火災(zāi)后高空作業(yè)平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)性能分析與試驗(yàn)

李 豪，陳里楠，魏 興，洪 波，李 超，申展超

（1.大連益利亞工程機(jī)械有限公司，遼寧大連 116025；2.大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧大連 116021；3.大連益網(wǎng)科技有限公司，遼寧大連 116025）

0 引言

S-100型高空作業(yè)平臺(tái)是由美國(guó)特雷克斯（Terex）集團(tuán)下屬的吉尼（Genie）公司生產(chǎn)的一款自行式直臂高空作業(yè)平臺(tái)。圖1是該產(chǎn)品的整機(jī)模型。該產(chǎn)品高達(dá)30 m的平臺(tái)最大舉升高度，可滿足部分行業(yè)在高空焊接、打磨和火焰切割等方面的操作需求。

圖1 S-100型高空作業(yè)平臺(tái)外觀模型

一臺(tái)S-100型高空作業(yè)平臺(tái)在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過程中，因操作不當(dāng)發(fā)生火災(zāi)。為節(jié)約成本，擬對(duì)該設(shè)備進(jìn)行維修，并對(duì)受熱的直臂和轉(zhuǎn)臺(tái)部分進(jìn)行試驗(yàn)分析，以確定是否進(jìn)行加固或更換受熱的鋼結(jié)構(gòu)。

對(duì)平臺(tái)的鋼結(jié)構(gòu)取樣并進(jìn)行金相分析會(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞，而且對(duì)不明確的鋼結(jié)構(gòu)材料的分析過程周期較長(zhǎng)、成本偏高。為了保證設(shè)備今后的使用安全性，并降低鋼結(jié)構(gòu)的檢修成本，擬對(duì)火災(zāi)后的高空作業(yè)平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行受熱狀態(tài)分析和危險(xiǎn)工況的有限元計(jì)算分析，然后編制設(shè)備維修后的試驗(yàn)方案，以驗(yàn)證該設(shè)備的性能是否能達(dá)到原先的技術(shù)要求。

1 現(xiàn)場(chǎng)情況和維修方案

1.1 現(xiàn)場(chǎng)情況

起火原因：平臺(tái)抬升至半空后進(jìn)行火焰切割操作，高溫碎屑掉落至平臺(tái)的轉(zhuǎn)臺(tái)上，隨即熔化了轉(zhuǎn)臺(tái)上塑料燃油箱的外殼，引燃了燃油箱中的柴油。消防人員趕到后，使用消防水槍將火撲滅?；馂?zāi)導(dǎo)致塑料柴油箱完全燒毀，發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓元件等全部報(bào)廢，伸縮臂及轉(zhuǎn)臺(tái)的受熱部分油漆脫落。S-100平臺(tái)滅火后的情況見圖2。

圖2 S-100型高空作業(yè)平臺(tái)滅火后現(xiàn)場(chǎng)

受熱情況：伸縮臂的根鉸點(diǎn)至變幅油缸鉸點(diǎn)，以及轉(zhuǎn)臺(tái)的兩側(cè)墻板為主要受熱區(qū)域（圖3），即可能發(fā)生金相轉(zhuǎn)變的部位。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)的主要受熱部位

1.2 維修方案

（1）更換發(fā)動(dòng)機(jī)、燃油箱、臂架伸縮機(jī)構(gòu)零部件、液壓元件、輪胎等部件；

（2）分析鋼結(jié)構(gòu)的受損情況，并重新進(jìn)行承載性能試驗(yàn)。試驗(yàn)合格后，該設(shè)備方可再次投入使用。

2 鋼結(jié)構(gòu)的性能分析

2.1 鋼結(jié)構(gòu)的受熱狀態(tài)分析

因塑料燃油箱起火，導(dǎo)致柴油外溢。柴油外溢后雖然使整臺(tái)設(shè)備的著火面積增大，但火焰集中而持續(xù)燃燒的時(shí)間縮短。另外，發(fā)生火情后及時(shí)撲滅了明火，也縮短了火焰加熱的時(shí)間。綜合上述因素分析，此次火災(zāi)沒有導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過燒現(xiàn)象。

