某鋼結(jié)構(gòu)件的失效分析與改進(jìn)措施

魯華賓

鋼結(jié)構(gòu)件在工程設(shè)備和結(jié)構(gòu)中一般受力較大，是主承受載荷的構(gòu)件，必須保證有足夠的安全余量，要有足夠的安全系數(shù)[1]，特別是要考慮在極限工況條件下保證有足夠的強(qiáng)度與剛度。在工程實(shí)踐中，技術(shù)人員經(jīng)常會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取舍技術(shù)參數(shù)，忽略對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度的驗(yàn)算與校核，如果參數(shù)取舍不合理，可能會(huì)造成構(gòu)件的失效，影響設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至造成大的工程事故[2]。在參與企業(yè)實(shí)踐服務(wù)時(shí)遇到一起電梯設(shè)備對(duì)重架結(jié)構(gòu)件的失效事故，設(shè)備失效時(shí)的照片如圖1所示，從圖1可以看出鋼結(jié)構(gòu)主梁已完全變形和扭曲，上邊緣局部有撕裂口。本文旨在通過(guò)對(duì)對(duì)重架結(jié)構(gòu)的失效分析，找出失效原因，提出改進(jìn)措施，以期工程技術(shù)人員在根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)更要注意驗(yàn)算和安全。

圖1 失效設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)件

1 失效分析

1.1 原始參數(shù)

針對(duì)該鋼結(jié)構(gòu)，查看其圖紙結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖2所示，其材料為Q235-A，長(zhǎng)度1 130 mm，高度190 mm，中部有直徑為50 mm的圓孔，寬度205 mm，板材厚度8 mm，中間圓孔薄弱處截面尺寸如圖3所示。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)件尺寸

圖3 圓孔處截面尺寸（mm）

1.2 工況描述

該鋼結(jié)構(gòu)為電梯對(duì)重架，是承受對(duì)重載荷的結(jié)構(gòu)。靜載時(shí)的載荷為電梯空轎廂和轎廂支撐零部件的載荷與額定載重量的45%~50%構(gòu)成 (可按50%計(jì)算)。

即S＝P+0.5Q＝17.5+7.5＝25 kN

式中，靜載時(shí)對(duì)重架的載荷為S；空轎廂和轎廂支撐零部件的重量P=16+1.5=17.5 kN；額定載重量Q＝15 kN.

考慮偏載及塵沙等因素的影響兩側(cè)可取摩擦阻力為3 kN，考慮到加速工況[3]，加速度為1 m/s2.則，總載荷計(jì)算為：

F＝25+3+25×0.1＝30.5 kN

將圖1的構(gòu)件轉(zhuǎn)化為力學(xué)模型[4]如圖4所示。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)件力學(xué)模型（mm）

1.3 強(qiáng)度及剛度計(jì)算

強(qiáng)度計(jì)算：梁壁板材厚度尺寸為8 mm，實(shí)際測(cè)量厚度僅有7.6 mm，根據(jù)圓孔處橫截面尺寸圖3和力學(xué)模型圖4可以計(jì)算出：

慣性矩IX=8 430 000 mm4，

抗彎截面模量WX=89 800 mm3，

最大彎矩Mmax=565×15 250=8 620 000 N·mm，最大應(yīng)力σ＝Mmax/WX=8 620 000/89 800=96 MPa.

Q235材料的屈服應(yīng)力為σS＝235 MPa；按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3]，一般安全系數(shù)應(yīng)n≥ 3.6，而實(shí)際安全系數(shù)為n′＝ σS/σ =235/96=2.4＜ n.

很顯然，安全系數(shù)偏小，該結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度不滿足使用要求，由此看來(lái)，出現(xiàn)如圖1的上口撕裂和嚴(yán)重變形也是可能的。

剛度計(jì)算：Q235材料的彈性模量為E＝210 GPa

最大撓度為y=Fl3/48EI=30 500×1 1303/48×210×103×8 430 000=0.52 mm

按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，一般允許變形撓度為[w]=1/960而實(shí)際變形為w=0.52/1130=1/2 100＜[w]變形滿足要求。

2 改進(jìn)措施

2.1 在用產(chǎn)品的解決方案

對(duì)于在用產(chǎn)品，如果全部通過(guò)設(shè)備停用進(jìn)行更換結(jié)構(gòu)件不太現(xiàn)實(shí)。實(shí)際處理時(shí)可通過(guò)在結(jié)構(gòu)件兩側(cè)對(duì)稱(chēng)焊接同材料加強(qiáng)板來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度的提高，焊接鋼板的尺寸長(zhǎng)×寬 ×厚為1000 mm×40 mm×5 mm.焊接加強(qiáng)板后的結(jié)構(gòu)如圖5所示，加強(qiáng)后的變形不需要重新驗(yàn)算，加強(qiáng)后的強(qiáng)度驗(yàn)算如下。

圖5 在用設(shè)備的處理方案（mm）

慣性矩IX=13 136 400 mm4；抗彎截面模量WX=138 300 mm3；最大應(yīng)力σ＝Mmax/WX=8 620 000/138 300=62.3 MPa，而實(shí)際安全系數(shù)為 n′＝ σS/σ=235/62.3=3.8＞n=3.6.

很顯然，安全系數(shù)足夠，加強(qiáng)后該結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度滿足使用要求。

2.2 后續(xù)產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)

對(duì)于后續(xù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要兼顧產(chǎn)品的一致性和美觀性[5]，采用焊接加強(qiáng)板的方法顯然不合適。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該從兩個(gè)方向著手，一是增加板材的厚度達(dá)到10 mm，二是增加結(jié)構(gòu)的高度，高度增加到220 mm.這樣針對(duì)強(qiáng)度的改進(jìn)方案不需要產(chǎn)品發(fā)生結(jié)構(gòu)性的改變，改動(dòng)較小，也能滿足要求。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)件尺寸如圖6所示。

圖6 后續(xù)產(chǎn)品橫截面改進(jìn)措施（mm）

改進(jìn)后的強(qiáng)度驗(yàn)算如下。

慣性矩IX=16 836 800 mm4；抗彎截面模量WX=153 000 mm3；最大應(yīng)力σ＝Mmax/WX=8 620 000/153 000=56.3 MPa，而實(shí)際安全系數(shù)為 n′＝ σS/σ=235/56.3=4.2＞n＝3.6.

顯然，安全系數(shù)足夠，重新設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度滿足使用要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)某失效結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了分析及改進(jìn)，改進(jìn)后的尺寸與改進(jìn)前增加不多，但安全系數(shù)提高了近一倍，即強(qiáng)度提高了近一倍。因此，技術(shù)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)驗(yàn)固然重要，但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)構(gòu)件后進(jìn)行必要的驗(yàn)算不能缺少，因?yàn)槌叽缟宰髯兓瑢?duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生較大影響。

[1]胡宗波.鋼結(jié)構(gòu)箱形柱與梁異型節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法研究[J].工程力學(xué)，2012（11）：191-196.

[2]鄭先元.鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量監(jiān)督中的常見(jiàn)問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施[J].工程質(zhì)量，2010（9）：53-59.

[3]GB/T 7588-2003.電梯制造與安裝安全規(guī)范[S].北京：全國(guó)電梯標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，2004.

[4]孫保蒼，丁建波.工程力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社2016：130-131.

[5]孫紅玲，劉青亮，李詠梅，等.基于PRO/E參數(shù)化的油浸式變壓器箱底設(shè)計(jì)[J].科技與企業(yè)，2012（21）：210-213.