平頭塔機(jī)起重臂斷裂失效分析

張 楨馬 俊黃豪華黃國健

（1.廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院 廣州 510663）

（2.中建三局第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司 武漢 430040）

平頭塔機(jī)起重臂斷裂失效分析

張 楨1馬 俊1黃豪華2黃國健1

（1.廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院 廣州 510663）

（2.中建三局第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司 武漢 430040）

本文以一臺(tái)QTZ125平頭塔式起重機(jī)的起重臂與平衡臂連接節(jié)（以下簡稱A節(jié)）為研究對象，對該節(jié)使用中發(fā)生的主要受力桿件失效斷裂進(jìn)行理論分析與試驗(yàn)測試。采用ANSYS力學(xué)分析模塊對塔機(jī)起重臂和平衡臂節(jié)建模分析，模擬塔機(jī)使用工況下A節(jié)主要受力桿件的受力情況，經(jīng)計(jì)算得出斷裂桿件及焊接部位局部應(yīng)力過大。為了驗(yàn)證建模分析的可信度，對同型號(hào)塔機(jī)A節(jié)斷裂桿件及其相鄰主要受力桿件進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)變測試，測試結(jié)果與模型分析結(jié)果相一致。本文提出了有效降低失效桿件局部應(yīng)力的維修方案及其優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的建議。

平頭塔機(jī) 起重臂 斷裂

塔式起重機(jī)（tower crane）簡稱塔機(jī)，起源于西歐，其發(fā)展已歷經(jīng)幾十年歷史，近年來針對塔機(jī)的研究主要涉及到靜態(tài)、穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)特性等諸多方面［1-5］。塔機(jī)中一個(gè)重要產(chǎn)品類型——平頭（Flat-top）塔機(jī)，沒有塔頂和起重臂拉桿，其起重臂可在空中逐段裝拆，大大降低拆裝塔機(jī)對所需起重設(shè)備起重能力和作業(yè)環(huán)境的限制，具有吊裝覆蓋面積廣、群塔交叉作業(yè)干擾小、抗風(fēng)能力強(qiáng)、拆裝快速等特點(diǎn)。

盡管平頭塔機(jī)在國外已有三十多年的發(fā)展史，然而由于平頭式塔機(jī)在我國應(yīng)用起步較晚，無論是設(shè)計(jì)理論和應(yīng)用水平都落后于國外。近年來大型社區(qū)、高層建筑的建設(shè)需求帶動(dòng)了平頭式塔機(jī)的快速發(fā)展，涉及平頭式塔機(jī)的研究開始逐漸增多，如對機(jī)構(gòu)的選型原則與設(shè)計(jì)方法的研究［6］，焊接裂紋擴(kuò)展和載荷時(shí)間歷程對塔機(jī)疲勞壽命影響的研究［7-8］，塔機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參數(shù)化建模理論及應(yīng)用等［9-11］。

在前述研究基礎(chǔ)上，本文針對一起平頭塔機(jī)起重臂斷裂事故進(jìn)行分析，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用動(dòng)態(tài)應(yīng)變測試、ANSYS有限元分析相結(jié)合的方式分析其結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)受力情況，并提出優(yōu)化建議。

1 基本情況

某型號(hào)為QTZ125的平頭塔機(jī)起重臂架最長由8個(gè)節(jié)組成，截面為正三角形，上下弦桿材料為Q345C（16Mn），方形截面，彈性模量206GPa，泊松比0.3，密度7800kg/m3。各節(jié)的上下弦桿以及腹桿鋼型號(hào)不相同，為變截面結(jié)構(gòu)。其中A節(jié)作為起重臂與平衡臂的一部分，如圖1所示。

圖1 A節(jié)及平衡臂示意圖

塔機(jī)主要參數(shù)及起重特性表見表1、表2。

表1 平頭塔機(jī)主要參數(shù)

表2 60m臂時(shí)各幅度對應(yīng)起重量

在工地轉(zhuǎn)場使用近5年后，A臂節(jié)起重臂與回轉(zhuǎn)節(jié)連接處呈階梯形斷裂（如圖2所示）。針對該平頭塔機(jī)起重臂斷裂事故，擬根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用動(dòng)態(tài)應(yīng)變測試、ANSYS有限元分析相結(jié)合的方式分析其結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)受力情況。

圖2 A臂節(jié)斷裂部位

2 建模與計(jì)算

2.1 單元類型選擇

塔機(jī)是空間實(shí)體，選用三維有限元單元，按現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范及塔機(jī)受載特征，單元類型選用BEAM188單元，因?yàn)锽EAM188單元可以自定義單元的截面形狀，可以較好地再現(xiàn)角鋼組合、方鋼、圓管等實(shí)際形狀，使計(jì)算更接近實(shí)際。

