塔式起重机塔身结构疲劳校核方法探讨

黎新龙，李 蕾，曾庆贵

LI Xin-long, Li Lei, ZENG Qing-gui

(1.山东国弘重工机械有限公司，山东 淄博 256401；2.山东省特种设备检验研究院,山东 济南 250101))

GB/T 3811-2008规定，应计算构件及连接的抗疲劳强度，然而，由于疲劳计算过程远比静力计算复杂，因此目前大部分企业不计算结构件疲劳强度。而塔机在交变载荷或随机变化的载荷作用下工作，疲劳破坏是其结构件主要的实效形式，本文以GB/T 3811-2008《释义与应用》中的一个塔身疲劳计算实例为载体，对结构件的疲劳计算做进一步的探讨和研究，供行业的技术人员参考。

1 实例描述

1.1 结构描述

如图1所示为塔机塔身结构节点，塔身为∅114×8的钢管组成的四弦杆空间桁架焊接结构，钢管材料为Q235。

图1 塔机塔身结构节点

1.2 主弦杆受力分析

塔机空载后倾力矩为200kNm，最大起重力矩为726kNm，垂直力为260kN，主弦杆间距1.4m。

为确定塔身的循环应力，下面分析塔机一个工作循环的内力变化情况，如图2所示。

图2 工作循环载荷分析图

如图所示，在0°处，塔机处于装料前空载状态下时，A主弦杆中受力为-260/4+200/1.98＝36kN，B主弦杆中受力为-(260/4+200/1.98)＝-166kN。

以此类推，可以计算出四根主弦杆在每一角度的载荷，见表1。

此工作循环可能在塔身结构中引起最大的循环应力，其他工况的循环应力按标准建议的构件级别来确定。

表1 主弦杆载荷(kN)

2 改进后的疲劳验算

从图2上可知：塔机一个工作循环在塔身主弦杆中的力变化两次，即其应力反复两次，一次大些，一次小些。现以大的一次为准(偏安全 )，即 Fmin＝ 201kN，Fmax＝ -331kN。主弦杆钢管截面积为：A＝2664mm2，则其应力为σmin1＝ Fmin1/A ＝ 75.45N/mm2，σmax1＝ Fmax1/A＝-12425N/mm2此时，循环特征值(应力比)

由文献[2]表7查得，应力循环数n1＝1.25×105。

再看小的一次，Fmin2＝ 36kN，Fmax2＝166kN，σmin2＝ Fmin2/A ＝ 13.5N/mm2，σmax2＝Fmax2/A＝62.3N/mm2，循环特征值(应力比)

由文献[2]表7查得，应力循环数n2＝1.25×105。

该建筑塔机的工作级别(U3，Q3)，见文献[2]表3。而其塔身结构的应力反复次数为塔机工作循环次数的2倍，故其结构件的工作级别为E4(B4，S3)级，见文献[2]表9。

查文献 [2]表 33 得，[σ-1]＝ 62.2N/mm2。

由文献[2]表31知r1＝-0.61时，

由文献[2]表31知r2=-0.22时，

根据GB/T 3811-2008释义的式（61），将这两个不等幅、不等应力比的循环应力转换为应力比为r1的、应力循环次数为n∑＝n1+n2、最大应力为σd的当量循环应力

σd＝ 108.12MPa ≤ [σr1,n∑]＝ 117.2N/mm2，所以通过。

核算表面：采用当量循环应力（比最大应力小）计算，主弦杆原焊接节点是符合要求的，不需要提高焊缝质量。

3 与GB/T 3811释义实例方法的比较

1）本文将原本两个不等幅、不等应力比的循环应力转换为当量循环应力，符合GB/T 3811-2008释义中介绍的方法，而原来GB/T 3811-2008释义的实例没有转换，直接把第二个较小的循环应力等同于第一个较大的循环应力，也就是把小循环应力的也当成大的循环应力来近似计算。

2）根据GB/T 3811-2008释义中5.8介绍的方法，校核时，本文将计算得到的当量循环应力和应力比为r1、循环数为n∑时的许用疲劳强度做比较；而GB/T 3811-2008释义的实例给出的答案是用第一个较大的循环应力和应力比为r=-1时的许用疲劳极限作比较。而且按照GB/T 3811-2008释义实例的算法，其结果如下：

由上式知，按照原释义实例的算法，该结构的疲劳校核不通过，和本文计算方法的结论相反。

4 结 语

通过一个塔机结构疲劳的计算实例，说明了结构疲劳强度的计算方法和步骤，为工程设计人员进行疲劳校核计算提供参考依据。与《GB/T 3811-2008释义与应用》中实例所用方法相比，本文方法较为精确，但是步骤繁琐，两者均可作为疲劳强度校核的参考。

[1]徐格宁.机械装备金属结构设计[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]全国起重机械标准化技术委员会.GB/T 3811—2008释义与应用[M].北京：中国标准出版社，2008.

[3]GB/T 3811—2008，起重机设计规范[S].

[4]GB/T 13752—1992，塔机设计规范 [S].