对港口起重机钢结构抗脆断设计的研究

何海胜 李旭平

（珠海天力重工有限公司，广东 珠海 519000）

港口门式起重机服役过程中频繁起升重物、带载运行的自身特点，在服役过程中其钢结构所受的是反复的交变载荷作用，因此，疲劳脆性断裂是威胁结构自身安全的主要因素。《起重机设计规范》对钢结构提出了抗屈服、抗失稳和抗疲劳失效的安全性核算要求,但不能保证抗脆性破坏的安全性,因此钢结构抗脆断性研究在整机结构设计中尤为重要。

1 港口起重机钢结构脆性断裂的成因

1.1 应力集中区易出现脆性断裂现象

在桥式起重机结构中，与其他部件相比，钢轨、平衡梁、焊缝等钢构件易于出现脆性破坏问题，这些部件位于起重机的高应力区域，经常受到交变应力的影响，使这些部件承受很大的应力，导致截面出现明显的变化，使应力集中在这个位置，过度的应力作用使纵筋和横隔板的作用都失效。对于设计层，在如此大的应力下，力流不能无障碍地传递，并且结构组成是不合理的，这也是结构中的焊缝致密、焊点更多、接头更多的原因。焊接工艺不好，焊接质量不合格，工件底座材料也不符合设计要求，这是起重机结构裂缝的主要原因。 在正常情况下，起重机的结构通过对接焊缝和角焊缝焊接。应力的集中源主要位于焊接突出的位置。一旦结构焊接完成，如果没有更多的机械加工，起重机的抗疲劳性也将大大降低。如果消除焊接缝凸起的部分，将提高起重机的疲劳强度，延长其使用寿命。凸出部位和试样轴线交角处θ，以及凸起位置的高度h是横向对接焊缝受到应力影响的主要部位。

对于角焊缝，由于焊缝向母材基体金属过渡处的截面变化比较明显，应力集中系数大于对接焊缝的应力集中系数。因此，耐疲劳性小于对接焊缝。在角焊缝计算厚度hf≥1.5 t（t为焊件厚度）的条件下，可以根据指定的焊缝厚度选择角焊缝的最小厚度。

1.2 钢结构母材的抗疲劳性能决定了钢结构脆性断裂情况

（1）钢材抗疲劳性能降低

如果钢进行长期或反复负荷，承受的最大压力将会逐渐减少，极易受到破坏，比如脆性破坏和突然破裂。处于弹性成型阶段的钢材，如果重复负荷，钢的塑性变形会增加，钢会变硬变脆，然后会出现微裂纹，应力会集中。在这个位置，微裂纹文本将扩展并缓慢增加。此时，应力集中的问题将变得更加明显，钢的断裂和损坏就成了必然。

（2）钢的焊接性能下降

如果钢焊缝变脆或者出现冷裂的趋势，将会对钢的焊接性能造成更大的影响。碳钢通常不会受影响，但是除此以外的6个元素都受影响，比如含量会出现明显的变化，钢会增加热脆性和热倾向。此外，由于热影响导致的冷裂纹倾向会变得越来越明显。为避免钢的性质干扰，必须控制材料中元素的含量。

（3）沸腾钢的性能下降

对于沸腾钢，其偏析现象比较明显。偏析集中表现在：钢材表面会出现纯铁的薄层，该薄层中含有少量的碳。中间层有许多硫元素，同时含有大量有害气体，导致钢材出现了比较明显的区域偏析现象，这会大大地降低沸腾钢的可焊性。此外，钢中含有大量的固溶氮，固溶氮能提高钢材的失效敏感性和冷脆性。磷区域是沸腾钢中偏析现象最严重的元素，它会导致钢的冲击强度降低，冷脆性提高，脆性断裂的概率显著提高。

2 起重机钢结构抗脆断设计

导致钢结构脆断的因素有很多，通过长期生产实践和结构设计实验，设计人员对这些因素已有一定的积累。具体来说，造成钢结构脆断的因素主要有应力集中、结构尺寸、表面加工质量以及荷载等。在起重机钢结构设计中，应有意识地规避这些因素，提高钢结构的抗脆断性能。

