塔式起重机钢结构疲劳寿命的思考

2015-10-21董凯

建筑工程技术与设计 2015年19期

董凯

【摘要】塔式起重机发生损坏主要是发生在起重机的塔身、平衡臂或者是起重臂的金属结构中，由于在施工工作中，起重臂和机身承担的负荷比较大，所以非常容易发生损坏，这也是造成钢结构出现疲劳损坏的主要原因。目前在我国对起重机的负荷采集是具有一定的困难的，而且对于疲劳寿命的计算也是存在着一定的困难的，由于在进行疲劳寿命的计算中涉及到的学科比较多，所以受到很多因素的影响。本文中主要针对塔式起重机钢结构的寿命计算方法展开讨论，首先讨论在塔式起重机进行的有限模型及相关的净应力的计算方法，然后再确定负荷时间。在塔式起重机中主要将钢结构所承受的负荷分为冲击载荷及变幅载荷，通过对这两种疲劳载荷方式的分析，我们能够得到先关钢结构的疲劳寿命。

【关键词】塔式起重机；钢结构；疲劳；寿命；思考

塔式起重机在我们的实际生活中主要是进行水平或者是竖直方向的运输，特别是在比较狭小的建筑工地上应用的比较广泛，是一种比较重要的建筑施工的机械，同时在使用塔式起重机的时候也是比较容易发生重大的安全事故。塔式起重机发生损坏主要是发生在起重机的塔身、平衡臂或者是起重臂的金属结构中，由于在施工工作中，起重臂和机身承担的负荷比较大，所以非常容易发生损坏，这也是造成钢结构出现疲劳损坏的主要原因。根据相关规定我们可以看到，如果在工作施工中起重机的工作级别在A6级以上，除了要计算钢结构的强度及刚度外，同时还要计算起重机的疲劳强度。目前在我国对起重机的负荷采集是具有一定的困难的，而且对于疲劳寿命的计算也是存在着一定的困难的，由于在进行疲劳寿命的计算中涉及到的学科比较多，所以受到很多因素的影响，从这点我们可以看出对于塔式起重机钢结构疲劳寿命的计算是一项值得我们进行深入研究的领域。

一、钢结构疲劳机理

金属的金相分析我们可以看到，在级别较高的非金属杂志主要是发生钢材料的纵向面中，在横面中出现杂质的情况则不是很多，在受力的钢结构中，金属材料的主要受力方向就是金属材料的轧制方向，这与杂质的分布是保持一致的。在塔式起重机的塔身，由于受到了不断的扭、压、转、弯等负荷作用，所以受到的影响是非常大的。塔式起重机的疲劳破坏比较明显的就是脆性断裂，也是早期疲劳的主要形式。在机械使用的过程中由于使用年限没有达到使用寿命的规定，所以一点出现脆性断裂都是比较突然的。而且一旦发生断裂，多数都是发生在塔身根部、塔身支撑点的各个节点。另外如果在这些主要的损坏位置具有非常明显的杂志，那么也会导致机械出现早期的疲劳断裂。

二、塔式起重机的载荷时间

塔机在工作的过程中，要接受不同的疲劳荷载，在运行中，要通过对变幅荷载的控制，从而能够防止大量冲击荷载的产生，变幅荷载是在塔机运行中产生的，是在小变幅的作用下进行的，冲击荷载是在塔机剧烈的运动中产生的。变幅载荷的运动幅度比较小，同时运动比较随机，所以在得到了变幅载荷的经历中一定要了解运动的规律。通过现场观测的方法可以有效的了解变幅运动的规律，从而得到变幅载荷时间运动的历程。冲击载荷主要是对塔式起重机的运动进行瞬间的运动分析。通过研究自重、风载荷及惯性力度塔式起重机的影响，从而得到静载荷加载在起重机钢结构上的应力。

小车的运行具有一定的随机性特点，所以，其变幅也是不同的，但是，如果通过对小车的运行进行持续的观察，则会发现，塔式起重机的变幅也是有规律可循的，其能够与小车的运动有一定的关系的，所以，在小车运行时，起重臂上的具体位置是有变频的规律的，通过运用这种方法对塔式起重机的运行规律进行分析，从而能够得到变幅的规律。