模擬油庫(kù)發(fā)生火災(zāi)的環(huán)境下，持續(xù)0.5 h加熱鋼材試件，之后再用噴水冷卻的方式降溫，試件中的化學(xué)元素C的含量降低約0.03%，S的含量降低約0.006%，Mn的含量降低約0.08%，P和Si的含量幾乎無變化。鋼材試件的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有所下降，最大降幅9%，最小降幅2%[1]。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)的有限元分析

S-100高空作業(yè)平臺(tái)直臂的鋼結(jié)構(gòu)材料為BS600，轉(zhuǎn)臺(tái)的鋼結(jié)構(gòu)材料為Q345，兩種材料的屈服強(qiáng)度在火災(zāi)之都下降了9%。因此，分別求得BS600和Q345兩種材料的許用應(yīng)力為273 MPa 和 156.98 MPa[2][3][4]。

通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪的同型號(hào)產(chǎn)品的鋼結(jié)構(gòu)尺寸，可計(jì)算出平臺(tái)各個(gè)部件的重量：工作平臺(tái)340 kg，調(diào)平油缸45 kg，伸縮油缸925 kg，伸縮臂臂節(jié)1重 1010 kg，伸縮臂臂節(jié)2重635 kg，伸縮臂臂節(jié)3重380 kg。

查閱吉尼公司的產(chǎn)品樣本[5]，得知S-100的作業(yè)區(qū)間圖，其額定載荷為340 kg，見圖4。

圖4 S-100的作業(yè)區(qū)間

根據(jù)S-100的作業(yè)區(qū)間圖計(jì)算出危險(xiǎn)工況時(shí)伸縮臂的仰角、臂長(zhǎng)，再考慮到高空作業(yè)平臺(tái)運(yùn)行時(shí)動(dòng)載荷的影響，確定計(jì)算工況（表1），其中1.25為動(dòng)力載荷系數(shù)[2]。

用有限元分析軟件 ANSYS的 Shell63，Link10，Mass21單元，分別建立伸縮臂和轉(zhuǎn)臺(tái)的有限元模型，并加載計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示。計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表2，表3。

表1 計(jì)算工況

圖5 伸縮臂模型有限元分析結(jié)果

圖6 轉(zhuǎn)臺(tái)模型有限元分析結(jié)果

表2 伸縮臂有限元分析結(jié)果

表3 轉(zhuǎn)臺(tái)有限元分析結(jié)果

表4 S-100整機(jī)的試驗(yàn)方案

3 承載性能檢測(cè)試驗(yàn)

為驗(yàn)證使用性能的計(jì)算結(jié)果是否滿足使用要求，需要在整車修理完畢之后進(jìn)行承載性能檢測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)方案按照空載、額定載荷、超載動(dòng)載荷3種工況順序進(jìn)行。3種工況下，分別在工作平臺(tái)加載不同的載荷。為了安全起見，不得操作復(fù)合動(dòng)作。整機(jī)的試驗(yàn)方案見表4，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和故障記錄見表5。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況見圖7。

表5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和故障記錄

4 結(jié)論

由表5中的試驗(yàn)記錄可知，火災(zāi)后S-100的各項(xiàng)危險(xiǎn)工況的作業(yè)性能與火災(zāi)之前差異不大，在額定載荷工況下的撓度滿足要求，在超載工況下未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效。試驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果接近，滿足該設(shè)備原始使用要求。

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況

［1］強(qiáng)旭紅，羅永峰，羅準(zhǔn)，張立華.鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件火災(zāi)后材料性能試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2009，42（7）：28-33.

［2］GB 25849—2010移動(dòng)式升降工作平臺(tái)-設(shè)計(jì)計(jì)算、安全要求和測(cè)試方法［S］.2010.

［3］寶山鋼鐵股份有限公司.工程機(jī)械用高強(qiáng)度熱連軋結(jié)構(gòu)鋼產(chǎn)品手冊(cè)［R］.2009.

［4］GB/T 1591—2008低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼［S］.2008.

［5］Genie，Specifications S-100 S-105［R］.2013.

［6］GB/T 9465—2008 高空作業(yè)車［S］.2008.