实腹式钢吊车梁疲劳原因分析

王 强

(中冶赛迪上海工程技术有限公司,上海 200490)

1 概述

随着我国冶金、机械、石化等工业不断发展，从20世纪50年代开始大量建造各种类型的工业建筑，截至2014年我国工业建筑面积超过120亿m2。钢吊车梁属于工业建筑中重要结构构件之一，其承担着生产物资运输、设备检修吊运等功能同时为工业建筑柱子系统重要的纵向联系构件，吊车梁结构状态的良好与否直接影响到生产安全。近年来由于生产规模的扩大，吊车梁使用环境的劣化，据统计在我国设有重级工作制吊车的工业建筑中，绝大部分钢吊车梁在使用10年～15年后出现疲劳问题[1]。由于疲劳破坏属于典型的脆性破坏，处于生产主工艺流程关键部位的吊车梁的安全性尤为重要，不仅严重影响生产，而且造成次生灾害的概率非常大。

2 国内外钢吊车梁疲劳调查

在工业领域欧美、日本和苏联等国家和地区工业化较早，其钢结构疲劳研究也做了大量的调查和研究，疲劳损伤主要集中在工业厂房的吊车梁本体、制动系统及连接。日本钢协对52个冶金工厂吊车梁疲劳损伤进行调查，各类冶金厂房中吊车梁的损伤比例见表1，不同年份吊车梁损伤比例见表2，吊车总运行次数在5×105次以下时，有损伤的吊车梁数量占全部构件数量的15%。

表1 各类冶金厂房中吊车梁的损伤比例(日本)

表2 不同使用年限吊车梁的损伤比例(日本)

前苏联调查资料显示，吊车梁的破损率随年代而增长见表3[2]。

表3 不同使用年限的吊车梁损伤比例(前苏联)

我国对冶金企业的钢结构疲劳问题也做了调查，随着我国钢铁行业升级改造产能提高重级工作制大吨位吊车梁一般使用寿命在10年～15年左右。从近几年调查结果来看，冶金企业吊车梁出现疲劳问题的工艺单元主要集中在炼钢的加料跨、热轧板坯库等详见表4。实腹式钢吊车梁容易出现疲劳损伤的部位见图1。

表4 冶金厂房钢吊车梁易疲劳的工艺工段

3 焊接钢吊车梁疲劳破坏的特点

焊接钢吊车梁的疲劳破坏属于高周疲劳(应力疲劳)，具有以下特征：工作应力小于fy，没有明显的塑性变形，寿命n≥5×104次。疲劳破坏分三个阶段：裂纹形成、裂纹稳定扩展、裂纹失稳扩展断裂。吊车梁断裂部位呈现不同分区，断裂区断口平直呈有光泽的晶粒状或人字纹，由于截面削弱快速断裂而形成。裂纹扩展区由于裂纹不断扩展张合，两表面互相碾磨相对较光滑，局部产生褶皱详见图2。由于吊车梁疲劳破坏时钢材的塑性还没有展开，属于脆性破坏，危险性大，已经严重影响了安全生产，因此吊车梁安全是工业企业生产活动中至关重要的保障点。

4 影响钢吊车梁疲劳性能的因素

影响钢吊车梁疲劳性能的因素是多方面的，经研究和调查大致有以下几个方面。

4.1 钢材材质的影响

1)钢材的化学成分及非金属夹杂物：碳素结构钢，随着碳含量的增高，其强度也会增高，而塑性和韧性下降。N,O,H,S,P等元素会增大钢材的脆性，添加适量Ni,Cr,V,Mn等元素有助于减小钢材的脆性。王志远等[3]从非金属夹杂物的形貌特征、化学元素组成以及与基体之间的相互作用等方面基于断裂力学探究了非金属夹杂物对钢材疲劳性能的影响，Murakami和Endo模型应用比较广泛。

2)晶粒的影响：钢材晶粒度对于低碳钢和低合金钢的脆性转变温度影响较大，晶粒度越细，转变温度越低，越不容易发生脆断[4]。另一方面钢材在加工和使用过程中，晶粒在高应力作用下，在滑移平面的方位与最大切应力方向一致时易出现滑移，进而形成应力集中，导致微小裂纹从而影响其断裂性能。

3)力学性能：钢材韧度和强度同等重要，不单纯追求强度指标。而忽视了其他性能，如：冲击韧性、断裂韧度及厚板的Z向性能。根据断裂力学理论应力强度因子KI应小于断裂韧度KIC，即：

其中，C，m均为与材料疲劳裂纹扩展性能有关参数，由试验确定。

4)厚度：厚度越大，发生脆断可能性增加。一方面厚板在缺口处容易形成三向拉应力，沿厚度方向的收缩和变形受到较大的限制而形成平面应变状态，影响了塑性的发挥；另一方面厚板的轧制工艺不如薄板轧制次数多，组织内部比较疏松，内外层均匀性差。

4.2 工作环境温度的影响

工作环境温度对钢材性能影响比较大。清华大学王元清等在近20年内做了大量低温下结构钢材的试验研究发现钢材存在韧脆转变温度(见图4)。当温度降到某值后，屈服强度趋近抗拉强度，此时钢材的塑性变形很小，钢材破坏基本为脆性变形[5]。从断裂力学方面研究发现随着温度的降低，钢材的断裂韧度KIC下降，表现出低温脆性。