三、疲劳属性

我们发现塔式起重机的主要钢结构采用的分别是16Mn2及Q235A两种材料构成，我们可以通过查询机械工程材料性能手册而得到这两种材料的疲劳屬性，通过取可靠度为99%的疲劳寿命曲线，从而得到钢材的S-N曲线。影响钢材疲劳属性的因素主要表现在应力集中，而这个影响因素同样也是影响钢结构疲劳属性的主要因素。所以在研究钢结构的疲劳因素上我们首先要考虑钢材的疲劳因素。除了应力集中这个主要影响因素外，其他的还有残余应力及钢结构所处的环境对其所造成的影响，如果在一般环境中钢结构的疲劳属性受到的影响并不大，但如果是在具有腐蚀性的环境中，则受到的影响则是比较大的。

（一）疲劳寿命的计算

在对塔式起重机的应力结构进行分析的基础上，就能够看出其冲荷载与变幅荷载之间的关系，其关系可以运用曲线图来呈现，而且在对钢材料的抗疲劳特定进行分析的时候，可以借助软件。

通过对数据的观察，可以发现，塔式起重机在运行的过程中，其频率与荷载还是存在着密切的关系的，而且，通过对数据的总和进行分析的基础上，可以发现，变幅小车在10小时内的运动呈现出一定的规律，而且能够建立塔式起重机的总频率，在对频率进行分析的过程中，能够建立周期性运动，数据在塔式起重机的各个节点运动中产生的冲击荷载能够运用图谱的方式来表达。通过这种分析形式可以得到在钢丝绳中花姑娘上升是内力随着时间而变化的整个完整过程。对这两种时间经历进行分析我们可以得到这样的结论：变幅小车在塔式起重机的起重臂中停留的时间是最长的，所以在起重臂中承载的负荷也是最大的，而冲击载荷的作用点则离回转的中心比较远，但是在钢结构的瞬间动态响应是最显著的，我们也可以理解为在塔式起重机中冲击载荷的震动幅度是最大的。

（二）相关结论

通过以上的讨论分析，我们可以得到这样的结论：

塔式起重机的运动是呈现出一定的规律的，其能够按照正态分布来实现，可以借助函数的方法来分析。踏实起重机的荷载具有一定的随机性，但是，在钢结构中能够呈现出循环的运行。

在对塔式起重机的钢结构的寿命进行分析的过程中，分析出其可以使用5000个小时以上，所以，如果起重机每年要工作300个小时，其还可以使用接近20年，而且能够实现在不同环境下使用。

本文研究的塔式起重机在起重臂的上弦杆及塔冒之间的主弦杆的疲劳寿命是比较短的，而塔式起重机的平衡臂基本上不会出现疲劳损伤，这说明塔身的主弦杆在使用寿命上是比较长的，可以满足塔式起重机使用寿命的基本性要求。

在本次的研究讨论中我们主要针对塔式起重机钢结构的寿命计算方法展开讨论，首先讨论在塔式起重机进行的有限模型及相关的净应力的计算方法，然后再确定负荷时间。在塔式起重机中主要将钢结构所承受的负荷分为冲击载荷及变幅载荷，通过对这两种疲劳载荷方式的分析，我们能够得到先关钢结构的疲劳寿命。

结语：

塔式起重机的安全对人身安全具有非常大的影响。一旦出现了断裂事故，那么造成的影响是非常大的，影响也是非常恶劣的。所以在塔式起重机的生产厂家一定要注意对钢结构杂志的控制力度。同时要保证在使用过程中严格按照机械的操作规章进行，严格保证起重机的使用寿命。

参考文献：

[1]候沂，李世六，王进等，塔式起重机钢结构疲劳寿命研究[J].土木建筑与环境工程.2009.31（5），24--30.

[2]张朋，李梅山，孟宪颐，塔式起重机钢结构疲劳寿命估算[J].建筑机械月刊.2000.3（2），124--125.

[3]赵威威，基于实验在役塔式起重机疲劳寿命分析[D].大连理工大学.2012.