對港口起重機鋼結(jié)構(gòu)抗脆斷設(shè)計的研究

何海勝 李旭平

（珠海天力重工有限公司，廣東 珠海 519000）

港口門式起重機服役過程中頻繁起升重物、帶載運行的自身特點，在服役過程中其鋼結(jié)構(gòu)所受的是反復(fù)的交變載荷作用，因此，疲勞脆性斷裂是威脅結(jié)構(gòu)自身安全的主要因素。《起重機設(shè)計規(guī)范》對鋼結(jié)構(gòu)提出了抗屈服、抗失穩(wěn)和抗疲勞失效的安全性核算要求,但不能保證抗脆性破壞的安全性,因此鋼結(jié)構(gòu)抗脆斷性研究在整機結(jié)構(gòu)設(shè)計中尤為重要。

1 港口起重機鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂的成因

1.1 應(yīng)力集中區(qū)易出現(xiàn)脆性斷裂現(xiàn)象

在橋式起重機結(jié)構(gòu)中，與其他部件相比，鋼軌、平衡梁、焊縫等鋼構(gòu)件易于出現(xiàn)脆性破壞問題，這些部件位于起重機的高應(yīng)力區(qū)域，經(jīng)常受到交變應(yīng)力的影響，使這些部件承受很大的應(yīng)力，導(dǎo)致截面出現(xiàn)明顯的變化，使應(yīng)力集中在這個位置，過度的應(yīng)力作用使縱筋和橫隔板的作用都失效。對于設(shè)計層，在如此大的應(yīng)力下，力流不能無障礙地傳遞，并且結(jié)構(gòu)組成是不合理的，這也是結(jié)構(gòu)中的焊縫致密、焊點更多、接頭更多的原因。焊接工藝不好，焊接質(zhì)量不合格，工件底座材料也不符合設(shè)計要求，這是起重機結(jié)構(gòu)裂縫的主要原因。 在正常情況下，起重機的結(jié)構(gòu)通過對接焊縫和角焊縫焊接。應(yīng)力的集中源主要位于焊接突出的位置。一旦結(jié)構(gòu)焊接完成，如果沒有更多的機械加工，起重機的抗疲勞性也將大大降低。如果消除焊接縫凸起的部分，將提高起重機的疲勞強度，延長其使用壽命。凸出部位和試樣軸線交角處θ，以及凸起位置的高度h是橫向?qū)雍缚p受到應(yīng)力影響的主要部位。

對于角焊縫，由于焊縫向母材基體金屬過渡處的截面變化比較明顯，應(yīng)力集中系數(shù)大于對接焊縫的應(yīng)力集中系數(shù)。因此，耐疲勞性小于對接焊縫。在角焊縫計算厚度hf≥1.5 t（t為焊件厚度）的條件下，可以根據(jù)指定的焊縫厚度選擇角焊縫的最小厚度。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)母材的抗疲勞性能決定了鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂情況

（1）鋼材抗疲勞性能降低

如果鋼進行長期或反復(fù)負荷，承受的最大壓力將會逐漸減少，極易受到破壞，比如脆性破壞和突然破裂。處于彈性成型階段的鋼材，如果重復(fù)負荷，鋼的塑性變形會增加，鋼會變硬變脆，然后會出現(xiàn)微裂紋，應(yīng)力會集中。在這個位置，微裂紋文本將擴展并緩慢增加。此時，應(yīng)力集中的問題將變得更加明顯，鋼的斷裂和損壞就成了必然。

（2）鋼的焊接性能下降

如果鋼焊縫變脆或者出現(xiàn)冷裂的趨勢，將會對鋼的焊接性能造成更大的影響。碳鋼通常不會受影響，但是除此以外的6個元素都受影響，比如含量會出現(xiàn)明顯的變化，鋼會增加熱脆性和熱傾向。此外，由于熱影響導(dǎo)致的冷裂紋傾向會變得越來越明顯。為避免鋼的性質(zhì)干擾，必須控制材料中元素的含量。

（3）沸騰鋼的性能下降

對于沸騰鋼，其偏析現(xiàn)象比較明顯。偏析集中表現(xiàn)在：鋼材表面會出現(xiàn)純鐵的薄層，該薄層中含有少量的碳。中間層有許多硫元素，同時含有大量有害氣體，導(dǎo)致鋼材出現(xiàn)了比較明顯的區(qū)域偏析現(xiàn)象，這會大大地降低沸騰鋼的可焊性。此外，鋼中含有大量的固溶氮，固溶氮能提高鋼材的失效敏感性和冷脆性。磷區(qū)域是沸騰鋼中偏析現(xiàn)象最嚴重的元素，它會導(dǎo)致鋼的沖擊強度降低，冷脆性提高，脆性斷裂的概率顯著提高。

