平头塔机起重臂断裂失效分析

张 桢马 俊黄豪华黄国健

（1.广州特种机电设备检测研究院 广州 510663）

（2.中建三局第一建设工程有限责任公司 武汉 430040）

平头塔机起重臂断裂失效分析

张 桢1马 俊1黄豪华2黄国健1

（1.广州特种机电设备检测研究院 广州 510663）

（2.中建三局第一建设工程有限责任公司 武汉 430040）

本文以一台QTZ125平头塔式起重机的起重臂与平衡臂连接节（以下简称A节）为研究对象，对该节使用中发生的主要受力杆件失效断裂进行理论分析与试验测试。采用ANSYS力学分析模块对塔机起重臂和平衡臂节建模分析，模拟塔机使用工况下A节主要受力杆件的受力情况，经计算得出断裂杆件及焊接部位局部应力过大。为了验证建模分析的可信度，对同型号塔机A节断裂杆件及其相邻主要受力杆件进行动态应变测试，测试结果与模型分析结果相一致。本文提出了有效降低失效杆件局部应力的维修方案及其优化结构设计的建议。

平头塔机 起重臂 断裂

塔式起重机（tower crane）简称塔机，起源于西欧，其发展已历经几十年历史，近年来针对塔机的研究主要涉及到静态、稳定性、动态特性等诸多方面［1-5］。塔机中一个重要产品类型——平头（Flat-top）塔机，没有塔顶和起重臂拉杆，其起重臂可在空中逐段装拆，大大降低拆装塔机对所需起重设备起重能力和作业环境的限制，具有吊装覆盖面积广、群塔交叉作业干扰小、抗风能力强、拆装快速等特点。

尽管平头塔机在国外已有三十多年的发展史，然而由于平头式塔机在我国应用起步较晚，无论是设计理论和应用水平都落后于国外。近年来大型社区、高层建筑的建设需求带动了平头式塔机的快速发展，涉及平头式塔机的研究开始逐渐增多，如对机构的选型原则与设计方法的研究［6］，焊接裂纹扩展和载荷时间历程对塔机疲劳寿命影响的研究［7-8］，塔机结构优化和参数化建模理论及应用等［9-11］。

在前述研究基础上，本文针对一起平头塔机起重臂断裂事故进行分析，根据其结构特点，采用动态应变测试、ANSYS有限元分析相结合的方式分析其结构工作状态受力情况，并提出优化建议。

1 基本情况

某型号为QTZ125的平头塔机起重臂架最长由8个节组成，截面为正三角形，上下弦杆材料为Q345C（16Mn），方形截面，弹性模量206GPa，泊松比0.3，密度7800kg/m3。各节的上下弦杆以及腹杆钢型号不相同，为变截面结构。其中A节作为起重臂与平衡臂的一部分，如图1所示。

图1 A节及平衡臂示意图

塔机主要参数及起重特性表见表1、表2。

表1 平头塔机主要参数

表2 60m臂时各幅度对应起重量

在工地转场使用近5年后，A臂节起重臂与回转节连接处呈阶梯形断裂（如图2所示）。针对该平头塔机起重臂断裂事故，拟根据其结构特点，采用动态应变测试、ANSYS有限元分析相结合的方式分析其结构工作状态受力情况。

图2 A臂节断裂部位

2 建模与计算

2.1 单元类型选择

塔机是空间实体，选用三维有限元单元，按现行设计规范及塔机受载特征，单元类型选用BEAM188单元，因为BEAM188单元可以自定义单元的截面形状，可以较好地再现角钢组合、方钢、圆管等实际形状，使计算更接近实际。

2.2 材料属性

塔机常用主要构件的材料为Q345，其许用应力为： ［σ］=345/1.34=257MPa。考虑材料焊接、疲劳及应力集中等因素，对基本许用应力进行修正后为185.8MPa［9］；起重臂腹杆材料为Q235，其许用应力为：

根据塔式起重机自身结构特点及失效部位，确定研究对象为起重臂和平衡臂，因此不考虑塔身受力情况。塔机主要部件选用的截面尺寸和在ANSYS中选用的Beam188单元时单元的实常数见表3。

1）塔身、吊臂主弦杆和腹杆的每个连接点根据实际尺寸都建立了节点，另外每节塔身、吊臂的连接点也建立了节点，保证有限元模型与塔机在几何上相同。

2）采用mass21单元质量点施加平衡重、起升机构重力。

3）对结果影响不大的局部结构（如钢丝绳等）由于它们的质量和整个塔机相比显得很小，对结果影响不大，为建立模型方便不予考虑。

表3 QTZ125塔机钢结构和单元的实常数 mm

4）简化起重臂模型设计，变截面部分采用质量、重力、力矩等效处理，保证A节以后各节起重臂相对A节的施加力矩和起重量与实际相同。

2.3 载荷与约束

根据载荷各种最不利工况下的组合，以工作幅度16.2m，吊重1.25倍额定载荷进行分析。

1）自重：起重臂、平衡臂的结构自重，g=9.8m/s2。

2）A节以后起重臂相对于A节的重力补偿。

3）吊重载荷：分三种工况计算，工况1考虑塔机起升载荷时动载系数为1.25，载荷按塔机吊钩滑轮组与最大额定载荷之和的1.25倍对应的力矩考虑，工况2按塔机起吊最大额定载荷的力矩计算。工况3仅计算塔机自重的影响。

