王 冬
(山西鋼鐵建設(集團)有限公司 山西鼎研工程檢測技術有限公司,山西 太原 030003)
隨著時間的推移,在新中國成立初期建造的工業廠房已經有大批進入老齡期。工程結構在經歷了較長時間的使用后,由于受到自然環境和人為因素的影響,往往已經出現了一些比較嚴重的損害,其中鋼吊車梁的疲勞破壞屬于突發脆性破壞,破壞前無明顯征兆,應引起高度重視[1,2]。
某鑄鍛公司鑄鋼廠建于1958年,為單層三跨鋼框排架結構,基礎為鋼筋混凝土獨立基礎,承重系統包括鋼格構式階形柱、工字形鉚接吊車梁和鋼結構梯形屋架等,柱距為6 m,三跨鋼框排架跨度為24 m+24 m+24 m,吊車梁多為6 m跨,因工藝需要,西跨存在抽柱情況,部分柱間為12 m,因此設置12 m跨吊車梁。目前該廠房內共布置有6臺橋式吊車,東跨兩臺50 t/10 t吊車已拆除,中跨兩臺50 t/10 t吊車,西跨一臺30 t吊車和一臺100 t吊車,均為重級工作制吊車。因該廠房鋼結構已經超期服役,為此本文根據業主要求,依據GB50144-2019《工業建筑可靠性鑒定標準》附錄E[3]的方法對該車間重級工作制鋼吊車梁控制部位的應力(應變)-時間變化關系進行實測,并按實測應力(應變)-時間變化關系進行鋼吊車梁殘余疲勞壽命評估。
結合現場試驗條件及吊車梁重要程度,較全面地采集到了所需數據?,F場對三根軸線B列的12 m跨鉚接鋼吊車梁進行了試驗, 分別為B/16-18、B/18-20、B/20-22,三根梁的結構形式相同,如圖1所示。
圖1 12 m跨鉚接鋼吊車梁
應力(應變)-時間變化關系的測量在正常生產狀態下進行,每次連續測量時間應至少包括一個完整的生產循環過程,本次測量總時間不少于36 h,測量儀器采用動態電阻應變儀。
測試儀器及設備包括:應變片(提前按半橋接好)、三芯屏蔽導線、動態電阻應變儀、筆記本電腦和應變數據動態采集系統(軟件)。
測試截面:①跨中最大豎向彎矩截面處受拉翼緣與腹板連接處附近主體(A點);②跨中最大豎向彎矩截面處橫向加勁肋下端點附近主體(B點);③吊車梁截面高度變化位置,受拉翼緣主體(C點與D點)。測點位置布置如圖2所示。
圖2 12 m跨鉚接鋼吊車梁測點位置布置
本次試驗連續監測43 h,采樣頻率為100 Hz,即每秒采集數據100個,因此試驗數據量極其龐大,限于篇幅,此處將測試數據從略,僅給出開始后2 h的典型應變時程曲線,如圖3~圖5所示。圖3~圖5中的橫坐標為時間(s),縱坐標為微應變(με)。
圖3 截面3(梁端) 測點D的應變時程曲線
圖4 截面1(跨中) 測點A的應變時程曲線
圖5 截面1(跨中) 測點B的應變時程曲線
鋼吊車梁系統的殘余疲勞壽命評估應結合實際損傷情況、結構形式、檢查制度和生產發展等方面的因素綜合考慮。測量部位殘余疲勞壽命的評估值計算公式為:
(1)
GB50017-2003《鋼結構設計規范》第6.2.3條規定,重級工作制吊車梁的疲勞可作為常幅疲勞;附錄E構建和連接分類規定,屬于附錄E中第17項次中的鉚釘連接處的主體金屬類別,其構件和連接分類為3類,查表6.2.3-2可知,循環次數n為200萬次的允許應力幅[Δδ]2×106=118 N/mm2。根據本次疲勞監測試驗數據顯示,43 h內吊車梁跨中截面超過[Δδ]2×106=118 N/mm2的應力循環次數的可達到113次。通過計算軟件使用雨流法統計得到測量部位第i個級別的應力幅值,并將以上數值代入公式(1)計算得到:T=-86 767.3 h<0。由此可知,吊車梁在較高應力幅作用下的理論疲勞壽命為負值,目前吊車梁已不能繼續安全工作。
根據吊車梁殘余疲勞壽命估計試驗結果,目前吊車梁在較高應力幅的作用下理論疲勞壽命已經耗盡,吊車梁已不能繼續安全工作。結合吊車梁鋼材沖擊韌性試驗結果,吊車梁鋼材沖擊韌性不合格,材料韌性較差,在較高應力幅的作用下易發生脆性斷裂。