塔身标准节主弦杆开裂引发的思考
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摘 要：本文针对某型塔机塔身标准节主弦杆开裂问题展开思考，深入分析了塔身标准节连接套附近的结构和受力状况，从而洞悉主弦杆开裂的真正原因为应力集中导致的早期疲劳，然后根据相关理论和实践从设计、制造和使用等方面提出了延长塔身标准节疲劳寿命的有效措施。
关键词：标准节；主弦杆；连接套；疲劳
中图分类号：C35 文献标识码： A
1 案例描述
近两年市场上普遍反映国内有些厂家的塔身标准节开裂问题，说明该问题已经不是单纯的偶然事件。据调查，开裂部位主要集中在标准节连接套附近的主弦杆，该部位螺栓连接方式为纵向受拉高强度螺栓连接。主弦杆是薄壁圆管截面，厚壁圆管接头从两个侧面焊接到标准节主弦杆上（如图 1 所示）。此连接方式因结构简单、工艺方便且成本较低，为国产自升塔机常用。
图 1 塔身标准节主弦杆断裂 图 2 塔身标准节主弦杆断裂
塔身标准节是塔机的腰杆，承受整个塔机的自身及所有吊载重量并承受因力矩不平衡所引起的弯矩影响。标准节之间的连接更是重中之重，万一出现差错，轻则机毁人亡，重则造成更大的经济损失。所以对该问题的深入分析是相当必要的。
2 标准节主弦杆开裂原因分析
案例中，接头与标准节主弦杆焊接处出现横向裂纹，大部分结构的裂纹已接近贯穿整个主弦杆的横向截面。据了解，相关厂家为了彻查原因，对断裂处材料进行化学分析、机械性能试验及断口晶相分析，结果均合格，排除了材料因素。其次对发生裂纹塔机的同批次标准节进行大规模无损检测，未发现焊接制造过程中产生的物理损伤。所以断裂原因只能针对连接套部位的结构和受力特点进行分析。
2.1塔身标准节连接套部位的结构和受力特点
2.1.1主弦杆横截面突变和焊缝密集产生应力集中
连接套与主弦杆连接处形成突变截面（如图 1），同时连接处堆积大量斜腹杆焊缝，突变截面和焊缝密集必然产生应力集中现象。虽然应力集中在塔机焊接结构中不可避免，但由于塔机主弦杆普遍采用塑性较好的低碳钢，局部应力超过材料屈服极限后会发生塑性变形，导致应力重新分布，只要公称应力值在标准允用范围内，应力集中对塔机结构件的静强度影响不大。然而，应力集中对塔机结构件疲劳强度的影响却不可小觑。大量资料和试验证明，应力集中会明显降低结构件的疲劳强度[1-2]。
2.1.2塔身标准节主弦杆受交变应力
塔身受力工况差，上回转塔机的塔身承受交变载荷，且载荷应力正负值大小基本相等，称之对称循环变应力[3]。在同等载荷应力值下，承受对称循环变应力的构件比受脉动循环变应力构件将更易发生疲劳破坏。由于塔机回转支承以上部分（包括塔顶、起重臂和平衡臂）的不断转动，固定塔身承受对称循环交变弯曲载荷， 相应塔身标准节主弦杆受对称循环拉压交变应力， 应力的方式和大小严重影响标节的疲劳寿命。
2.1.3连接套变形趋势造成接头部位应力不均
标准节主弦杆承受交变拉压载荷，主弦杆受压的过程中，连接套接头部位受力不明显。但在标准节主弦杆受拉时，连接套在高强螺栓的作用下受压。由于螺栓压力作用于连接套的上端面，连接套上端的变形趋势明显大于下端，变形趋势自上而下逐渐变小。因为变形趋势不同，连接套对主弦杆的作用力也不同，即变形趋势大小导致了作用力分布不均。实际上，就是在连接套的上端附近形成了应力集中现象。
针对案例，结合塔身标准节主弦杆的受力和连接套的结构特点，显然可以得出以下结论：
（1）主弦杆连接套截面突变，与主弦杆焊接部位没有明显的过度结构，造成连接套在施工过程中上下两端变形趋势差异明显，相应部位的主弦杆应力严重分布不均，连接套上端附近主弦杆局部应力过大。如果塔机超载或满载卸荷速度过大，主弦杆很容易在截面突变部位产生疲劳裂纹。
（2）连接套附近斜腹杆焊缝密集，焊接应力得不到有效地释放，造成应力集中现象严重。当主弦杆承受拉压交变载荷时，斜腹杆亦受相应的交变载荷，高频率的对称循环交变载荷作用下，应力集中的薄弱部位产生疲劳裂纹就不稀奇了。
综上所述，塔身标准节主弦杆开裂的主要原因为应力集中导致的早期疲劳。在标准节承受对称循环交变应力过程中，当标准节局部最大应力超限时，在主弦杆薄弱处（如应力集中处）首先产生细微裂纹（通常称为疲劳源）。如果裂纹没有及时发现，裂纹会不断扩展，构件截面被逐渐削弱，当主弦杆截面削弱到一定程度，由于不能承受所加载荷而突然断裂[1]。针对疲劳裂纹产生的原因，可从如下几个方面来解决，保证并延长标准节疲劳寿命。
