轉(zhuǎn)機(jī)房?jī)缮乳T(mén)角8塊板的加固；旋轉(zhuǎn)機(jī)房?jī)?nèi)鞍形板和其下母板裂紋的修補(bǔ)，用角磨機(jī)按照裂紋方向進(jìn)行打磨，同時(shí)做間斷的著色探傷，直到看不到裂紋為止，打出坡口，進(jìn)行補(bǔ)焊；旋轉(zhuǎn)機(jī)房鞍形板下角位置加固三角形筋板；旋轉(zhuǎn)機(jī)房?jī)?nèi)靠卷?yè)P(yáng)機(jī)房一側(cè)兩頂角處加固梯形板；從旋轉(zhuǎn)機(jī)房進(jìn)卷?yè)P(yáng)機(jī)房門(mén)口處三個(gè)立柱從底部切掉三角形料以去應(yīng)力；卷?yè)P(yáng)機(jī)房底座兩位置加固小梯形；卷?yè)P(yáng)機(jī)房減速箱支撐立柱與機(jī)房地板穿接處焊縫開(kāi)裂處理；卷?yè)P(yáng)機(jī)房、旋轉(zhuǎn)機(jī)房頂部外側(cè)與塔身螺栓上部位加三角形板加固；卷?yè)P(yáng)機(jī)房、旋轉(zhuǎn)機(jī)房頂部外側(cè)與塔身螺栓下部位加類(lèi)似V形板加固。

圖2

維修前確定卸掉塔吊負(fù)載，包括塔吊本身臂架用工裝支起，卸掉塔吊150t配重等。維修改造方案都嚴(yán)格進(jìn)行了分析計(jì)算，以旋轉(zhuǎn)機(jī)房下部鞍形板去應(yīng)力加固為例，我們對(duì)提出的兩套改造方案分別建模分析：一是將開(kāi)裂母材切割半徑600mm，增加三角形加固鋼板，二是在開(kāi)裂處割除開(kāi)裂的R50mm。比較后切割半徑600mm后的橫截面最大應(yīng)力102N/mm?，而切割半徑50mm后橫截面最大應(yīng)力為125N/mm?，即使切割的橫截面更小。

相關(guān)技術(shù)人員采取了如下的維修加固方案，將原母材開(kāi)裂處切割半徑600mm，并在原弧形馬鞍板下增加兩三角形筋板加強(qiáng)，加固鋼板材料為Q345D，如圖3：

圖3

改造后設(shè)備運(yùn)行至今狀態(tài)良好，未出現(xiàn)重復(fù)開(kāi)裂和其他鋼結(jié)構(gòu)問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

港口設(shè)備工作頻度非常大，由于運(yùn)轉(zhuǎn)速度較快，動(dòng)載沖擊較大，長(zhǎng)期高頻度的運(yùn)轉(zhuǎn)，可能會(huì)對(duì)設(shè)備的鋼結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的損傷；由于設(shè)計(jì)考慮不周、材料選擇不當(dāng)、制造安裝工藝錯(cuò)誤等因素，造成結(jié)構(gòu)件局部應(yīng)力集中，長(zhǎng)期運(yùn)行產(chǎn)生疲勞裂紋擴(kuò)展，也對(duì)設(shè)備可靠性和安全造成較大威脅；同時(shí)金屬構(gòu)件的失穩(wěn)、腐蝕、異常震動(dòng)、維護(hù)不當(dāng)?shù)雀鞣N因素也會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的傷害。因此利用現(xiàn)代測(cè)試分析方法和技術(shù)加強(qiáng)港口機(jī)械設(shè)備的安全管理，保證港口機(jī)械設(shè)備技術(shù)性能經(jīng)常處于良好狀態(tài)、避免突發(fā)故障、掌握控制漸發(fā)性故障和偶發(fā)性故障的發(fā)生，確保港口機(jī)械設(shè)備安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，對(duì)港口生產(chǎn)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)效益的提高有著極其重要的意義。

作者簡(jiǎn)介：曹金羅（1980-），男，河北灤南人，秦皇島港股份有限公司雜貨港務(wù)分公司工程師，研究方向：港口設(shè)備管理。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）