鋼結構重型廠房結構複雜,具有柱距大、高度高的特點,在冶金、機械製造等工業廠房設計中廣泛採用,並且通常內設大型的起重設備,且起重設備作業頻繁。某煉鋼主廠房於80年代投入使用,其吊車梁均為實腹式工字形截面焊接梁,跨度有7,12,15,20,21,25,28,30II1共8種。其中7,12,15m跨吊車梁為等截面梁,截面高度為2m。其餘梁採用圓弧過渡變截面形式,端部截面高度均為2m,中部截面高度對於20,21m跨吊車梁為2.8m,對於28113跨吊車梁為3.8m,對於30m跨吊車梁為3.9IIl。2001年由於吊車梁疲勞破壞嚴重,對吊車梁及制動結構均進行更換(7nl跨的等截面梁除外),新吊車梁採用變截面直角式。至2015年,隨著生產負荷的增加,吊車運行的頻繁,吊車梁使用又已經接近疲勞破壞年限,經檢查,28m和30m的吊車梁插板與腹板存在裂紋,其餘吊車梁經探傷檢查發現也存在微裂紋等。
一、吊車梁開裂原因分析
1.原廠房受廠房柱肩梁標高的限制,經改造後的重載大跨度吊車梁採用了插板式變截面形式。在長期高頻次往復重載作用下,變截面處的應力集中導致吊車梁出現疲勞開裂。雖然插板式吊車梁較圓弧式的抗疲勞性能有所改善,但變截面處仍存在較高的應力集中,且應力集中分布範圍較小。
2.直角式截面突變吊車梁變截面的應力集巾區域和破壞形態,不同於圓弧式吊車梁,疲勞裂紋起源於封板與插板的交界處。疲勞斷裂屬於材料的脆性破壞,初始破壞徵兆不明顯,人工肉眼的檢測方式難以及時發現裂紋,加上構造空間狹小和捕板平面上的積灰影響,增加了發現裂紋的難度。
二、吊車梁形式的選擇
1.變截面直角式吊車梁計算:直角式截面突變吊車梁支座的不同形式,以這4種情況為基準,又將端板變為腹板,其腹板厚度拓展為32mill和50mm,最終將上述共5種情況根據下部端板厚度的不同尺寸進行有限元分析。
2.變截面圓弧式吊車梁計算:圓弧式吊車梁的3種不同形式。由於本次吊車梁插板與腹板的裂紋主要集中在跨度為28m的梁,因此選擇了28m變截面圓弧式吊車梁進行有限元分析比較。
3.變截面直角式突變吊車梁與變截面圓弧式突變吊車梁比較:以上有限元分析結果選取三腹板直角式突變吊車梁、三腹板圓弧吊車梁和圓弧變截面貝殼板式吊車梁端頭情況。直角變截面、圓弧變截面和圓弧變截面貝殼板式吊車梁綜合。