現(xiàn)代測試分析方法在鋼結(jié)構(gòu)檢測與修復(fù)中的應(yīng)用

摘要：文章介紹了塔吊式卸船機(jī)鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)工藝，利用有限元建模分析和應(yīng)力測試分析計算確定維修工藝，從高塔吊鋼結(jié)構(gòu)局部的模型有限元分析，介紹了德國的“MOPS模塊式信號采集系統(tǒng)”，提出了影響港口設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠性的幾大因素，強(qiáng)調(diào)了港口設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)維修檢修的必要性。

關(guān)鍵詞：高塔吊；鋼結(jié)構(gòu)開裂；有限元建模分析；應(yīng)力測試；現(xiàn)代測試分析方法 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TU391 文章編號：1009-2374（2015）05-0060-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0362

秦皇島港股份有限公司礦石碼頭三臺高塔吊由德國高華港口技術(shù)有限公司制造，于2004年正式投產(chǎn)使用。設(shè)計起重能力50t，作業(yè)回轉(zhuǎn)半徑11～48米，整機(jī)系統(tǒng)由機(jī)械電器兩大部分組成。由走行、臂架俯仰、回轉(zhuǎn)、電器等系統(tǒng)組成。三臺高塔吊于2006年先后在卷揚機(jī)房配重支撐梁根部出現(xiàn)焊縫開裂現(xiàn)象，后經(jīng)增加馬鞍型蓋板加強(qiáng)修復(fù)后繼續(xù)使用。在此之后鋼結(jié)構(gòu)多次出現(xiàn)其他形式的輕微鋼結(jié)構(gòu)開裂問題，都已陸續(xù)修復(fù)。2013年4月又發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)軸承下方四個支撐板與平臺焊縫和支撐板母材本身出現(xiàn)不同程度的開裂，且三臺均出現(xiàn)相似問題，開裂位置與日常工作角度一致，此次鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題情況較嚴(yán)重，為解決這一問題，相關(guān)技術(shù)人員利用德國CAESAR公司制造的“MOPS模塊式信號采集系統(tǒng)”對高塔吊主體鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位動應(yīng)力進(jìn)行了現(xiàn)場測試，并對關(guān)鍵部位進(jìn)行無損探傷檢查。

1 鋼結(jié)構(gòu)開裂測試結(jié)果及分析

首先我們做了有限元分析，定性計算塔吊在三種工作位置時應(yīng)力分布。其中配重152t，起吊載荷30t，塔吊上部重量117t。

圖1

根據(jù)對簡化模型的有限元分析，塔吊基座內(nèi)的凹形筋板應(yīng)力狀態(tài)，受壓側(cè)筋板有應(yīng)力集中，位置在筋板焊腳和凹形內(nèi)角處。

鋼結(jié)構(gòu)測試工作中應(yīng)力測點的選取是在有限元計算結(jié)果及使用過程中出現(xiàn)的問題部位來確定。測點選擇依據(jù)為：有限元計算結(jié)果較大部位、承擔(dān)動載荷的主要部位以及日常運行時出現(xiàn)問題的部位。

布貼單向應(yīng)變片各測點，應(yīng)力σ=E·ε（E：楊氏模量；ε：實測應(yīng)變）

布貼45°三向應(yīng)變花各測點，主應(yīng)力大小按照下列公式進(jìn)行合成：

其中、、分別為0°、45°、90°三個方向的應(yīng)變，以抓斗放于地面，鋼絲繩處于松弛狀態(tài)時的應(yīng)力為初始應(yīng)力零點。測試抓斗抓料時各測點的工作應(yīng)力。應(yīng)力變化較劇烈的幾個測試點如表1：