2 起重機鋼結(jié)構(gòu)抗脆斷設(shè)計

導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)脆斷的因素有很多，通過長期生產(chǎn)實踐和結(jié)構(gòu)設(shè)計實驗，設(shè)計人員對這些因素已有一定的積累。具體來說，造成鋼結(jié)構(gòu)脆斷的因素主要有應(yīng)力集中、結(jié)構(gòu)尺寸、表面加工質(zhì)量以及荷載等。在起重機鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)有意識地規(guī)避這些因素，提高鋼結(jié)構(gòu)的抗脆斷性能。

2.1 起重機結(jié)構(gòu)參數(shù)

起重量Q（主/副）為180/50 t，跨度S為22 m，工作級別是A6，起升高度H（主/副）分別是20/22 m，起升速度V（主/副）為4.5/11.4 m/min，運行速度（主/副/大車）為36/33.7/73.5 m/min，輪距（主/副）為4 080/1 850 mm，軌距（主/副）為8 700/3 000 mm。此橋式鑄造起重機噸位、跨度較大，為減少結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)，改善受力，方便運輸，選用六梁鉸接式結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計思路

2.2.1 焊縫截面的優(yōu)化

圖1 橋架結(jié)構(gòu)框架圖

當(dāng)橋式起重機主梁的主梁和上層板焊接時，必須根據(jù)具體情況焊接K形槽或V形槽。對于重型橋式起重機，主梁的主梁厚度為16 mm。V形槽難以熔化通過板的厚度，這將導(dǎo)致焊縫強度降低，必須采用K形槽。對于輕型橋式起重機，V型槽必須用于內(nèi)部焊接。另外，如果凹槽的角度太大，則焊接缺陷將增加，這將導(dǎo)致焊接的使用壽命短于基底金屬的使用壽命。因此，V型槽角通常不超過50°。焊縫表面有2種類型的凹凸，它們會影響焊縫中的張力流的傳遞。一些研究表明，凹面焊接的張力較小，具有更長的使用壽命，因此焊接后需要主要負載。進行表面處理以使表面凹陷。

2.2.2 應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)的改造

主梁和主梁下甲板的交界處存在局部應(yīng)力集中，最終梁的可變截面角度是主要裂縫源之一。在施焊時，下蓋不得與主板對接。下蓋可以焊接到箱梁上一段空間，這可以減少焊縫中的擠壓應(yīng)力并減輕應(yīng)力集中。對于可變截面的角度，必須建立過渡弧，并且弧的半徑不能太小。同時，在拐角處增加焊接脊以減輕主帶中張力集中的影響。

2.2.3 主腹板的改造

按照波浪形狀重新設(shè)計橋式起重機的平直主腹板，使主腹板呈現(xiàn)出縱向的波形變化，這可以明顯提高腹板的承載面積和垂直方向的穩(wěn)定性。相關(guān)研究已驗證過，平直腹板梁的應(yīng)力比波形腹板梁的應(yīng)力高38%。然而，只將腹板設(shè)計成波形，還不能全面提高腹板的抗扭剛度，當(dāng)腹板受到水平?jīng)_擊力時，主梁很容易沿水平方向出現(xiàn)明顯的變形。這就需要在設(shè)計時將波形腹板和平直腹板配合使用，根據(jù)水平方向上平直腹板的剛度以及波形腹板的縱向剛度來整體提高主梁的穩(wěn)定性。

2.3 優(yōu)化設(shè)計后主主梁疲勞強度驗算

橋架工作級別為A6，應(yīng)按載荷組合Ⅰ計算主梁跨中的最大彎矩截面E的疲勞強度。由于水平慣性載荷產(chǎn)生的應(yīng)力很小，為了計算簡明而忽略慣性應(yīng)力求截面E的最大彎矩和最小彎矩，滿載小車位于跨中E點，則 Mmax=Mx=7781153N·m空載小車位于右側(cè)跨端時，如圖2所示。

圖2 最小應(yīng)力計算簡圖

左端支反力為

驗算主腹板受拉翼緣焊縫④的疲勞強度

應(yīng)力循環(huán)特性

根據(jù)工作級別A6，應(yīng)力集中等級K2及材料Q235，查得[σ-1]=63.0MPa。

焊縫拉伸疲勞許用應(yīng)力為

σmax＜[σrt]合格

驗算橫隔板下端焊縫與主腹板連接處的疲勞強度

應(yīng)力循環(huán)特性

眾所周知，港口門式起重機服役過程中頻繁起升重物、帶載運行的自身特點，在服役過程中其鋼結(jié)構(gòu)所受的是反復(fù)的交變載荷作用，因此，疲勞脆性斷裂是威脅結(jié)構(gòu)自身安全的主要因素。顯然，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，相同工況下的應(yīng)力循環(huán)特性是一致的。這說明，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后的梁臂鋼結(jié)構(gòu)的抗脆斷性較好，達到了抗脆斷設(shè)計要求。