技术|用最简单的方法处理吊车梁支撑断裂问题

某工厂建成投产还不到10年就发现中列柱上的吊车梁下部水平支撑节点板有比较普遍的断裂现象，之后更换节点板进行了修复，几年后检查时发现更换的节点板又出现了断裂以及高强度螺栓松动脱落现象，再次进行加固修复，这一次加厚了节点板。几年后再次检查，发现又出现了节点板断裂及高强度螺栓松动脱落。

出现断裂破坏的吊车梁支撑如图1所示。支撑杆件之间和支撑杆件与梁节点板之间，采用高强度螺栓连接，吊车梁与节点板采用焊缝连接。柱列的两侧的吊车梁通过水平及垂直支撑相联系，形成空间体系。

图1  中列柱吊车梁支撑示意

吊车梁支撑节点板的断裂破坏情况有两种， 一是水平支撑交叉杆件中间节点板断裂 ，如图2所示，此类破坏数量最多，几乎每组梁都发生过此类破坏； 二是水平支撑与吊车梁腹板连接的节点板断裂 ，如图3所示。高强度螺栓松动脱落如图4所示。

图2  中间节点板断裂

图3  与腹板连接节点板断裂

图4  高强度螺栓松动脱落

吊车梁支撑系统的破坏不仅 使吊车梁整体性变差、受力状况恶化 ，更重要的是 裂缝有可能扩展到吊车梁本体 ，产生更为严重的后果。

吊车梁支撑反复修复反复断裂，说明没有搞清问题的根源与症结所在。因此 有必要仔细分析水平支撑出现破坏的原因，在此基础上提出合理的改造处理措施，彻底解决这一问题 。

为此， 采用计算机仿真模拟计算的方式分析支撑断裂的原因 。

以 28米跨吊车梁为对象建立有限元计算模型 ，如图5所示。

吊车梁本体采用板壳单元，制动桁架、下部水平支撑和垂直支撑采用只能承受轴向力的三维杆单元。施加于模型上的荷载，模拟吊车在吊车梁上运行。

计算得到的吊车梁竖向变形情况如图6所示，水平支撑和垂直支撑杆件轴向应力变化范围如表1所示。水平支撑第二组斜杆和跨中垂直支撑轴向应力影响线如图7和图8所示。

   水平支撑和垂直支撑应力变化范围（MPa）     表1

注：水平支撑端部第一对斜杆为第一组，依此类推。

可以看出， 吊车梁在吊车竖向荷载作用下，在水平支撑和垂直支撑中产生较高应力 ，最低压应力分别为-128 MPa和-88.2MPa，最高拉应力分别为131 MPa和101MPa。

考虑到这种吊车梁空间体系实际受到两侧吊车作用，一侧吊车作用下受压的支撑杆件，在另一侧吊车作用下受拉，因此 同一杆件考虑两侧吊车作用时，是既受压又受拉， 下部水平支撑和垂直支撑杆件的应力变化范围分别为-128~131MPa和-88.2~101MPa。

吊车梁的水平和垂直支撑，设计上一般不要求计算，只需按构造选择杆件断面。但在实际上， 吊车梁通过支撑组成一个空间整体 ，尤其是通过垂直支撑的作用 ，使这个空间整体的横截面保持矩形，在吊车荷载作用下会出现扭转作用，在支撑杆件中产生应力。

另一方面，该炼钢厂吊车梁下部水平支撑不像国内传统作法将水平支撑设置在吊车梁下翼缘上，而是设在了梁高的中部。使得抗扭截面较小，因而支撑杆件中会产生较大应力。

根据有限元计算分析结果，

在每侧一台吊车竖向荷载作用下， 吊车梁水平支撑杆件的应力变化最大范围为-128~131MPa。

对非焊接部位应采用折算应力幅进行疲劳计算，最大折算应力幅为

Δσ=131+0.7 × 128=221MPa。

对于重级工作制软钩吊车，欠载效应等效系数 a _f =0.8 ；

高强度螺栓连接处的主体金属200万次疲劳容许应力幅 [ Δσ] _{2 × 10} ⁶ =144 MPa。

a _f · Δσ =0.8×221=169MPa＞[ Δσ ] _{2 × 10} ⁶ =144MPa（不满足）

实际上 疲劳裂缝出现在节点板上，杆件上没有出现裂缝，说明节点板上的应力幅大于杆件上的应力幅 。此外，吊车梁系统还受到吊车水平荷载的作用，也会增加裂缝处的应力幅。可以认为， 实际应力幅比上述计算应力幅还要大得多，远超过疲劳容许应力幅，造成疲劳断裂 。这就解释了吊车梁水平支撑反复出现疲劳破坏的原因。

吊车梁支撑断裂的原因，是支撑杆件中存在很高的应力，超过了疲劳强度 。

支撑杆件与节点板采用的是高强度螺栓连接，在疲劳计算上属于第2类构件和连接，疲劳容许应力幅已经很高，仅次于母材的疲劳容许应力幅。

因此， 要改善支撑的疲劳性能，不能靠提高疲劳容许应力幅的方法，而是要设法降低支撑中的应力 。

经过分析对比， 取消垂直支撑可以大幅度降低支撑杆件的应力 。

有限元计算结果表明， 取消垂直支撑后，下部水平支撑杆件应力的最大变化范围为-15.5~18.4MPa，降低87% 。

降低幅度如此之大，是因为取消垂直支撑后，由两侧吊车梁组成的空间整体的横截面在吊车竖向荷载作用下不再保持矩形，而是成为平行四边形，各吊车梁几乎是单独承受吊车荷载，形成不了扭转作用。

设置垂直支撑的目的是为了加强吊车梁系统构件的整体刚度，取消垂直支撑并不会降低吊车梁的承载能力 。根据有限元计算结果，有无垂直支撑时的吊车梁变形情况对比，如表2所示，可以看出， 取消垂直支撑后，不会对吊车梁整体刚度有太大影响 。

有无垂直支撑时吊车梁跨中变形情况对比（mm）   表2

注：翼缘侧移以指向另一侧梁为正，离开另一侧梁为负。

针对吊车梁水平支撑反复出现断裂破坏问题， 采取的措施是在修复破坏的构件后将垂直支撑端部高强度螺栓改换成小直径的普通螺栓，这基本上相当于取消了垂直支撑 。经过这样的处理，吊车梁水平支撑没再出现断裂破坏，吊车梁系统工作状态良好。

对于钢结构缺陷损伤的处理，不是加固的越多越大就越好，特别是对于疲劳破坏的处理，这样做往往适得其反。最好的处理方法是搞清问题的原因，采用最简单的处理措施。