疲勞強(qiáng)度校核下塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)安全檢測探究

張曉紅

（商丘市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗測試中心，河南商丘 476000）

0 引言

在針對塔式起重機(jī)工作中的應(yīng)力循環(huán)特性分析過程，需要通過計算其結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度來判斷它的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，這種判斷方法簡單、安全、有效，可相對直觀且客觀地反映塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)安裝狀態(tài)，對其安全有效運行有正面影響。

1 疲勞強(qiáng)度校核安全檢測理論的研究要點

目前國內(nèi)已有的塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)安全檢測主要采用定期技術(shù)，專門對塔式起重機(jī)的重要結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果評判塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的真實狀態(tài)。塔式起重機(jī)設(shè)備在工作中所面臨的工況非常復(fù)雜，結(jié)構(gòu)疲勞破壞原因眾多，一般都具備突發(fā)性與危險性，因此該檢測方式存在一定缺陷性，一般無法對主梁結(jié)構(gòu)、中間連接件等進(jìn)行相對直觀的定量描述。而疲勞強(qiáng)度校核方法已經(jīng)成立體系，擁有專門的安全檢測理論，具有相當(dāng)?shù)膶嵺`應(yīng)用意義。

1.1 相關(guān)概述

影響設(shè)備結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的因素有很多，例如材料的品種、設(shè)備接頭應(yīng)力的集中形式、設(shè)備結(jié)構(gòu)的應(yīng)力譜、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)等工作級別指標(biāo)、結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力循環(huán)特性與最大應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)（r=σmin/σmax）等。例如在塔式起重機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)下，它所承受的應(yīng)力會逐漸增大，發(fā)生疲勞破壞所需的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)會愈發(fā)減少，這體現(xiàn)了設(shè)備本身的有限壽命。在結(jié)構(gòu)有限壽命范圍內(nèi)，可根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》相關(guān)要求對整機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接頭與校核疲勞強(qiáng)度進(jìn)行有效分析。

1.2 實施的基本流程

參考設(shè)備結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的校核安全檢測標(biāo)準(zhǔn)，參考疲勞強(qiáng)度的塔式起重機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度校核安全檢測分析流程相關(guān)內(nèi)容（圖1），對塔式起重機(jī)設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析，明確它的具體載荷狀況，客觀確定可反映結(jié)構(gòu)安全狀況的相關(guān)檢測節(jié)點內(nèi)容，思考如何測量其節(jié)點應(yīng)力值數(shù)據(jù)指標(biāo)。在確保應(yīng)力一定時間內(nèi)實現(xiàn)對時間歷程曲線的有效呈現(xiàn)，確定應(yīng)力循環(huán)特性內(nèi)容。在該過程中還要正確計算并校核設(shè)備結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，明確結(jié)構(gòu)是否處于安全狀態(tài)中，這對塔式起重機(jī)設(shè)備能否正常運行操作至關(guān)重要[1]。

2 塔式起重機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)安全檢測的評估標(biāo)準(zhǔn)

在對塔式起重機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核安全檢測之前，需要首先明確它的安全檢測評估標(biāo)準(zhǔn)。一般情況下，針對塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)安全評估的主要環(huán)節(jié)包括了設(shè)備基礎(chǔ)節(jié)、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、加強(qiáng)節(jié)、平衡臂、起重臂以及塔頂?shù)炔糠謨?nèi)容，參考測量評估這些部位的銹蝕、解體探傷、磨損量等等情況。例如針對某些建筑，塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)備的安全評估必須結(jié)合其設(shè)計與制造根本情況展開，檢查設(shè)備保養(yǎng)記錄，重點針對其鋼結(jié)構(gòu)銹蝕、裂紋與變形問題進(jìn)行針對性檢查分析，完全參考整機(jī)結(jié)構(gòu)的組織安全性能進(jìn)行荷載試驗，通過檢查結(jié)果判斷其運行安全穩(wěn)定性。如果在檢查過程中發(fā)現(xiàn)某些不合格現(xiàn)象需要針對相同類型的不同部位進(jìn)行針對性抽查，且要保證較大的抽查力度。如果抽查無法滿足規(guī)定要求，則要對設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位檢查測量，以保證找出問題點。

圖1 檢測分析流程

在具體的檢查過程中，要滿足檢查檢測的3 點關(guān)鍵要素：①如果塔式起重機(jī)設(shè)備本身處于解體狀態(tài)，需要針對待檢測部位進(jìn)行提前處理，例如清潔處理、銹蝕處理等等；②可采用游標(biāo)卡尺與測厚儀設(shè)備對塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)備的待測部位尺寸進(jìn)行檢測分析；③要針對設(shè)備結(jié)構(gòu)件裂紋進(jìn)行檢查，保證做到全方位檢查，特別是要對所附著設(shè)備主結(jié)構(gòu)的連接焊縫位置進(jìn)行檢查。在檢查中要確保抽檢位置超過1 處，而對塔身進(jìn)行抽檢過程中則要保證抽檢數(shù)量達(dá)到檢查總數(shù)量的20%以上，必要時需要加大對相同位置的抽檢力度，同時準(zhǔn)備做好報廢處理。