2.1 起重机结构参数

起重量Q（主/副）为180/50 t，跨度S为22 m，工作级别是A6，起升高度H（主/副）分别是20/22 m，起升速度V（主/副）为4.5/11.4 m/min，运行速度（主/副/大车）为36/33.7/73.5 m/min，轮距（主/副）为4 080/1 850 mm，轨距（主/副）为8 700/3 000 mm。此桥式铸造起重机吨位、跨度较大，为减少结构的超静定次数，改善受力，方便运输，选用六梁铰接式结构。结构框架如图1所示。

2.2 钢结构优化设计思路

2.2.1 焊缝截面的优化

图1 桥架结构框架图

当桥式起重机主梁的主梁和上层板焊接时，必须根据具体情况焊接K形槽或V形槽。对于重型桥式起重机，主梁的主梁厚度为16 mm。V形槽难以熔化通过板的厚度，这将导致焊缝强度降低，必须采用K形槽。对于轻型桥式起重机，V型槽必须用于内部焊接。另外，如果凹槽的角度太大，则焊接缺陷将增加，这将导致焊接的使用寿命短于基底金属的使用寿命。因此，V型槽角通常不超过50°。焊缝表面有2种类型的凹凸，它们会影响焊缝中的张力流的传递。一些研究表明，凹面焊接的张力较小，具有更长的使用寿命，因此焊接后需要主要负载。进行表面处理以使表面凹陷。

2.2.2 应力集中结构的改造

主梁和主梁下甲板的交界处存在局部应力集中，最终梁的可变截面角度是主要裂缝源之一。在施焊时，下盖不得与主板对接。下盖可以焊接到箱梁上一段空间，这可以减少焊缝中的挤压应力并减轻应力集中。对于可变截面的角度，必须建立过渡弧，并且弧的半径不能太小。同时，在拐角处增加焊接脊以减轻主带中张力集中的影响。

2.2.3 主腹板的改造

按照波浪形状重新设计桥式起重机的平直主腹板，使主腹板呈现出纵向的波形变化，这可以明显提高腹板的承载面积和垂直方向的稳定性。相关研究已验证过，平直腹板梁的应力比波形腹板梁的应力高38%。然而，只将腹板设计成波形，还不能全面提高腹板的抗扭刚度，当腹板受到水平冲击力时，主梁很容易沿水平方向出现明显的变形。这就需要在设计时将波形腹板和平直腹板配合使用，根据水平方向上平直腹板的刚度以及波形腹板的纵向刚度来整体提高主梁的稳定性。

2.3 优化设计后主主梁疲劳强度验算

桥架工作级别为A6，应按载荷组合Ⅰ计算主梁跨中的最大弯矩截面E的疲劳强度。由于水平惯性载荷产生的应力很小，为了计算简明而忽略惯性应力求截面E的最大弯矩和最小弯矩，满载小车位于跨中E点，则 Mmax=Mx=7781153N·m空载小车位于右侧跨端时，如图2所示。

图2 最小应力计算简图

左端支反力为

验算主腹板受拉翼缘焊缝④的疲劳强度

应力循环特性

根据工作级别A6，应力集中等级K2及材料Q235，查得[σ-1]=63.0MPa。

焊缝拉伸疲劳许用应力为

σmax＜[σrt]合格

验算横隔板下端焊缝与主腹板连接处的疲劳强度

应力循环特性

众所周知，港口门式起重机服役过程中频繁起升重物、带载运行的自身特点，在服役过程中其钢结构所受的是反复的交变载荷作用，因此，疲劳脆性断裂是威胁结构自身安全的主要因素。显然，经过优化设计，相同工况下的应力循环特性是一致的。这说明，经优化设计后的梁臂钢结构的抗脆断性较好，达到了抗脆断设计要求。