2.2 材料屬性

塔機(jī)常用主要構(gòu)件的材料為Q345，其許用應(yīng)力為： ［σ］=345/1.34=257MPa。考慮材料焊接、疲勞及應(yīng)力集中等因素，對基本許用應(yīng)力進(jìn)行修正后為185.8MPa［9］；起重臂腹桿材料為Q235，其許用應(yīng)力為：

根據(jù)塔式起重機(jī)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及失效部位，確定研究對象為起重臂和平衡臂，因此不考慮塔身受力情況。塔機(jī)主要部件選用的截面尺寸和在ANSYS中選用的Beam188單元時(shí)單元的實(shí)常數(shù)見表3。

1）塔身、吊臂主弦桿和腹桿的每個(gè)連接點(diǎn)根據(jù)實(shí)際尺寸都建立了節(jié)點(diǎn)，另外每節(jié)塔身、吊臂的連接點(diǎn)也建立了節(jié)點(diǎn)，保證有限元模型與塔機(jī)在幾何上相同。

2）采用mass21單元質(zhì)量點(diǎn)施加平衡重、起升機(jī)構(gòu)重力。

3）對結(jié)果影響不大的局部結(jié)構(gòu)（如鋼絲繩等）由于它們的質(zhì)量和整個(gè)塔機(jī)相比顯得很小，對結(jié)果影響不大，為建立模型方便不予考慮。

表3 QTZ125塔機(jī)鋼結(jié)構(gòu)和單元的實(shí)常數(shù) mm

4）簡化起重臂模型設(shè)計(jì)，變截面部分采用質(zhì)量、重力、力矩等效處理，保證A節(jié)以后各節(jié)起重臂相對A節(jié)的施加力矩和起重量與實(shí)際相同。

2.3 載荷與約束

根據(jù)載荷各種最不利工況下的組合，以工作幅度16.2m，吊重1.25倍額定載荷進(jìn)行分析。

1）自重：起重臂、平衡臂的結(jié)構(gòu)自重，g=9.8m/s2。

2）A節(jié)以后起重臂相對于A節(jié)的重力補(bǔ)償。

3）吊重載荷：分三種工況計(jì)算，工況1考慮塔機(jī)起升載荷時(shí)動(dòng)載系數(shù)為1.25，載荷按塔機(jī)吊鉤滑輪組與最大額定載荷之和的1.25倍對應(yīng)的力矩考慮，工況2按塔機(jī)起吊最大額定載荷的力矩計(jì)算。工況3僅計(jì)算塔機(jī)自重的影響。

4）不考慮風(fēng)載荷、坡度載荷。

5）塔身與起重臂連接處約束線位移Ux=0；Uy=0；Uz=0；角位移ROTx=0；ROTz=0。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

通過ANSYS加載求解器和通用后處理器求解、提取并輸出應(yīng)力結(jié)果，斷裂桿A-A與相鄰桿A-B分別在自重和載荷受力作用下的計(jì)算應(yīng)力值見表4，相應(yīng)的應(yīng)力云圖如圖3和圖4所示。由仿真分析可知，A-A桿在載荷工況下壓應(yīng)力183.4MPa，自重?zé)o載時(shí)拉應(yīng)力113.4MPa。A-B桿加載時(shí)拉應(yīng)力140.6MPa，卸載后壓應(yīng)力115.9MPa?？梢娛┘宇~定載荷與卸載對A-A桿、A-B桿件應(yīng)力影響較大，分別是203.1MPa和175.5MPa。

表4 不同工況下A-A桿、A-B桿受力情況 MPa

圖3 額定載荷時(shí)A-A桿、A-B桿應(yīng)力云圖

圖4 自重時(shí)A-A桿、A-B桿應(yīng)力云圖

3 動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)概況

1）儀器與參數(shù)

應(yīng)力測試采用TMR-200多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其具有16通道1/4橋轉(zhuǎn)全橋測量，采樣頻率100Hz，激勵(lì)橋壓2V。

2）貼片位置

塔機(jī)安裝高度36.8m，貼片位置如圖5所示，其中1、3點(diǎn)位于A-A桿中間位置；1、5點(diǎn)為同一根桿相同位置的反面；2點(diǎn)位于A-A桿接近下弦桿處；4點(diǎn)位于A-B桿中間位置。

3）加載方案

參照表2并結(jié)合現(xiàn)場情況選擇了幅度30m，起重量4000kg。吊鉤空載離地調(diào)零，加載后測讀。變幅小車在臂根處起升4t重物，小車20m/min速度向幅度增大方向行駛，行至額定力矩所對應(yīng)的幅度30m處停止，待穩(wěn)定后做180°回轉(zhuǎn)并起升動(dòng)作，待穩(wěn)定后小車向幅度減小方向運(yùn)動(dòng)，卸載復(fù)位。重復(fù)該過程。

