重视塔式起重机钢结构的早期疲劳破坏.docVIP

四、塔式起重机钢结构的早期疲劳破坏 重视塔式起重机钢结构的早期疲劳破坏 吴恩宁 唐小卫 近两年来，塔机在使用中出现了一种危险的迹象，值得我们高度重视，就是越来越频繁的发现使用了3-5年的塔机钢结构上出现了疲劳裂纹，我们称为早期疲劳或低周疲劳，仅笔者接触到的实例就已有多起，有的被及时发现了，采取了修补加强或报废更换措施，也有少数没有被发现，而导致机毁人亡的重大事故。据了解，市场上不同企业的塔机都发现这种现象，而以前却极少出现此类现象，主要原因何在？如何预防？笔者为此进行了一些分析探讨，以供塔机制造使用和监管人员参考。 疲劳裂纹出现的部位及破坏形式 需要说明的是，之所以认定本文所述的裂纹为“疲劳裂纹”主要基于两点，一是这些破坏的材料经化学分析和机械性能试验均符合要求，不存在超标的杂质和脆性等情况；二是裂纹外观和该部位的受力特征符合疲劳破坏的机理（本文将阐述）。 从收集的实例看疲劳裂纹产生的部位大多位于塔顶的上、下端部和塔身的根部，均为主弦杆材料上出现横断面裂纹如(图一所示)，很少发现其它部位出现类似疲劳裂纹（如图二所示）。 塔身标准节主弦杆断裂截面 塔身标准节主弦杆疲劳裂纹 塔顶上部主弦杆疲劳裂纹 塔身标准节主弦杆疲劳裂纹 标准节螺栓（约1/3疲劳裂纹区） 塔顶下部主弦杆疲劳裂纹 图一 上述图片的裂纹形式和破坏情况符合金属材料疲劳破坏的概念特征。 疲劳裂纹产生的机理 多台塔机为何都在上述几个部位出现疲劳裂纹，其它部位则很少发现，我们进行了相关分析：从一些专业文献上（见附注）我们可以了解到，金属材料的疲劳破坏与以下三种因素有关： 与材料的载荷量有很大关系 图三为金属材料疲劳曲线图，也称为σ-N曲线图，横座标N为发生疲劳破坏时的应力循环次数，纵座标σ为该循环次数N所对应下的材料应力值，由此图可见，当材料承受的交变载荷值超过额定值时，达到疲劳破坏的应力循环次数就相应减少，载荷值超过额定越多，应力循环次数就越少。 与交变载荷的类型有较大关系 典型的交变载荷主要有两种，一种是随时间变化，载荷应力在正值和负值之间（如拉伸和压缩）变化且正负值大小相等，称之为对称循环变应力（如图四所示）， 另一种是随时间变化，载荷应力在最大值和零之间变化，最大应力值不变（如图五所示），称之为脉动循环变应力，而在该两种循环变应力情况下，材料的疲劳曲线图是不同的（如图六所示），可以看出，在同样的载荷应力值条件下，达到疲劳破坏时对称循环变应力所需的循环次数比脉动循环变应力少得多，也就是承受对称循环变应力的构件将更早发生疲劳破坏。 与零部件外部特征关系较大 理论和实践证明。零部件的截面突变处，钢性突变处等存在应力集中的部件，以及表面有缺口、粗糙的部件，很容易发生疲劳破坏。 从上述疲劳破坏理论来分析，就可以基本上了解塔机结构件疲劳裂纹产生的机理。图七表示了塔机各主要结构在工作时的受力特性，可以看出，塔机各主要构件受力状况差别很大，平衡臂及其拉杆爬爪套架等基本上受静载荷，起重臂及其拉杆承受的是脉动循环变载荷，而塔顶、塔身则承受最不利的对称循环变载荷，图八a、b、c分别表示了塔顶上（Ⅰ）、下部（Ⅱ）和塔身下部（Ⅲ）容易出现疲劳裂纹的位置，可以看出，这些部位均是构件刚性变化大，应力集中最明显的地方。 通过上述分析，我们不难发现，在整个塔机结构中，塔身底部、塔顶的上、下部位，受的载荷大，截面刚性变化大，又承受最恶劣的对称循环变载荷，各种产生疲劳的不利因素叠加在一起，因此这些部位容易出现裂纹是必然的。 疲劳裂纹产生的主要原因 由于承载的特性和构造的需要，塔机上总是有一些受力状况不利，且存在应力集中的部位，如上述塔身底部、塔顶的上、下部位，但不并等于说塔机的这些部位一定会产生疲劳裂纹，绝大多数相同结构的塔机在同一时间段里未发生疲劳裂纹的事实充分说明这一点，而我们通过对多台发现裂纹塔机使用情况的了解得出的结论是，较长期且较严重的超载使用是发生疲劳裂纹的主要原因。为什么会有这种超载现象，则主要是由于以下因素： 1. 认识的误区，不少塔机操作者甚至管理者都认为，塔机肯定存在一定的设计余量，超载使用不至于发生事故，尤其是他们完全没有“材料疲劳”的概念，认为钢铁是无生命的，可以无限次超载使用； 2. 为节省费用，小塔机当大塔机用，以浙江建筑市场为例，最典型的楼房建造程序是，汽车将成捆的钢筋运至塔机幅度30—50米处，塔机先将钢筋卸下，再将成捆的钢筋运至楼面施工处，由工人解捆绑扎，从各工地观察看来，成捆的钢筋一般2—3吨，按要求应用100吨米以上塔机，而大多数工地都采用了60吨米和63吨米级塔机，严重超载，几幢大楼造好，塔机的超载量和次数可想而知； 3. 目前的塔机安全装置存在不足，大多数塔机采用弓形