国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心，北京100088

 

 

   我国早期建设的工业建筑安全度水准低，加之产能的进一步提高导致较多工业建筑结构处于超负荷使用状态。工业建筑钢结构使用20年以上的数量较大且长期处于动载、重载、腐蚀等各种不利环境下，安全性问题非常突出。随着钢结构应用增多和大批老龄，甚至超龄钢结构性能退化，承受动荷载的钢结构吊车梁疲劳问题显得越来越突出。调查发现，无论实腹式、桁架式，还是简支梁及连续梁均有不同程度的疲劳破坏。伴随着改革开放的深入和国外先进技术的引进，按照国外的标准规范，在我国也设计建造了相当数量的工业建筑，经过二十余年使用也逐步暴露出一些新问题，例如按日本设计制造的、在炼钢与轧钢中广泛应用的吊车梁圆弧端头，已普遍发现了严重的疲劳裂缝。因而急需对在役钢结构进行疲劳检测及评估。

     本项目开展以前钢结构设计规范疲劳设计和评估方法仍停留在疲劳容许应力(应力幅)计算阶段,在理论上已落后于结构工程学科的整体发展水平,在实践上也很难保证结构的可靠性和评估的准确性。而且我国乃至国际上都缺少工业建筑中有关吊车梁的疲劳荷载和抗力的统计数据。所以对在役钢结构吊车梁进行检测、评估、加固与修复，在保证安全的情况下尽可能的延长使用期，对工程技术人员来说极为紧迫。

  本项目对工业建筑钢结构检测与鉴定技术进行了试验研究和理论分析，编制了相关的标准规范，并进行了的工程试点和工程应用。

 

   自2000年，历时10余年，项目组先后承担并完成了数项国家及部委重大科研项目，完成了三百余项工业建筑钢结构的现场调查与检测、五十余项吊车梁动态测试，九十余根构（试）件上亿次反复荷载的疲劳试验研究；在国内率先开展了工业建筑钢结构的疲劳荷载和抗力概率统计分析，建立疲劳动态可靠性分析模型；深入研究了我国工业建筑钢结构疲劳损伤检测鉴定、剩余疲劳寿命评估和加固修复的关键技术，完善了工业建筑钢结构可靠性鉴定及安全控制技术体系，主编完成了国家标准《工业建筑可靠性鉴定标准》(GB50144)。

项目主要研究内容如下：

  一、工业建筑钢结构疲劳损伤检测评估技术和试验研究

（1）工业建筑钢结构安全状况调查及检测

（2）焊接工字钢吊车梁上部区域疲劳开裂测试分析

（3）吊车梁桁架铆接节点板应力测试及疲劳强度分析

（4）吊车梁圆弧端疲劳性能测试与分析

（5）吊车梁圆弧端模型疲劳试验测试分析

（6）吊车梁圆弧端疲劳剩余寿命评估分析

（7）吊车梁群体疲劳寿命影响因素分析

二、工业建筑钢结构疲劳可靠度评估研究

（1）在役钢结构吊车梁疲劳荷载效应与疲劳抗力的统计分析

（2）钢结构吊车梁疲劳动态可靠性分析模型

（3）在役钢吊车梁疲劳剩余寿命评估

（4）在役钢结构吊车梁上部区域破损原因分析及其疲劳可靠度研究

三、疲劳损伤钢结构加固修复关键技术研究

（1）吊车梁圆弧端加固技术试验研究

（2）吊车梁圆弧端加固技术优化与应用研究

（3）基于疲劳动态可靠性的在役钢结构吊车梁维修加固策略

（4）钢结构加固修复工程应用

四、工业建筑钢结构安全控制体系研究

（1）工业建筑钢结构诊治问题的宏观分析

（2）工业建筑结构全寿命管理体系研究

（3）在役工业建筑钢结构疲劳安全控制评定体系研究

 

  一、基于Miner累积损伤原理提出了钢结构剩余疲劳寿命评估技术，建立并发展了工业建筑钢结构疲劳损伤检测评定方法体系。

（1）提出了我国不同工业建筑钢结构疲劳损伤类型、影响因素及破坏特征，建立并发展了钢结构疲劳损伤检测评定方法体系，为工业建筑钢结构寿命评估提供了可靠的技术支撑。

在对三百余项工业建筑进行全面调研检测和大量试验研究的基础上，率先给出了我国工业建筑钢结构不同部位直接承受动力荷载与间接承受动力荷载的疲劳损伤类型、影响因素及典型疲劳破坏特征，明确了钢结构疲劳损伤检测指标及技术要求，建立了构件的疲劳损伤评定方法，解决了工业建筑钢结构疲劳损伤现状评估的技术难题。