在對塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)檢查完成后，要結(jié)合工況與塔式起重機(jī)吊點位置進(jìn)行具體分析，結(jié)合應(yīng)力測試展開分析。一般來說，工況實驗次數(shù)應(yīng)該規(guī)定在3 次左右，計算3 次測量的平均值作為結(jié)果，同時在塔式起重機(jī)檢查過程中對其規(guī)定要求與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測，綜合結(jié)合實際狀況塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估分析，確保設(shè)備整體性能指標(biāo)良好[2]。

3 基于疲勞強(qiáng)度校核的塔式起重機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)安全檢測方法

通常情況下，塔式起重機(jī)在其整個壽命周期內(nèi)需要進(jìn)行多次結(jié)構(gòu)安全檢測，而基于疲勞強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)安全檢測更加深入細(xì)致，可針對塔式起重機(jī)進(jìn)行檢測。針對塔式起重機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)中的主梁部分展開安全檢測分析，希望制定科學(xué)合理的檢測計劃。

3.1 安全檢測點的確定

首先要確定塔式起重機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)中主梁的安全檢測點，對其實際工作載荷進(jìn)行計算分析，計算過程中應(yīng)當(dāng)參考塔式起重機(jī)的過往作業(yè)與檢測歷史狀況與數(shù)據(jù)記錄，同時對其結(jié)構(gòu)破壞情況進(jìn)行分析，明確主梁的危險區(qū)域，最終正確選取主梁結(jié)構(gòu)安全檢測點。它的具體檢測方法有3 步：①利用有限元方法展開計算分析，保證起重機(jī)主梁上的高應(yīng)力區(qū)域與應(yīng)力集中區(qū)域都能被分析到位；②針對服役周期已經(jīng)較長的起重機(jī)設(shè)備需要根據(jù)其結(jié)構(gòu)實際情況進(jìn)行分析，例如對其改造維修歷史進(jìn)行分析，找出設(shè)備易損傷區(qū)域作為主要檢測點；③結(jié)合同類型起重機(jī)結(jié)構(gòu)的工作運行破壞狀況進(jìn)行類比分析，并對其容易發(fā)生損傷區(qū)域的適當(dāng)點展開檢查，將其作為是核心檢測點。

3.2 應(yīng)力循環(huán)特性的確定

可在起重機(jī)正常工作狀態(tài)下選取多個檢測節(jié)點進(jìn)行監(jiān)測，獲得檢測節(jié)點應(yīng)力時間歷程與節(jié)點相關(guān)關(guān)系，計算獲得各個測點應(yīng)力循環(huán)特性值。參考起重機(jī)結(jié)構(gòu)中的不同構(gòu)件對其疲勞檢測點絕對值最大應(yīng)力與最大剪應(yīng)力進(jìn)行分析，保證所有應(yīng)力循環(huán)中的疲勞計算點都能一一對應(yīng)，計算出每一組應(yīng)力值，分析其差值中的最大絕對值。例如要對其應(yīng)力循環(huán)特性值rx、ry、rxy進(jìn)行計算分析，且在結(jié)構(gòu)件中融入關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)如正應(yīng)力σx、σy與τxy剪應(yīng)力，給出以下計算過程：

結(jié)合上試計算最大剪應(yīng)力，為后續(xù)確定疲勞許用應(yīng)力打下良好基礎(chǔ)。

3.3 疲勞許用應(yīng)力的確定

檢查起重機(jī)設(shè)備中構(gòu)件的疲勞許用應(yīng)力，正確選取安全系數(shù)，充分考量工件工作級別與連接件應(yīng)力集中狀況，包括構(gòu)件材質(zhì)等諸多因素進(jìn)行綜合分析考量，最后計算獲得疲勞許用應(yīng)力值。例如在應(yīng)力循環(huán)特性明確后，需要實施到疲勞許用應(yīng)力計算過程，如果起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力循環(huán)特性為-1≤r≤0，那么它的拉伸系數(shù)t 應(yīng)該如下[4]：

基于這兩點系數(shù)指標(biāo)，可為后續(xù)起重機(jī)主梁的結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度校核技術(shù)過程創(chuàng)造前提條件。在檢測過程中，應(yīng)該盡量避免螺栓、鉚釘?shù)葘嵤┫吕觳僮鳎瑫r也要深度分析螺栓與鉚釘?shù)募羟衅谠S用應(yīng)力。

3.4 結(jié)合疲勞強(qiáng)度的安全校核檢測

最后要確定起重機(jī)主梁中同一結(jié)構(gòu)監(jiān)測點的絕對值最大應(yīng)力與最小應(yīng)力值，圍繞其載荷指標(biāo)作用位置對起重機(jī)正常工作過程進(jìn)行分析，明確其工作循環(huán)狀況。結(jié)合載荷的實際應(yīng)力狀況進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核分析，具體的疲勞強(qiáng)度安全校核檢測過程如下：

4 總結(jié)

在針對起重機(jī)結(jié)構(gòu)的深度剖解分析中，基于其局部結(jié)構(gòu)的安全檢測應(yīng)當(dāng)采用疲勞強(qiáng)度安全檢測校核理論。根據(jù)檢測研究過程發(fā)現(xiàn)，需要對起重機(jī)結(jié)構(gòu)中的主梁與連接件內(nèi)容進(jìn)行安全評價與量化判斷，這對起重機(jī)安全運行非常重要，且整個檢測、評價與判斷過程非常具有科學(xué)合理性與說服力，具有較高參考價值。