4.3 环境腐蚀的影响

徐善华、冯大帅等对中性盐雾腐蚀环境下Q235钢、Q345B钢疲劳特性的影响[6,7]。通过疲劳试验、疲劳裂纹扩展试验获得腐蚀对钢材疲劳的影响有关数据表明：随着腐蚀率的增加，钢材疲劳寿命急剧下降，钢材裂纹扩展速率随着腐蚀率增大而增快。陈梦成等[8]对局部腐蚀的Q235钢材疲劳寿命影响因素试验表明：腐蚀的构件比无腐蚀的构件疲劳寿命降低80%～95%，腐蚀温度从20 ℃升高到40 ℃时，疲劳寿命下降55%～76%(见图5)。吊车梁若处在腐蚀性介质环境下，腐蚀介质的化学作用、环境温度和荷载作用的相互耦合，疲劳破坏的进程大大加快。

4.4 应力比与加载频率

循环加载的应力比R越高，疲劳裂纹扩展速率越快;断裂韧度KIC越高, 疲劳裂纹扩展速率越慢。另外较高的加载频率通常会降低钢材的断裂韧度KIC，其变化趋势与降低温度类似[9]。清华大学熊俊等[10]通过做Q345,Q390,Q420三种钢材制作的梁柱节点单向拉伸和循环荷载试验表明：循环加载会显著削弱焊接试件承载能力和变形能力，导致焊缝的开裂和破坏。

4.5 制作过程中的缺陷

钢结构在制作过程中经历了下料、冷热成形、装配、焊接、矫形和焊后热处理等工序。钢材经过这些工序加工其材质可能发生变化，焊接可能产生缺陷，焊后产生残余应力和变形这些对其抗疲劳性能都有影响。

1)应变时效。钢材经过剪切、冷成形或冷矫形等产生一定塑性变形后经加热而产生应变时效。焊接时的加热不均，导致不同程度的热塑性变形。

2)焊接引起的缺陷。如焊接过程易产生气孔、裂纹、夹渣等各类缺陷;另一方面焊接结构中存在残余应力和残余变形。这些缺陷往往会是前期裂纹的发源地。

3)构件表面的光洁度和表面处理工艺。有关资料表明[11]:材料强度越高受表面光洁度影响越大；应力水平低，寿命越久受表面光洁度影响也越大。另构件表面引入压缩残余应力，如：表面抛丸等，可提高疲劳寿命。

4.6 吊车轨道偏心

吊车轨道中心与吊车梁腹板中心不重合，偏心较大时，吊车轮压引起的扭矩对腹板和横向加劲肋的影响不容忽视。此类偏心一方面由安装偏差引起，GB 50205—2020钢结构工程施工质量验收标准的有关要求，吊车轨道中心对吊车梁腹板轴线偏心应小于腹板厚度1/2；近几年的调研发现：轨道压轨器的松动，轨道产生侧弯不居中的情况也存在。

4.7 构件的应力集中及构造不合理

构件的缺口疲劳不容忽视。从近年来工程实践中对变截面吊车梁进行有限元分析发现应力集中效应明显，一定程度上削弱了其材料局部的抗疲劳能力，故起重量在100 t以上的重级工作制吊车梁宜采用等截面形式。细部接头构造中也存在不同程度的应力集中，从图6[4]中可以看出不同接头形式的疲劳性能优劣，缺口效应越强抗疲劳能力越弱。构造不合理也容易形成疲劳破坏的薄弱环节，如：构(板)件截面突变处不做过渡处理、采用过厚钢板、焊缝密集、三向焊缝汇交、在高应力区布置焊缝等等。

5 结论

通过对影响钢吊车梁疲劳性能的因素研究可从以下几个方面对钢吊车梁的设计进行改进：

1)钢材的材质对于吊车梁抗疲劳性能至关重要，其断裂韧度和强度同等重要。重型吊车梁设计宜从钢材的化学成分、碳当量、氮含量、晶体颗粒等级、冲击韧性、交货条件等方面进行严格控制。

2)环境温度对钢吊车梁疲劳性能的影响明显，可通过选择具有良好的冲击韧性，较高断裂韧度的钢材提高其抗疲劳能力。

3)腐蚀对钢吊车梁疲劳性能的影响不言而喻，可根据所处的环境类别选择设计使用年限较长(如：10年～15年)的防腐涂装方案。

4)从近几年重型钢结构吊车梁的工程实践来看，采用基于S—N曲线疲劳累积损伤计算理论分析此类疲劳问题，降低应力幅(应力比)是比较有效的方法，另外基于裂纹扩展准则的疲劳分析理论还需进一步研究。

5)随着工业产能升级，处于生产主工艺流程上的吊车梁其荷载加载频率大幅度提高，疲劳寿命越来越短，其重要性系数应与普通吊车梁有区别，欠载系数是否合适需要探讨。

6)吊车梁的构造不合理、应力集中和制作过程中产生的缺陷往往是疲劳裂纹的发源地，此类问题应从设计到施工引起高度重视。轨道偏心和缺口疲劳效应不容忽视，建议采用有限元法进行分析验算较为稳妥。

综上所述从断裂力学的角度来衡量吊车梁抗疲劳性能的优劣，实质是抑制裂纹萌生和扩展的方式好坏。随着结构健康监测技术的发展，对处于生产重要部位的吊车梁实时监测也是比较好的生产保障措施。