結(jié)構(gòu)失效建模理論分析方法

萬(wàn)雨

摘 要：承受主要載荷的大型鋼結(jié)構(gòu)失效會(huì)引起重大事故。本文以75/40噸的大型起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)為例，闡述了其主要關(guān)鍵部件的受力情況，并基于可靠性理論和受力分析結(jié)果，建立了關(guān)于多維準(zhǔn)則的失效模型，最后，利用算例分析并驗(yàn)證了所提出的失效模型的力學(xué)有效性。

關(guān)鍵詞：大型鋼結(jié)構(gòu)；失效；可靠性；模型

0 前言

大型鋼結(jié)構(gòu)的安全關(guān)系到人民生命和財(cái)產(chǎn)安全以及社會(huì)和諧穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)失效尤其是大型鋼結(jié)構(gòu)的失效會(huì)引起重大事故，因此失效分析是可靠性分析的重要組成部分和關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)。本文將結(jié)合具體的橋式起重機(jī)的鋼結(jié)構(gòu)，建立其結(jié)構(gòu)可靠性的失效模型，并用算例驗(yàn)證所提出的失效模型的有效性。

1 受力分析

橋式起重機(jī)主要承受自重載荷、移動(dòng)載荷、慣性載荷、小車輪壓、偏斜側(cè)向力和扭轉(zhuǎn)載荷。自重載荷主要包括主梁、小車軌道、走臺(tái)、欄桿和導(dǎo)電架等的重量，這些載荷按均勻分布考慮，而主梁上的機(jī)電設(shè)備和司機(jī)室等按集中載荷分布考慮。移動(dòng)載荷由起升載荷與小車重量決定。慣性載荷按車輪打滑條件確定大小車運(yùn)行的慣性力。小車輪壓按小車架中受力最大的AB梁分析。偏斜側(cè)向力根據(jù)滿載小車在主梁的位置不同，得到不同的側(cè)向力。扭轉(zhuǎn)載荷是由于偏軌箱形梁截面的彎心與形心不重合，在小車動(dòng)輪壓和小車水平慣性力的偏心作用下產(chǎn)生的。

2 失效建模

基于可靠性理論和和關(guān)鍵部件的受力情況分析，建立了橋式起重機(jī)可靠性失效模型，其主要包括疲勞強(qiáng)度失效準(zhǔn)則、靜強(qiáng)度失效準(zhǔn)則、穩(wěn)定性失效準(zhǔn)則、剛度失效準(zhǔn)則及失效路徑長(zhǎng)度極限準(zhǔn)則。

①靜強(qiáng)度失效準(zhǔn)則。主梁跨中截面的任意危險(xiǎn)點(diǎn)i的應(yīng)力應(yīng)滿足：

其中σo為靜強(qiáng)度許用應(yīng)力，危險(xiǎn)截面驗(yàn)算點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)該按照最不利工況和載荷組合決定，當(dāng)失效路徑單元中出現(xiàn)上述點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)失效。

②疲勞強(qiáng)度失效準(zhǔn)則。主梁截面翼緣板拼接焊縫處j的應(yīng)力應(yīng)滿足：

其中σp為疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力，同樣的危險(xiǎn)截面驗(yàn)算點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)該按照最不利工況和載荷組合決定，當(dāng)失效路徑單元中出現(xiàn)上述點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)失效。

③整體穩(wěn)定性失效準(zhǔn)則。經(jīng)測(cè)算，當(dāng)高寬比大于3時(shí)，系統(tǒng)失效。

④局部穩(wěn)定性失效準(zhǔn)則。箱形主梁的翼緣板和腹板均需要考慮局部穩(wěn)定性失效準(zhǔn)則。首先根據(jù)板的寬厚比布置，形成區(qū)格，然后分別驗(yàn)算跨端和跨中附近的區(qū)格，由此得出局部穩(wěn)定性失效準(zhǔn)則。

⑤剛度失效準(zhǔn)則。主要包括橋架的垂直靜/動(dòng)剛度失效準(zhǔn)則和水平靜/動(dòng)剛度失效準(zhǔn)則。

其中垂直靜剛度以滿載小車處于跨中位置產(chǎn)生的靜撓度來(lái)表征：

垂直動(dòng)剛度以滿載小車處于跨中位置產(chǎn)生的垂直自振頻率來(lái)表征：

水平靜剛度以滿載小車處于跨中位置產(chǎn)生的水平慣性位移來(lái)表征：

水平動(dòng)剛度以物品高位懸掛時(shí)，滿載小車處于跨中位置的水平自振頻率來(lái)表征：

⑥失效路徑長(zhǎng)度極限準(zhǔn)則。通過(guò)測(cè)算，失效路徑一般取4-5。

針對(duì)以上6維失效準(zhǔn)則，即只要不符合其中一項(xiàng)準(zhǔn)則，橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)件就失效。

3 計(jì)算驗(yàn)證

以某具體75/40T的橋式起重機(jī)為例，驗(yàn)證失效模型的有效性。具體參數(shù)參見(jiàn)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)在其他條件不變的情況下， 小范圍調(diào)整跨度時(shí)剛度失效的變化規(guī)律如圖1所示。

由圖1可以看出，在跨度從27到30m的攝動(dòng)過(guò)程中，剛度失效比重增加了。也就是說(shuō)，剛度失效的可能性增大了，符合力學(xué)規(guī)律，說(shuō)明該模型是有效的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以75/40T的橋式起重機(jī)為例，闡述了其主要關(guān)鍵部件的受力情況，并基于可靠性理論和受力分析結(jié)果，建立了關(guān)于多維準(zhǔn)則的失效模型，最后算例證明了所提出的失效模型是有效的。

參考文獻(xiàn)：

[1]須雷.起重機(jī)可靠性考核評(píng)定與分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，1997（5）：3-7.

[2]楊瑞剛，徐格寧，范小寧.橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性失效準(zhǔn)則與剩余壽命評(píng)估準(zhǔn)則[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，19 （10）：95-100.