鋼吊車梁疲勞不滿足時尚可繼續使用的條件

丁 申

上海梅山工業民用工程設計研究院有限公司（201900）

重級工作制吊車常用在冶金工業廠房中,由于冶金工業廠房的環境惡劣以及吊車使用頻繁,吊車在廠房的正常使用期內可能會更換數次。因為吊車的生產廠家不同、吊車使用要求提高等原因，原有吊車梁不能滿足新吊車的使用要求。如果新舊吊車的最大輪壓、輪距、工作等級差別不大，吊車梁強度計算滿足要求，僅僅疲勞計算不滿足，那么，這時更換吊車梁未免造成一定的浪費。況且，更換吊車梁的時間受到工業生產的影響。雖然目前國內有一些吊車梁加固的成功案例及相應的理論，但均不成熟，相應的技術沒有得到廣泛的應用，且重級工作制吊車梁屬疲勞受力構件，經過長期使用后，不宜在其受拉部位打火或者施焊，以免產生新的不可估計的殘余應力及微裂縫，隨著應力循環次數的增加，這些微裂縫會繼續擴展，成為原始的疲勞裂縫，對疲勞的影響難以準確計算。

匯總足夠有代表性的車間吊車梁應力的實測資料，按照雨流法進行應力幅頻次統計,得出幾種主要車間吊車梁的設計應力譜以及用應力循環次數表示的結構預期壽命。然后運用目前國際上通用的Miner線形累計損傷原理加以分析，重級工作制吊車梁的疲勞可以折算為等效常幅疲勞，按照式（1）計算。

重級工作制吊車梁是以設計基準期50年來考慮其疲勞計算的，考慮應力循環次數為2×106次,按照（2）式計算的[△σ]2×106

=144（N/mm2）。如果縮短吊車梁的使用壽命，按照設計基準期為25年考慮疲勞計算，即考慮應力循環次數為1×106次,按照（2）式計算的[△σ]1×106=171.3 N/mm2。

假設一根吊車梁前期使用階段能滿足結構計算的所有要求，當使用一段時間（假設20年）后，吊車更換，吊車梁在新吊車使用情況下，強度滿足要求，疲勞不滿足，考慮欠載效應的應力幅αf×△σ接近且小于171.3 N/mm2。這時，吊車梁依然能夠正常使用,但只有25年的壽命。前期使用20年，吊車梁的壽命可以達到50年,也就是消耗了2/5的使用壽命。后期轉變了使用情況，使用壽命只有25年，而前期消耗了2/5的壽命,剩下可以安全使用的年限為25×（1-2/5）=15年。

現以梅山鋼鐵股份公司煉鋼廠板坯庫為例。板坯庫廠房共2跨，每跨各3臺橋式吊車。因煉鋼廠24小時不間斷生產，吊車使用頻繁，超常規運行，以及板坯庫內常年高溫，吊車起吊鋼坯時，吊車大梁受新鑄成高溫鋼坯烘烤。板坯庫內吊車大梁下部均產生不同程度的裂縫,煉鋼廠曾對裂縫進行焊接加固，但效果不佳，經過一段時間的使用，大梁的焊接處均重新開裂。煉鋼廠遂打算依次更換掉板坯庫內的6臺吊車。煉鋼廠1#、2#板坯庫及吊車平面布置見圖1。

每個板坯庫廠房及吊車的布置情況相同,廠房跨度27m，柱距12m,廠房中間區域因工藝要求其中一處柱距改為24m。24m跨吊車梁做成變截面，支座做成直角式突變形式。廠房兩側為兩臺相同型號的軟鉤夾鉗吊車,中間為一臺吸盤吊車。吸盤吊車起吊重量及輪壓較小,對吊車梁疲勞計算不起控制作用。新舊夾鉗吊車見表1。

表1 新舊夾鉗吊車參數對比

吊車梁強度均滿足要求，而僅在24 m跨吊車梁支座突變位置處不滿足疲勞要求,疲勞應力αf×△σ=154.792 N/mm2≥144 N/mm2,不滿足50年設計基準期的疲勞計算要求,24m跨吊車梁立面見下圖。

上述疲勞不滿足部位難以加固,且煉鋼廠此時不能停產，必須等到設備維修期間才能有足夠的時間更換吊車梁。另外,這時就更換吊車梁沒有充分利用完它的疲勞壽命。《鋼結構設計規范》中明確給出，設計基準期50年內考慮疲勞計算的應力循環次數為2×106次,即每年應力循環次數為2×106/50=4×104次。經試算，應力循環次數 n取 1.4×106次，即考慮使用時間為35年。根據 （2）式計算得 [△σ]=157.5N/mm2≥154.792 N/mm2。煉鋼廠1993年投產使用，到2008年7號吊車更換，共15年時間。前期考慮消耗15/50=30%的疲勞壽命，那么更換新的吊車后，吊車梁后期的使用壽命為35×（1-30%）=24.5年。這樣，吊車梁既不用更換、也不用加固，尚可以繼續使用24年。

疲勞壽命受多種因素影響，包括時間進程、使用環境、生產條件等等，上述方法僅為理論計算的一種手法。為保證生產安全，吊車梁在使用過程中必須定期維護檢查。冶金工業廠房中承受重級工作制吊車的吊車梁在設計時,宜留出一定的富余量,考慮日后吊車更換以及超常規使用所引起的吊車梁應力小范圍增加的情況。

需要注意的是,這種理論計算方法僅僅適用于中級及重級（包括特種級）吊車梁、吊車桁架。因為，《鋼結構設計規范》中，吊車梁(桁架)的應力循環次數有明確的數值，即按照50年設計基準期，統一以應力循環次數n=2×106次為基準，計算吊車梁（桁架）的疲勞應力。不同使用條件的吊車采用相對應的欠載系數αf調整。規范中給出各種構件的容許應力幅，均是以2×106次應力循環的疲勞應力幅且具有95%置信度的下限值。只有明確給出了設計基準期內的應力循環次數及對應的容許應力幅計算方法,才有依據采用上述方法計算。

[1]GB 50017-2003,鋼結構設計規范[S].

[2]趙熙元,柴昶,武人岱.建筑鋼結構設計手冊[M].冶金工業出版社,1995:690～693.

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