3 主弦杆开裂问题解决方法
3.1产品设计过程中的控制方法
3.1.1改变连接结构，避免截面突变造成的应力集中
改变标准节主弦杆连接部位结构形式，可有效减少应力集中，
增加主弦杆疲劳寿命。可选用的连接形式通常有两种：鱼尾板插
头式和带过渡尾巴的专用连接套。 图3 鱼尾板式连接套
鱼尾板式连接套大多为片式标准节所采用。 实践证明， 鱼尾式连接安全可靠性高，疲劳寿命长，有较高的使用价值，但圆管形主弦杆一般不采用鱼尾板式接头。
专用连接套带长尾过渡结构，可有效解决截面突变造成的应力集中。主弦杆受交变载荷时，螺栓将载荷作用于连接套尾形部分和厚壁圆管交界处，交界处两侧分别产生拉压变形趋势，变形力分散作用于主弦杆，应力集中现象得到有效缓解。在《塔式起重机塔身标准节接头应力集中分析》[2]一文中，作者已经通过有限元方法给予了验证，图 4、图 5 为分析计算结果，显然连接套过渡尾越长，应力集中缓解效果越好。
图 4 短尾连接套应力分析结果 图 5 长尾连接套应力分析结果
3.1.2标准节斜腹杆下移，避开连接套位置，缓解焊接应力集中
连接套附件焊缝密度过大、焊接应力集中也是主弦杆断裂的罪魁祸首之一。为了降低焊缝密度，有效分散焊接应力，必须将标准节斜腹杆下移，避开连接套位置，以免焊缝密集。
3.1.3强化疲劳寿命计算，避免局部结构疲劳寿命过短
在塔身标准节设计过程中，产品疲劳寿命计算不容忽视。疲劳寿命计算须将有限元数值模拟方法和疲劳寿命分析理论相结合，对塔身标准节主弦杆连接部位进行三维参数化建模，运用通用有限元分析软件ANSYS 中的 FATIGUE 模块，编制 APDL 命令流，建立疲劳分析文件对主弦杆进行累计损伤系数计算。根据数值模拟结果，合理选择主弦杆的疲劳寿命区间，而后指导标准节主弦杆设计，必将取得满意效果。
3.2产品制造过程中的控制方法
3.2.1严格控制焊接质量，减少缺陷性应力集中
标准节焊接制造过程中，要严格把控焊接质量，尽量避免焊接缺陷造成应力集中加剧。须知道，焊接过程才是应力集中最主要的来源。所以塔身标准节焊接时，尽量采用小电流快速分段焊接，做到规范、细致，不留瑕疵。焊后，要对焊缝进行探伤，严防带有焊接质量问题的产品流入市场。
3.2.2焊接应力释放，降低关键部位应力集中程度
标准节焊接完成后， 采取适当的措施释放焊接应力是十分必要的。 常用的应力释放手段有： 自然时效、热处理时效和振动时效三种手段。 但由于自然时效耗时过长， 热处理焊接变形过大，这两种形式不宜采用。振动时效虽不具备去氢和恢复塑性的功能，但兼具耗时短、结构件尺寸稳定的特点，所以建议在标准节焊接完成之后，采取振动时效方式，消除残余应力。另外，振动技术还可用于焊接过程，即所谓的振动焊接，
振动焊接是国内外正在研发的新技术。焊接工艺不变的前提下，焊接过程中通过小型激振器对构件注入频率和振幅可控的振动。焊缝在熔融状态下，振动使气泡、杂质上浮排出；金属结晶过程中，振动可细化晶粒，提高焊缝力学性能；金属冷却热塑性变形过程中，振动使焊接残余应力降低和均布，减少焊接变形及焊接裂纹的形成。
3.3产品使用过程中的控制方法
塔机使用过程中，要注重操作的规范性。尤其要注意防止超载和限制满载卸荷速度，这两种情况都会严重降低塔机的疲劳寿命。主要原因如下：
（1）材料承受的载荷越高，应力循环次数就越少，当材料承受的载荷超过疲劳许用应力，应力循环次数就大幅度减少，易发生疲劳破坏[3]。而无论是塔机超载和快速卸载都会引起塔身标准节的超负荷。
（2）应力频次增加会缩短塔机的疲劳寿命。在额定载荷工况中，吊装一个工次，塔身主弦杆受到的对称循环变应力波次较少，波幅（应力幅）在正常范围内，且波次和波幅减少较快[3]。而在塔机快速卸载时，整个塔机在平衡重的作用下，循环波次增加，塔机疲劳寿命缩短。
总之，塔身标准节主弦杆早期疲劳开裂不是某一单纯的原因所致，既包括连接套结构设计不合理、接头周围焊缝密集， 也可能是使用操作过程超载和满载卸荷速度过快造成。 所以，若要提升标准节使用寿命，亦不能一蹴而就，须改善连接套结构、疏散焊缝、把控焊接质量和监督使用过程规范性同时落实。
参考文献：
[1] 国家技术监督局.GB/T3811-2008《起重机设计规范》，2008年4月30日.
[2] 张朋，吴凯辉.塔式起重机塔身标准节接头应力集中分析[J]，建筑机械，2009.10.
[3] 唐小卫，吴恩宁.从一起塔机倾覆事故分析标准节主弦杆断裂裂纹产生的主要原因[J].建筑机械，2008.12.