某钢结构件的失效分析与改进措施

鲁华宾

钢结构件在工程设备和结构中一般受力较大，是主承受载荷的构件，必须保证有足够的安全余量，要有足够的安全系数[1]，特别是要考虑在极限工况条件下保证有足够的强度与刚度。在工程实践中，技术人员经常会根据经验取舍技术参数，忽略对结构强度与刚度的验算与校核，如果参数取舍不合理，可能会造成构件的失效，影响设备的正常运行，甚至造成大的工程事故[2]。在参与企业实践服务时遇到一起电梯设备对重架结构件的失效事故，设备失效时的照片如图1所示，从图1可以看出钢结构主梁已完全变形和扭曲，上边缘局部有撕裂口。本文旨在通过对对重架结构的失效分析，找出失效原因，提出改进措施，以期工程技术人员在根据经验进行结构设计时更要注意验算和安全。

图1 失效设备钢结构件

1 失效分析

1.1 原始参数

针对该钢结构，查看其图纸结构参数，如图2所示，其材料为Q235-A，长度1 130 mm，高度190 mm，中部有直径为50 mm的圆孔，宽度205 mm，板材厚度8 mm，中间圆孔薄弱处截面尺寸如图3所示。

图2 钢结构件尺寸

图3 圆孔处截面尺寸（mm）

1.2 工况描述

该钢结构为电梯对重架，是承受对重载荷的结构。静载时的载荷为电梯空轿厢和轿厢支撑零部件的载荷与额定载重量的45%~50%构成 (可按50%计算)。

即S＝P+0.5Q＝17.5+7.5＝25 kN

式中，静载时对重架的载荷为S；空轿厢和轿厢支撑零部件的重量P=16+1.5=17.5 kN；额定载重量Q＝15 kN.

考虑偏载及尘沙等因素的影响两侧可取摩擦阻力为3 kN，考虑到加速工况[3]，加速度为1 m/s2.则，总载荷计算为：

F＝25+3+25×0.1＝30.5 kN

将图1的构件转化为力学模型[4]如图4所示。

图4 钢结构件力学模型（mm）

1.3 强度及刚度计算

强度计算：梁壁板材厚度尺寸为8 mm，实际测量厚度仅有7.6 mm，根据圆孔处横截面尺寸图3和力学模型图4可以计算出：

惯性矩IX=8 430 000 mm4，

抗弯截面模量WX=89 800 mm3，

最大弯矩Mmax=565×15 250=8 620 000 N·mm，最大应力σ＝Mmax/WX=8 620 000/89 800=96 MPa.

Q235材料的屈服应力为σS＝235 MPa；按照行业标准[3]，一般安全系数应n≥ 3.6，而实际安全系数为n′＝ σS/σ =235/96=2.4＜ n.

很显然，安全系数偏小，该结构件的强度不满足使用要求，由此看来，出现如图1的上口撕裂和严重变形也是可能的。

刚度计算：Q235材料的弹性模量为E＝210 GPa

最大挠度为y=Fl3/48EI=30 500×1 1303/48×210×103×8 430 000=0.52 mm

按照行业标准，一般允许变形挠度为[w]=1/960而实际变形为w=0.52/1130=1/2 100＜[w]变形满足要求。

2 改进措施

2.1 在用产品的解决方案

对于在用产品，如果全部通过设备停用进行更换结构件不太现实。实际处理时可通过在结构件两侧对称焊接同材料加强板来实现强度的提高，焊接钢板的尺寸长×宽 ×厚为1000 mm×40 mm×5 mm.焊接加强板后的结构如图5所示，加强后的变形不需要重新验算，加强后的强度验算如下。

图5 在用设备的处理方案（mm）

惯性矩IX=13 136 400 mm4；抗弯截面模量WX=138 300 mm3；最大应力σ＝Mmax/WX=8 620 000/138 300=62.3 MPa，而实际安全系数为 n′＝ σS/σ=235/62.3=3.8＞n=3.6.

很显然，安全系数足够，加强后该结构件的强度满足使用要求。

2.2 后续产品的改进设计

对于后续产品的设计要兼顾产品的一致性和美观性[5]，采用焊接加强板的方法显然不合适。设计时应该从两个方向着手，一是增加板材的厚度达到10 mm，二是增加结构的高度，高度增加到220 mm.这样针对强度的改进方案不需要产品发生结构性的改变，改动较小，也能满足要求。改进后的结构件尺寸如图6所示。

图6 后续产品横截面改进措施（mm）

改进后的强度验算如下。

惯性矩IX=16 836 800 mm4；抗弯截面模量WX=153 000 mm3；最大应力σ＝Mmax/WX=8 620 000/153 000=56.3 MPa，而实际安全系数为 n′＝ σS/σ=235/56.3=4.2＞n＝3.6.

显然，安全系数足够，重新设计后的结构件的强度满足使用要求。

3 结束语

本文通过对某失效结构件进行了分析及改进，改进后的尺寸与改进前增加不多，但安全系数提高了近一倍，即强度提高了近一倍。因此，技术人员在进行设计时经验固然重要，但根据经验设计构件后进行必要的验算不能缺少，因为尺寸稍作变化，对结构强度会产生较大影响。

[1]胡宗波.钢结构箱形柱与梁异型节点设计方法研究[J].工程力学，2012（11）：191-196.

[2]郑先元.钢结构工程施工质量监督中的常见问题及应对措施[J].工程质量，2010（9）：53-59.

[3]GB/T 7588-2003.电梯制造与安装安全规范[S].北京：全国电梯标准化委员会，2004.

[4]孙保苍，丁建波.工程力学基础[M].北京：国防工业出版社2016：130-131.

[5]孙红玲，刘青亮，李咏梅，等.基于PRO/E参数化的油浸式变压器箱底设计[J].科技与企业，2012（21）：210-213.