结构失效建模理论分析方法

万雨

摘 要：承受主要载荷的大型钢结构失效会引起重大事故。本文以75/40吨的大型起重机钢结构为例，阐述了其主要关键部件的受力情况，并基于可靠性理论和受力分析结果，建立了关于多维准则的失效模型，最后，利用算例分析并验证了所提出的失效模型的力学有效性。

关键词：大型钢结构；失效；可靠性；模型

0 前言

大型钢结构的安全关系到人民生命和财产安全以及社会和谐稳定。结构失效尤其是大型钢结构的失效会引起重大事故，因此失效分析是可靠性分析的重要组成部分和关键的技术环节。本文将结合具体的桥式起重机的钢结构，建立其结构可靠性的失效模型，并用算例验证所提出的失效模型的有效性。

1 受力分析

桥式起重机主要承受自重载荷、移动载荷、惯性载荷、小车轮压、偏斜侧向力和扭转载荷。自重载荷主要包括主梁、小车轨道、走台、栏杆和导电架等的重量，这些载荷按均匀分布考虑，而主梁上的机电设备和司机室等按集中载荷分布考虑。移动载荷由起升载荷与小车重量决定。惯性载荷按车轮打滑条件确定大小车运行的惯性力。小车轮压按小车架中受力最大的AB梁分析。偏斜侧向力根据满载小车在主梁的位置不同，得到不同的侧向力。扭转载荷是由于偏轨箱形梁截面的弯心与形心不重合，在小车动轮压和小车水平惯性力的偏心作用下产生的。

2 失效建模

基于可靠性理论和和关键部件的受力情况分析，建立了桥式起重机可靠性失效模型，其主要包括疲劳强度失效准则、静强度失效准则、稳定性失效准则、刚度失效准则及失效路径长度极限准则。

①静强度失效准则。主梁跨中截面的任意危险点i的应力应滿足：

其中σo为静强度许用应力，危险截面验算点的应力应该按照最不利工况和载荷组合决定，当失效路径单元中出现上述点时，系统失效。

②疲劳强度失效准则。主梁截面翼缘板拼接焊缝处j的应力应满足：

其中σp为疲劳强度许用应力，同样的危险截面验算点的应力应该按照最不利工况和载荷组合决定，当失效路径单元中出现上述点时，系统失效。

③整体稳定性失效准则。经测算，当高宽比大于3时，系统失效。

④局部稳定性失效准则。箱形主梁的翼缘板和腹板均需要考虑局部稳定性失效准则。首先根据板的宽厚比布置，形成区格，然后分别验算跨端和跨中附近的区格，由此得出局部稳定性失效准则。

⑤刚度失效准则。主要包括桥架的垂直静/动刚度失效准则和水平静/动刚度失效准则。

其中垂直静刚度以满载小车处于跨中位置产生的静挠度来表征：

垂直动刚度以满载小车处于跨中位置产生的垂直自振频率来表征：

水平静刚度以满载小车处于跨中位置产生的水平惯性位移来表征：

水平动刚度以物品高位悬挂时，满载小车处于跨中位置的水平自振频率来表征：

⑥失效路径长度极限准则。通过测算，失效路径一般取4-5。

针对以上6维失效准则，即只要不符合其中一项准则，桥式起重机结构件就失效。

3 计算验证

以某具体75/40T的桥式起重机为例，验证失效模型的有效性。具体参数参见产品说明书在其他条件不变的情况下， 小范围调整跨度时刚度失效的变化规律如图1所示。

由图1可以看出，在跨度从27到30m的摄动过程中，刚度失效比重增加了。也就是说，刚度失效的可能性增大了，符合力学规律，说明该模型是有效的。

4 结语

本文以75/40T的桥式起重机为例，阐述了其主要关键部件的受力情况，并基于可靠性理论和受力分析结果，建立了关于多维准则的失效模型，最后算例证明了所提出的失效模型是有效的。

参考文献：

[1]须雷.起重机可靠性考核评定与分析[J].起重运输机械，1997（5）：3-7.

[2]杨瑞刚，徐格宁，范小宁.桥式起重机结构可靠性失效准则与剩余寿命评估准则[J].中国安全科学学报，2009，19 （10）：95-100.