表1

序號 測點

編號 測點位置 應(yīng)力變化（MPa）

1 4 靠近垂直開裂處的馬鞍型蓋板附近處 -114.1～7.2

2 5 靠近垂直開裂處的馬鞍型蓋板根部處 -175.9～13.1

3 12 靠近電器室的馬鞍型蓋板根部處 -170.1～13.2

4 LX2 陸側(cè)西邊圓弧立板小圓角處 -86.6～60.1

5 HD1 海側(cè)東邊圓弧立板角點處 -65.7～38.9

6 HX2 海側(cè)西邊圓弧立板小圓角處 -25.3～120.6

從以上測試情況可看出，高塔吊鋼結(jié)構(gòu)多個部位應(yīng)力較大且為交變載荷，為設(shè)備安全運行埋下隱患，綜合有限元計算結(jié)果和現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析，塔吊主要鋼結(jié)構(gòu)焊縫和母材的破壞形式為交變載荷引起的疲勞破壞。影響其變化主要因素有以下五點：（1）受力不均導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)變形，如操作不當(dāng)、連接螺母松動、長期超載等；（2）鋼結(jié)構(gòu)裂紋，由于在操作過程中，啟動或制動過猛，在運轉(zhuǎn)中換速過快，反車時緊急制動，造成鋼結(jié)構(gòu)沖擊力增大，由于其慣性力過大導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生裂紋，尤其焊縫開裂；（3）塔機(jī)疲勞，由于塔機(jī)過度使用，使其疲勞強(qiáng)度降低，加上違章作業(yè)，超載運作，造成鋼結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，產(chǎn)生不穩(wěn)定交變應(yīng)力；（4）爬爪不到位，在作業(yè)過程中，由于操作員的疏忽，造成爬爪不當(dāng)，致使塔機(jī)鋼結(jié)構(gòu)受力不均，影響其結(jié)構(gòu)發(fā)生變形或損壞，嚴(yán)重時會導(dǎo)致塔機(jī)事故的發(fā)生，機(jī)毀人亡。（5）鋼絲繩斷裂，由于鋼絲繩長期的使用，保養(yǎng)不到位，日常檢查的疏忽，在作業(yè)過程中鋼絲繩突然斷裂，塔機(jī)鋼結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊力的影響，輕者產(chǎn)生局部鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生變形出現(xiàn)裂紋，重者造成塔機(jī)傾翻。總之，影響塔吊鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的因素很多。因此，在日常作業(yè)過程中應(yīng)嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行作業(yè)，避免塔吊急速重載提升和提升過程高速回轉(zhuǎn)。特別是回轉(zhuǎn)以上部位，各測點工作時應(yīng)力水平主要是由于載荷工況不一樣所致，各測點在設(shè)備工作抓斗重載起升時，應(yīng)力變化較為劇烈，特別是在抓斗起升伴隨回轉(zhuǎn)的過程中應(yīng)力變化最為劇烈?？紤]到工作時的連續(xù)性和循環(huán)特性應(yīng)加強(qiáng)日常定期或不定期檢查和檢測，確保塔吊作業(yè)正常運轉(zhuǎn)，安全無事故。

2 改造方案

針對測試結(jié)果和鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)存問題，我們根據(jù)測試情況和有限元建模分析，對鋼結(jié)構(gòu)的隱患部位和薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了改造維修。包括旋轉(zhuǎn)機(jī)房兩扇門角8塊板的加固；旋轉(zhuǎn)機(jī)房內(nèi)鞍形板和其下母板裂紋的修補，用角磨機(jī)按照裂紋方向進(jìn)行打磨，同時做間斷的著色探傷，直到看不到裂紋為止，打出坡口，進(jìn)行補焊；旋轉(zhuǎn)機(jī)房鞍形板下角位置加固三角形筋板；旋轉(zhuǎn)機(jī)房內(nèi)靠卷揚機(jī)房一側(cè)兩頂角處加固梯形板；從旋轉(zhuǎn)機(jī)房進(jìn)卷揚機(jī)房門口處三個立柱從底部切掉三角形料以去應(yīng)力；卷揚機(jī)房底座兩位置加固小梯形；卷揚機(jī)房減速箱支撐立柱與機(jī)房地板穿接處焊縫開裂處理；卷揚機(jī)房、旋轉(zhuǎn)機(jī)房頂部外側(cè)與塔身螺栓上部位加三角形板加固；卷揚機(jī)房、旋轉(zhuǎn)機(jī)房頂部外側(cè)與塔身螺栓下部位加類似V形板加固。

圖2

維修前確定卸掉塔吊負(fù)載，包括塔吊本身臂架用工裝支起，卸掉塔吊150t配重等。維修改造方案都嚴(yán)格進(jìn)行了分析計算，以旋轉(zhuǎn)機(jī)房下部鞍形板去應(yīng)力加固為例，我們對提出的兩套改造方案分別建模分析：一是將開裂母材切割半徑600mm，增加三角形加固鋼板，二是在開裂處割除開裂的R50mm。比較后切割半徑600mm后的橫截面最大應(yīng)力102N/mm?，而切割半徑50mm后橫截面最大應(yīng)力為125N/mm?，即使切割的橫截面更小。

相關(guān)技術(shù)人員采取了如下的維修加固方案，將原母材開裂處切割半徑600mm，并在原弧形馬鞍板下增加兩三角形筋板加強(qiáng)，加固鋼板材料為Q345D，如圖3：

圖3

改造后設(shè)備運行至今狀態(tài)良好，未出現(xiàn)重復(fù)開裂和其他鋼結(jié)構(gòu)問題。

3 結(jié)語

港口設(shè)備工作頻度非常大，由于運轉(zhuǎn)速度較快，動載沖擊較大，長期高頻度的運轉(zhuǎn)，可能會對設(shè)備的鋼結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的損傷；由于設(shè)計考慮不周、材料選擇不當(dāng)、制造安裝工藝錯誤等因素，造成結(jié)構(gòu)件局部應(yīng)力集中，長期運行產(chǎn)生疲勞裂紋擴(kuò)展，也對設(shè)備可靠性和安全造成較大威脅；同時金屬構(gòu)件的失穩(wěn)、腐蝕、異常震動、維護(hù)不當(dāng)?shù)雀鞣N因素也會對鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的傷害。因此利用現(xiàn)代測試分析方法和技術(shù)加強(qiáng)港口機(jī)械設(shè)備的安全管理，保證港口機(jī)械設(shè)備技術(shù)性能經(jīng)常處于良好狀態(tài)、避免突發(fā)故障、掌握控制漸發(fā)性故障和偶發(fā)性故障的發(fā)生，確保港口機(jī)械設(shè)備安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運行，對港口生產(chǎn)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)效益的提高有著極其重要的意義。

作者簡介：曹金羅（1980-），男，河北灤南人，秦皇島港股份有限公司雜貨港務(wù)分公司工程師，研究方向：港口設(shè)備管理。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）