圖5 應(yīng)變片貼片位置分布圖

3.2 試驗(yàn)過程與結(jié)果分析

試驗(yàn)過程共分為試驗(yàn)準(zhǔn)備、起重加載、小車變幅、到達(dá)額定幅度回轉(zhuǎn)起升、減小幅度卸載、回位清零6個(gè)過程，詳見圖6、圖7測點(diǎn)應(yīng)力變化趨勢圖。1、2、3、5點(diǎn)位于A-A桿，應(yīng)力變化趨勢是一致的與A-B桿上的測點(diǎn)4應(yīng)力變化相反。

圖6 1,2,3,5號(hào)點(diǎn)應(yīng)變曲線變化趨勢圖

圖7 4號(hào)店應(yīng)變曲線變化趨勢圖

試驗(yàn)過程中已排除塔機(jī)自身重力對桿件應(yīng)力的影響，測量結(jié)果反映的是空載與額定載荷桿件受力的變化值，見表5。

表5 各測點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)對比表 MPa

對比測試數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：1）測點(diǎn)1、2、3、5受額定載荷受壓，即桿件A-A桿受壓應(yīng)力；2）測點(diǎn)4位于A-B桿受拉應(yīng)力；3）塔機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算自重應(yīng)力A-A桿受拉應(yīng)力113.5MPa，測點(diǎn)3對載荷響應(yīng)應(yīng)力為-193.6MPa，故受額定載荷作用桿A-A桿的實(shí)際應(yīng)力為80.1MPa，與建模計(jì)算數(shù)據(jù)80.7MPa基本一致。可見，兩次試驗(yàn)數(shù)據(jù)有較好的重復(fù)性且與建模分析結(jié)論相一致。

通過數(shù)據(jù)分析，還可以發(fā)現(xiàn)，由于A-A桿、A-B桿截面積較大，在載荷作用下受有彎矩作用，尤其在下弦桿交匯處位置受交變載荷的影響。可由測點(diǎn)1與5應(yīng)力相差44.1MPa，測點(diǎn)2與測點(diǎn)3數(shù)據(jù)差距較大得以證實(shí)。

4 失效分析與建議

建模與試驗(yàn)數(shù)據(jù)均表明額定載荷對失效桿應(yīng)力影響較大，如1.25倍沖擊額定載荷時(shí)失效桿件的應(yīng)力接近許用應(yīng)力可達(dá)183.4MPa，桿件應(yīng)力變化為296.8MPa。A臂節(jié)在臂架焊接交匯處長期受較大交變載荷影響，容易產(chǎn)生金屬疲勞失效?，F(xiàn)場檢查還發(fā)現(xiàn)斷裂處焊縫有虛焊、焊縫厚度不足等現(xiàn)象則加大了失效的可能。

對失效桿件的維修以加強(qiáng)為主，對桿件A-A進(jìn)行貼板加厚優(yōu)化桿件受力情況，對斷裂部位采用Q345鋼板與A-A桿和底座直接焊接，使原斷裂部位不再受力，維修后使用6個(gè)月未再失效。

基于A節(jié)的受力情況，為改善桿件受力情況，建議今后可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。

1）起重臂腹桿采用Q345代替Q235材料。

2）增大A-A桿、A-B桿的橫截面或材料厚度。

3）A-A桿、A-B桿與起重臂主肢直接方管燒焊連接改為通過節(jié)點(diǎn)板連接，以降低連接處的剛性，減少腹桿底部應(yīng)力。

5 結(jié)論

本文以塔機(jī)起重臂斷裂為例，利用ANSYS有限元分析和動(dòng)態(tài)應(yīng)變測試相結(jié)合的方式對塔機(jī)起重臂工況受力分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，找出失效原因并提出修復(fù)及優(yōu)化建議。本研究為塔機(jī)起重臂失效提供了有效技術(shù)分析與驗(yàn)證路線，為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論與數(shù)據(jù)支撐。

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Failure Analysis of Boom Fracture in Flat-top Tower Crane

Zhang Zhen1Ma Jun1Huang Haohua2Huang Guojian1
（1. Guangzhou institute of special mechanical and electrical equipment inspection Guangzhou 510663）
（2. The fi rst construction engineering limited company of China construction third engineering bureau Wuhan 430040）

One metal rod of the section （hereinafter referred to as A section） between the loading arms and level arms of one QTZ125 flat-top tower crane is cracked. This paper presents to find the reason of the fracture. ANSYS was used to analysis the stresses of working conditions of A section. Excessive local stress is founded at the crosses of the fracture rods and the welding position by solving the calculator. In order to validate the modeling results，dynamic strain test is used to the A section and the neighboring rods of the same type crane. The test result is consistent with the model analysis results. Repairing scheme and the feasible optimization measures are given to effectively reduce the working local stress.

Flat-top tower crane Boom Crack

X941

B

1673-257X（2015）05-59-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.05.013

張 （1981～），男，碩士，工程師，主要從事失效分析與特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測，以及起重機(jī)安全評估技術(shù)研究。

2014-07-31）