4）不考虑风载荷、坡度载荷。

5）塔身与起重臂连接处约束线位移Ux=0；Uy=0；Uz=0；角位移ROTx=0；ROTz=0。

2.4 计算结果分析

通过ANSYS加载求解器和通用后处理器求解、提取并输出应力结果，断裂杆A-A与相邻杆A-B分别在自重和载荷受力作用下的计算应力值见表4，相应的应力云图如图3和图4所示。由仿真分析可知，A-A杆在载荷工况下压应力183.4MPa，自重无载时拉应力113.4MPa。A-B杆加载时拉应力140.6MPa，卸载后压应力115.9MPa。可见施加额定载荷与卸载对A-A杆、A-B杆件应力影响较大，分别是203.1MPa和175.5MPa。

表4 不同工况下A-A杆、A-B杆受力情况 MPa

图3 额定载荷时A-A杆、A-B杆应力云图

图4 自重时A-A杆、A-B杆应力云图

3 动态应力应变试验

3.1 试验概况

1）仪器与参数

应力测试采用TMR-200多通道数据采集系统，其具有16通道1/4桥转全桥测量，采样频率100Hz，激励桥压2V。

2）贴片位置

塔机安装高度36.8m，贴片位置如图5所示，其中1、3点位于A-A杆中间位置；1、5点为同一根杆相同位置的反面；2点位于A-A杆接近下弦杆处；4点位于A-B杆中间位置。

3）加载方案

参照表2并结合现场情况选择了幅度30m，起重量4000kg。吊钩空载离地调零，加载后测读。变幅小车在臂根处起升4t重物，小车20m/min速度向幅度增大方向行驶，行至额定力矩所对应的幅度30m处停止，待稳定后做180°回转并起升动作，待稳定后小车向幅度减小方向运动，卸载复位。重复该过程。

图5 应变片贴片位置分布图

3.2 试验过程与结果分析

试验过程共分为试验准备、起重加载、小车变幅、到达额定幅度回转起升、减小幅度卸载、回位清零6个过程，详见图6、图7测点应力变化趋势图。1、2、3、5点位于A-A杆，应力变化趋势是一致的与A-B杆上的测点4应力变化相反。

图6 1,2,3,5号点应变曲线变化趋势图

图7 4号店应变曲线变化趋势图

试验过程中已排除塔机自身重力对杆件应力的影响，测量结果反映的是空载与额定载荷杆件受力的变化值，见表5。

表5 各测点应力数据对比表 MPa

对比测试数据可以得出以下结论：1）测点1、2、3、5受额定载荷受压，即杆件A-A杆受压应力；2）测点4位于A-B杆受拉应力；3）塔机设计计算自重应力A-A杆受拉应力113.5MPa，测点3对载荷响应应力为-193.6MPa，故受额定载荷作用杆A-A杆的实际应力为80.1MPa，与建模计算数据80.7MPa基本一致。可见，两次试验数据有较好的重复性且与建模分析结论相一致。

通过数据分析，还可以发现，由于A-A杆、A-B杆截面积较大，在载荷作用下受有弯矩作用，尤其在下弦杆交汇处位置受交变载荷的影响。可由测点1与5应力相差44.1MPa，测点2与测点3数据差距较大得以证实。

4 失效分析与建议

建模与试验数据均表明额定载荷对失效杆应力影响较大，如1.25倍冲击额定载荷时失效杆件的应力接近许用应力可达183.4MPa，杆件应力变化为296.8MPa。A臂节在臂架焊接交汇处长期受较大交变载荷影响，容易产生金属疲劳失效。现场检查还发现断裂处焊缝有虚焊、焊缝厚度不足等现象则加大了失效的可能。

对失效杆件的维修以加强为主，对杆件A-A进行贴板加厚优化杆件受力情况，对断裂部位采用Q345钢板与A-A杆和底座直接焊接，使原断裂部位不再受力，维修后使用6个月未再失效。

基于A节的受力情况，为改善杆件受力情况，建议今后可从以下几个方面进行优化。

1）起重臂腹杆采用Q345代替Q235材料。

2）增大A-A杆、A-B杆的横截面或材料厚度。

3）A-A杆、A-B杆与起重臂主肢直接方管烧焊连接改为通过节点板连接，以降低连接处的刚性，减少腹杆底部应力。

5 结论

本文以塔机起重臂断裂为例，利用ANSYS有限元分析和动态应变测试相结合的方式对塔机起重臂工况受力分析与试验验证，找出失效原因并提出修复及优化建议。本研究为塔机起重臂失效提供了有效技术分析与验证路线，为设计优化提供理论与数据支撑。

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［国家质检总局科研专项：2012QK069、2013QK265］

［2015年安全生产重大事故防治关键技术科技项目：guangdong- 0012-2015AQ］

［珠江科技新星专项：2013075］

［广东省安全生产专项 ：2012-7］

Failure Analysis of Boom Fracture in Flat-top Tower Crane

Zhang Zhen1Ma Jun1Huang Haohua2Huang Guojian1
（1. Guangzhou institute of special mechanical and electrical equipment inspection Guangzhou 510663）
（2. The fi rst construction engineering limited company of China construction third engineering bureau Wuhan 430040）

One metal rod of the section （hereinafter referred to as A section） between the loading arms and level arms of one QTZ125 flat-top tower crane is cracked. This paper presents to find the reason of the fracture. ANSYS was used to analysis the stresses of working conditions of A section. Excessive local stress is founded at the crosses of the fracture rods and the welding position by solving the calculator. In order to validate the modeling results，dynamic strain test is used to the A section and the neighboring rods of the same type crane. The test result is consistent with the model analysis results. Repairing scheme and the feasible optimization measures are given to effectively reduce the working local stress.

Flat-top tower crane Boom Crack

X941

B

1673-257X（2015）05-59-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.05.013

张 （1981～），男，硕士，工程师，主要从事失效分析与特种设备检验检测，以及起重机安全评估技术研究。

2014-07-31）