塔式起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命研究

龐磊

摘 要：在建筑工程施工中，塔式起重機(jī)在提升物料方面發(fā)揮著重要的作用，尤其適用于空間較窄小的建筑工地，但實(shí)際應(yīng)用中易發(fā)生各類安全事故，如塔身及起重臂的疲勞損壞，引發(fā)交變荷載故障。塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用中需進(jìn)行系統(tǒng)化的鋼結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度計(jì)算。

關(guān)鍵詞：塔式起重機(jī)；鋼結(jié)構(gòu)；疲勞壽命

中圖分類號(hào)：TH213.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）09-0039-02

1 研究背景

塔式起重機(jī)具有工作效率高、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于建筑施工中，是建筑材料及施工設(shè)備調(diào)運(yùn)的重要工具。作為施工組織中的關(guān)鍵性施工裝備，塔式起重機(jī)有著一系列應(yīng)用技術(shù)要點(diǎn)，在實(shí)際施工過程中易發(fā)生各類安全事故，影響到建筑施工的正常開展，并造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。塔式起重機(jī)的故障主要源自塔身及平衡臂等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)欠合理、制造質(zhì)量不合格以及施工流程欠規(guī)范等。其中，塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)欠合理是造成起重機(jī)故障的主要原因，如鋼結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度損壞、應(yīng)力腐蝕等，造成鋼結(jié)構(gòu)的失效。從安全系數(shù)角度考慮提升塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，可在確保結(jié)構(gòu)尺寸及質(zhì)量優(yōu)異性能的基礎(chǔ)上最大限度提升起重機(jī)實(shí)際應(yīng)用性能，并延長起重機(jī)使用壽命。目前實(shí)際施工中所應(yīng)用的塔式起重機(jī)設(shè)備并未有效考慮鋼結(jié)構(gòu)疲勞失效的問題，影響到塔式起重機(jī)使用壽命。伴隨經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，塔式起重機(jī)設(shè)備的結(jié)構(gòu)疲勞性問題逐漸引發(fā)重點(diǎn)關(guān)注，成為塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。

2 塔式起重機(jī)的有限元模型和靜應(yīng)力

塔式起重機(jī)疲勞損傷及構(gòu)件受交變應(yīng)力影響時(shí)造成的失效現(xiàn)象，通常應(yīng)力作用難以達(dá)到材料及構(gòu)件的屈服極限，但長期反復(fù)作用下，易形成疲勞破壞，但一般無明顯塑性變形跡象，較難被察覺，具有較大的潛在危險(xiǎn)性，且疲勞端口處會(huì)出現(xiàn)纖維狀區(qū)域特征，分散性較強(qiáng)。起重機(jī)疲勞類型主要包括機(jī)械疲勞、熱疲勞以及腐蝕性疲勞等方面，分別由交變機(jī)械、溫度波動(dòng)、循環(huán)交變應(yīng)力及腐蝕性環(huán)境等影響因素引發(fā)，機(jī)械疲勞在塔式起重機(jī)中較為常見。

建立塔式起重機(jī)有限元模型見下圖1所示，三維網(wǎng)格模型包括630個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)以及1567個(gè)梁桿單元，有限元計(jì)算工況依據(jù)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境及特點(diǎn)選取，吊重分別位于起重臂最遠(yuǎn)端、內(nèi)外拉桿、起重臂根部等工況結(jié)構(gòu)，通過計(jì)算獲得各工況的靜應(yīng)力值。其中，起重臂最遠(yuǎn)端吊重工況中，靜應(yīng)力值分布見下圖2所示，可看出各工況靜應(yīng)力強(qiáng)度均符合設(shè)計(jì)要求。

3 應(yīng)力循環(huán)的轉(zhuǎn)化

塔式起重機(jī)應(yīng)力譜為各工況應(yīng)用中工程極值應(yīng)力的集合，如空載靜止及回轉(zhuǎn)工況、起吊及回轉(zhuǎn)工況等，通過單向荷載作用下應(yīng)力考核點(diǎn)應(yīng)力的有限元計(jì)算，可形成塔式起重機(jī)應(yīng)力譜以綜合評(píng)估各工程載荷下的應(yīng)力狀態(tài)。通常在塔式起重機(jī)工作中，桿件組件受不規(guī)則交變應(yīng)力影響較大，考慮到拉應(yīng)力與壓應(yīng)力不一致的影響，需設(shè)置剛性桁架平衡臂。由塔式起重機(jī)應(yīng)力譜可知，各結(jié)構(gòu)部位受力形式及狀態(tài)各異，受起吊載荷、回轉(zhuǎn)方向、風(fēng)荷載等的影響也較大，表現(xiàn)在應(yīng)力譜圖上即為橫軸上下兩部分，依據(jù)起重機(jī)作用規(guī)律，桿件正、反向受力大致相當(dāng)，則正、反向回轉(zhuǎn)啟動(dòng)次數(shù)也大致一致。為衡量主弦桿應(yīng)力狀態(tài)的變化，坐標(biāo)圖對(duì)稱軸選用零應(yīng)力點(diǎn)折線垂線，應(yīng)力譜負(fù)值部分翻轉(zhuǎn)后得到完整的應(yīng)力譜圖。