（2）基于Miner累积损伤原理，提出了钢结构剩余疲劳寿命评估技术

基于Miner累计损伤原理，对现场测试荷载谱进行统计分析，考虑吊车荷载的不确定性，推导出等效应力幅以及欠载效应系数，建立了钢结构剩余疲劳寿命评估公式，为工业建筑钢结构维修加固提供了技术依据。

（3）通过对吊车梁疲劳寿命影响因素进行分析，首次提出吊车梁群体疲劳寿命评估方法。

   通过大量的工程实践、试验研究结果表明：钢吊车梁疲劳强度除与重复荷载引起的应力种类、应力循环形式、应力循环次数、应力集中程度和残余应力等因素有关外，还与吊车梁支承连接方式、跨度大小、运行频率有关。通过对吊车梁疲劳寿命影响因素进行分析，首次提出吊车梁群体疲劳寿命评估方法，解决了工业建筑中大量吊车梁群体进行剩余疲劳寿命评估的难题

上述研究成果中的钢结构疲劳检测、评估技术已纳入《工业建筑可靠性鉴定标准》中，全面指导我国工业建筑钢结构疲劳检测、评估工作。

二、对在役钢结构吊车梁承受的疲劳荷载效应与等效等幅应力进行了概率统计分析，视吊车荷载与疲劳强度为随机过程，建立了基于极限应力模式及基于累积损伤模型的疲劳动态可靠性分析模型。

（1）在大量调查的基础上，利用现场测量的应力—时间历程来推断应力幅分布应力谱，对吊车梁所承受的疲劳荷载效应与等效等幅应力进行了概率统计分析，同时根据国内外有关各构造细节的疲劳资料对疲劳抗力进行了概率统计分析，为建立疲劳可靠性分析模式奠定基础。

（2）视吊车荷载与疲劳强度为随机过程，建立了基于极限应力模式及基于累积损伤模型的疲劳动态可靠性分析模型。

（3）对钢结构规范中规定的8类连接和构造形式的疲劳可靠度进行了校准，解决了工业建筑中在役钢吊车梁疲劳可靠度校准研究的难题，为结构的疲劳设计从允许应力设计法向极限状态设计法过渡奠定了理论基础。

三、给出了圆弧端吊车梁的疲劳强度和疲劳性能（S-N曲线），提出了圆弧端最大主应力计算公式。

（1）通过工业建筑圆弧端吊车梁的疲劳试验以及有限元计算分析，首次给出了圆弧端头的疲劳强度和疲劳性能（S-N曲线）。

项目组通过对13个圆弧端头1:5的模型试验进行共计3000余万次应力循环疲劳试验以及有限元计算分析，首次确定吊车梁圆弧端头的疲劳强度和疲劳性能（S-N曲线），

（2）通过对多种形式吊车梁圆弧端进行的有限元分析，首次提出圆弧端最大主应力计算公式，对圆弧端头吊车梁剩余疲劳寿命进行评估，解决了工业建筑钢结构圆弧端头吊车梁疲劳损伤检测评估及剩余疲劳寿命评估的技术难题。

    根据计算分析和实际测量，吊车梁端头圆弧处存在有较大应力集中，这是造成此处疲劳裂缝的重要原因。圆弧处应力属于多向应力，并且不能用一般材料力学方法进行计算。在统计确定Δσ-N曲线时，采用由有限单元法计算得到的圆弧处最大主应力作为计算应力。根据试验与计算分析，圆弧处腹板上的最大主应力控制疲劳强度。鉴于吊车梁圆弧端设计多样，全部采用有限元计算很复杂，项目组通过对模型试验及有限元计算分析，用最小二乘法回归得到主厂房吊车梁圆弧端最大主应力计算公式及应力集中系数的表达式 。与有限元计算结果的对比，两者相差不超过4%。项目组提出的最大主应力计算公式精度能满足要求，可用于计算不同设计截面形式的各吊车梁圆弧端最大主应力，进而可简化圆弧端头吊车梁剩余疲劳寿命进行评估，解决了工业建筑钢结构圆弧端头吊车梁疲劳损伤检测评估及剩余疲劳寿命评估的技术难题。

