李晓东 袁瀚 陈浩

(中冶建筑研究总院有限公司建筑工程检测中心，北京，100088)

 

摘要：吊车梁是炼钢厂房非常重要的一种结构构件，钢吊车梁的破损开裂以疲劳开裂为主，对于焊接钢吊车梁的常见疲劳开裂，人们已经有了较为深入的剖析和了解，但实际使用过程中，仍有其它一些疲劳裂缝产生。通过炼钢厂房钢吊车梁的开裂实例分析及加固处理，说明在吊车梁的连接构造上，必须充分考虑其受力特点，即端部转角位移，采取合理的连接构造形式，才能保证吊车梁的安全正常使用。

 

 

Abstract：The crane beam is a very important structure member for a steel works. For these years, the fatigue cracks of a welded steel crane beam have already been studied deeply and analysed, but some other crack is found in the steel works. According to the case analysis of the crack of a crane beam and reinforcing treatment in a steel works, emphasize the importance of connection details for a crane beam, especially for which serves for heavy duty, special heavy duty cranes, for the safe and normal use of the crane beams, the forcing behavior and slope displacement must be considered fully and rational connection forms is adopted in the details design of a crane beam.

Keywords：Welded crane beam  Fatigue crack Reinforcing treatment

 

吊车梁是工业厂房非常重要的一种结构构件,吊车梁能否正常工作直接影响着生产的正常进行^[1]，尤其炼钢厂房运行重级、特重级工作制吊车的吊车梁，通常吊车吨位大，运行频繁。再加上近年来炼钢产业的蓬勃发展，炼钢厂不断增产扩容，进一步加剧了吊车梁的工作负荷。使得吊车梁破损开裂现象时有发生。钢吊车梁的破损开裂以疲劳失效为主，疲劳失效是工程结构在反复荷载作用下的主要失效模式之一。根据有关文献，工业厂房钢结构吊车梁系统的破坏80%～90%都是由于疲劳引起的^[2]。而在工业生产中，由于生产条件与环境的限制，在目前的管理和检测技术条件下，钢吊车梁出现微裂纹时很难被发现或监测到，所以需要从根源上分析裂缝产生的原因，并及时补救，避免安全事故的发生。

吊车梁的常见疲劳裂缝有两类，一类是腹板与上翼缘之间开裂；一类是吊车梁支座部位开裂。

2.1 腹板与上翼缘之间开裂

从20世纪80年代后期，我国许多大型钢厂的重级工作制焊接钢吊车梁的上翼缘与腹板连接焊缝处出现纵向水平疲劳裂缝(简称腹板上部裂缝)。世界上其他一些国家也出现过类似的情况，产生这种裂缝的主要原因是轨道和吊车梁的制造误差、安装偏差及吊车的运行偏差等因素造成了吊车的垂直轮压对腹板中心的偏心，当吊车运行时，这种偏心轮压使得加劲肋与上翼缘的连接焊缝内侧端产生垂直向的不断变化的集中应力，在焊接残余应力和交变的集中应力长期作用下，该焊缝内侧端点首先开裂，随后裂缝逐渐向外发

展,直至焊缝全部开裂。当加劲肋上连有垂直支撑时，因吊车梁下挠而使垂直支撑产生的附加剪力将会加剧上述裂缝的形成。目前，此类裂缝已经被大家广泛认识，并且加强了构造处理和生产控制，在保证偏心满足要求的情况下，可以避免此种裂缝的产生^[3]。

2.2 支座部位开裂

炼钢厂房受工艺限制，通常会由于柱距不同而采用变截面结构形式，上世纪80年代初宝钢一期工程中，日本设计的吊车梁构件采用圆弧式突变支座，圆弧式突变支座，构造形式美观，加工制作简单，很快开始在国内吊车梁设计中流行，然而，宝钢一期采用圆弧式突变支座的吊车梁，用了十多年就在其支座的圆弧端部普遍出现疲劳裂纹，由此而不得不大规模更换、加固，严重影响正常生产。据了解，日本钢铁厂采用圆弧式突变支座的变截面吊车梁也作了更换^[4]。

圆弧式变截面由于其疲劳性能的缺陷，目前已经不再使用，而开始广泛采用直角式变截面，有限元分析结果表明，直角式变截面的疲劳性能要优于圆弧变截面，而且，可以满足工厂自动焊接的工艺要求。

采用直角式变截面的结构形式以后，吊车梁支座处的疲劳特性有了一定的改善^[5]。支座处的疲劳开裂的情况有所减少。

吊车梁通常有两种支座连接形式：平板式支座和突缘式支座，吊车梁为了保证纵向水平力的传递，通常需要在端部设置纵向连接螺栓。平板式支座的纵向连接螺栓可直接连接端部腹板，也可借助端板来连接，如图3.1、3.2所示。

 

某炼钢厂20m跨钢吊车梁，其间运行两台120t A7级重级工作制吊车，纵向连接螺栓采用设置端板的方式。厂房于1997年投入使用，2009年检修过程中发现一处端板与腹板连接部位存在开裂现象，后对所有吊车梁进行普查，发现该现象普遍存在。从使用频次和负荷程度看，吊车梁远未达到设计使用年限而发生开裂现象，经现场对开裂部位进行全面的检查后，判定造成开裂的原因主要有以下几个方面：

1、吊车梁为典型的简支梁结构，在使用过程中，端部会产生转角，端板限制了这种转动，从而会产生附加弯距，而平板支座形式会加剧这种影响。对于大跨度，运行重级、特重级工作制吊车的吊车梁，由于截面高度较大，此转角位移的影响也较明显。

2、端板高度较矮，端板顶部和腹板连接部位的附加拉应力仍然较大。

3、为了防止安装偏差，端板采用现场焊接的方式，焊接质量难以保证，端板顶部和腹板连接部位存在应力集中现象，而且焊接造成了连接部位的弧坑，咬肉等初始缺陷，加剧了应力集中的程度。

在上述原因的综合影响下，支座端板和腹板连接部位在重复荷载作用下发生疲劳开裂。从根源上来说，导致开裂的主要原因在于吊车梁的构造细部处理，对于普通的轻、中级工作制吊车梁，由于其负载较小，运行频次较低，影响较小，但是对于大跨，且运行重级和特重级工作制吊车的吊车梁，其影响则不容忽视。

此裂缝虽然为疲劳裂缝，但所处部位非主受力部位，且可通过加固处理遏制裂缝的发生和发展，可认为不会对吊车梁整体承载及疲劳寿命造成明显不良影响。

裂缝加固处理方法如图4.1所示。

裂缝加固主要通过增高端板的高度来进行，新增端板需要与原有端板坡口对接焊，并与腹板焊接成整体。端板总高度需大于端部截面高度的2/3，但考虑到已经发生了开裂，加固时端板总高度同原端部截面。

吊车梁是炼钢厂房最主要的结构构件，也是最容易发生破坏的结构构件，其虽然是一种常规的简支结构构件，但在连接构造上，必须充分考虑其受力特点，尤其对于大跨度，运行重级、特重级工作制吊车的吊车梁，必须充分考虑其端部转角位移，采取合理的连接构造形式，才能保证吊车梁的安全正常使用。