應(yīng)力循環(huán)轉(zhuǎn)化即利用應(yīng)力狀態(tài)的調(diào)整實(shí)現(xiàn)塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞影響因素的分析，通過古德曼圖線可衡量交變應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)性疲勞的影響程度及方式，依據(jù)古德曼圖線及應(yīng)力循環(huán)譜圖，（）為一個(gè)應(yīng)力循環(huán)，平均應(yīng)力，依據(jù)各應(yīng)力循環(huán)組最大應(yīng)力及最小應(yīng)力建立應(yīng)力組，由古德曼圖線方程，應(yīng)力幅，為破斷拉應(yīng)力，則等效對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力可通過計(jì)算得到，疲勞極限，在此基礎(chǔ)上建立各桿件的等效應(yīng)力譜圖。

4 起重機(jī)的疲勞壽命

起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)的壽命的分析需從疲勞分析入手，其安全工作年限在實(shí)際應(yīng)用中也較為關(guān)注，但疲勞壽命評(píng)估往往受各類因素的影響，需采取系統(tǒng)化評(píng)估手段，首先需理解基本的疲勞壽命評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)及方法，疲勞破壞通常經(jīng)歷成核階段、微觀裂紋階段、宏觀擴(kuò)展階段以及疲勞斷裂階段等，需通過高效的疲勞壽命分析不斷提升塔式起重機(jī)的工作可靠性與安全性。

塔式起重機(jī)可靠度約達(dá)90%以上，其等效對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力需依據(jù)各應(yīng)力考核點(diǎn)零構(gòu)件疲勞壽命曲線查得，即P-S-N曲線。曲線中包括LCF、HCF以及SF各段，分別為低周期、高周期以及無限壽命應(yīng)力區(qū)，依據(jù)P-S-N曲線可得到等效對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力疲勞壽命，S-N曲線的應(yīng)力與疲勞壽命呈以下關(guān)系特性：，適用于高周期疲勞應(yīng)力的分析。而當(dāng)?shù)刃?duì)稱應(yīng)力落在曲線的無限壽命階段，則，此階段中塔式起重機(jī)應(yīng)力考核點(diǎn)無疲勞損傷，分離無限壽命應(yīng)力值域后，對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力變化為。

在塔式起重機(jī)P-S-N曲線的高周期疲勞階段，可由等效對(duì)稱應(yīng)力對(duì)應(yīng)的作用方式及次數(shù)、壽命得到應(yīng)力考核點(diǎn)的損傷率值：。

但在塔式起重機(jī)實(shí)際工作中，存在一個(gè)等效對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力相互交叉的情況，造成疲勞壽命的分析較復(fù)雜，缺乏統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)，因此，為提升塔機(jī)疲勞壽命評(píng)價(jià)的有效性，建立等效對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力評(píng)價(jià)機(jī)制，設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力及標(biāo)準(zhǔn)作用次數(shù)，各等效對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力均以標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力及作用次數(shù)為依據(jù)建立，即，則，進(jìn)而得到損傷率：

，當(dāng)，等效作用次數(shù)方程為：，故標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力基礎(chǔ)上的等效對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力作用次數(shù)為：

，因此，總疲勞損傷可表示為：，剩余壽命為：。

通過上述對(duì)塔式起重機(jī)疲勞壽命的分析，可提升應(yīng)力考核點(diǎn)處疲勞損傷及壽命評(píng)價(jià)精度及可靠性，依據(jù)高效的疲勞狀態(tài)評(píng)估以及截面特性可確定截面的可修復(fù)及可替換特性，以采取相應(yīng)的替換及報(bào)廢措施。

5 結(jié)語

塔式起重機(jī)是建筑材料及施工設(shè)備調(diào)運(yùn)的重要工具以及關(guān)鍵性施工裝備，施工過程中塔式起重機(jī)的故障將直接影響到施工可靠性與安全性，從安全系數(shù)角度并未有效考慮鋼結(jié)構(gòu)疲勞失效的問題。文章建立有限元結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行靜應(yīng)力循環(huán)分析，其中，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)由應(yīng)力譜圖確定，依據(jù)古德曼圖轉(zhuǎn)換，并設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力及作用次數(shù)，評(píng)估塔式起重機(jī)疲勞壽命。

參考文獻(xiàn)

[1]侯沂，李世六.塔式起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命研究[J].土木建筑與環(huán)境工程，2009，（10）：24-31.

[2]羅丹，王斯谷.運(yùn)用MSC.Fatigue進(jìn)行塔式起重機(jī)疲勞壽命預(yù)測(cè)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2009，（9）：9-11.

[3]趙偉，王良文，徐中明，等.塔式起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)有限元分析[J].機(jī)械與電子，2006，（10）：67-70.