项目组研发的圆弧端钢吊车梁疲劳损伤检测鉴定及剩余疲劳寿命评估方法，已在宝钢一炼钢、武钢三炼钢、太钢二炼钢等工程中成功应用。

四、开发了TIG重熔技术修复圆弧端吊车梁疲劳损伤的关键技术，提出了碳纤维加固疲劳损伤钢结构的理论机理和提高剩余疲劳寿命方法，提出了钢结构疲劳损伤修复、加固优化技术。

（1）研究开发了TIG重熔技术修复圆弧端吊车梁疲劳损伤的关键技术，解决了对既有焊接试件（即使已有一定累积损伤）的焊缝疲劳损伤进行修复的技术难题。

    通过60个试件和3个模型构件TIG重熔疲劳试验研究，验证了TIG重熔技术能够改善焊接试件疲劳性能，二百万次的疲劳强度可以提高20%以上。采用TIG重熔修补梁圆弧处焊缝不必刨掉重焊，直接TIG重熔就可提高疲劳强度。避免了大量原有焊缝的刨掉重焊，最大限度地减少了对生产的影响，解决了对既有焊接试件（即使已有一定累积损伤）的焊缝疲劳损伤进行修复的技术难题。

（2）基于断裂力学理论，首次提出碳纤维加固疲劳损伤钢结构提高剩余疲劳寿命的理论机理，并成功工程应用，验证碳纤维加固损伤钢结构效果评价。

    通过6个试件及2个模型构件的疲劳试验，试验结果验证了碳纤维加固后圆弧端模型构件的疲劳寿命明显高于加固前的疲劳寿命，这与小试件的试验结果基本类似，说明碳纤维加固方案确实可以改善和提高圆弧端疲劳寿命。

（3）提出钢结构疲劳损伤加固优化技术，通过对圆弧端吊车梁多种加固技术方案的分析和优化，最终形成效果最佳加固方案，建立了钢结构疲劳损伤加固优化技术。

     基于降低吊车梁圆弧端最大主应力幅、提高疲劳寿命的出发点，提出了对吊车梁圆弧端进行焊接加固、栓接加固和粘接碳纤维加固共三类加固方案；对各方案分别建立了有限元计算模型、共进行了16次不同加固方法模型的有限元分析，通过对比分析每类加固方案最终选择了一种以进行吊车梁圆弧端模型试件加固设计制作，对已开裂试件加固前先进行了裂缝修补处理：共计完成了9个模型加固试件的疲劳试验，通过对各方案加固补强效果进行优化分析，提出了吊车梁圆弧端加固处理建议，解决了既有工业建筑钢结构疲劳损伤修复与加固的技术难题。

项目组研发的TIG重熔技术修复圆弧端吊车梁疲劳损伤的关键技术和碳纤维加固疲劳损伤钢结构技术以及钢结构疲劳损伤修复、加固效果评价技术等构建了我国较完善的工业建筑钢结构疲劳损伤修复技术体系，上述创新成果已在宝钢一炼钢、武钢三炼钢、太钢二炼钢等工程中成功应用，有效延长了工业建筑钢结构使用寿命10-15年。

 

本项目成果已广泛应用于冶金(武钢、包钢、宝钢、吉林铁合金、太钢等)、石化(齐鲁石化、北京化工二厂、燕山石化等)、机械(一汽、二汽、东方汽轮机、陕鼓等)、电力(国电集团、华能集团、华电集团等)等行业的工业建筑钢结构检测鉴定和加固修复工程中，成功解决了上千项处于潮湿、腐蚀、重载、动载、高温等环境下及事故、增产改造、管理维修等情况下钢结构诊治问题。

 

本项目是根据工业建筑钢结构特点，针对实际工程中大量存在的钢结构疲劳问题而进行立项的，通过本项目的研究，研发了工业建筑钢结构检测鉴定及加固中的一系列关键技术，编制了相应的国家及行业规范标准，带动了该行业的技术进步，在大量既有工业建筑诊治工作中得到广泛应用，同时，培养了一大批高层次技术人才。创造了很好的经济效益和社会效益。

目前，既有土木结构量大面广，在使用过程中也出现了许多不同程度的问题，如何对其进行诊治显得尤为重要，因而，结合本课题研究成果，对土木结构诊治关键技术进行深入研究，并将其广泛应用到民用建筑、桥梁、隧道等其他土木结构的诊治中，是本项目下一步的研究发展目标。

 

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