谈双梁桥式起重机主梁疲劳寿命
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【摘要】金属结构作为双梁桥式起重机的骨架，是桥式起重机工作机构、动力设备、控制系统等组成部分的主要承载机构，其疲劳寿命决定着整机的寿命，也决定着整个桥式起重机的安全可靠性。对桥式起重机金属结构进行安全评估和可靠性分析是十分有必要的。
起重机是一种用于在一定范围内进行物料搬运的起重运输机械，在国民经济生产中具有广泛应用。起重机主要由工作机构、金属结构、动力设备、控制系统和安全保护装置等组成，工作机构由起升机构、运行机构等组成，在企业生产中发挥着不可替代的作用。
金属结构作为桥式起重机的“骨架”，是桥式起重机各种工作机构、动力设备等的载体，长期承受着来自各个组成部分的交变载荷和冲击载荷，工作环境极其恶劣，极易发生疲劳损伤，也是桥式起重机最易损伤的部分。在桥式起重机使用过程中，在外载荷的不断作用下，金属结构内部的损伤不断累积，然后萌生裂纹并逐渐扩展，导致金属结构承载能力不断下降，最终突然断裂，引发疲劳破坏而造成安全事故。
桥式起重机金属结构的疲劳寿命是由该阶段金属结构内部的裂纹情况来决定的。当这些裂纹在可以控制范围内时，金属结构的疲劳剩余寿命依旧可以很久，此时金属结构是安全的。反之，一旦裂纹到达临界值，金属结构容易在很短时间内脆断，造成极大的安全隐患。
一、桥式起重机的疲劳破坏特性
桥式起重机主梁等构件是典型的焊接结构，焊接结构的裂纹源一般产生于焊缝处，即焊趾、焊缝交叉点、焊缝起弧处等。桥式起重机疲劳裂纹多出现在主梁跨中和端部，表明疲劳强度与应力幅值有密切关系。焊接箱形梁主要有两种破坏形式：跨中受拉翼缘焊缝疲劳破坏和跨中加强板下端焊缝疲劳破坏。跨中受拉翼缘板的翼缘焊缝形成裂纹源，裂纹从焊缝内圆形缺陷的圆心开始向外扩展，直至穿透下盖板外表面纤维之后变为三端穿透裂纹，其中两个裂纹尖端横贯下盖板，一个裂纹尖端向腹板上端延伸；跨中加强板下端焊缝形成裂纹源，裂纹从焊趾上多个表面半椭圆裂纹源中的一个源点扩展穿透腹板厚度，再以穿透裂纹形式继续扩展。焊接不同程度地降低了构件的疲劳强度。焊接过程，焊条种类、焊接水平、焊后热处理和焊缝最后形状都对结构的疲劳强度有很大的影响，由此而导致的焊接残余应力、应力集中。焊接缺陷和近焊缝区材料性能的改变等因素对疲劳寿命影响较大。
残余应力对结构疲劳强度的影响取决于残余应力的分布状态。桥式起重机焊接箱形结构在焊缝附近的腹板和翼缘板都存在高达屈服点的拉伸残余应力，而在腹板和翼缘板的中间存在压缩残余应力。影响箱形梁疲劳强度的主要因素是纵向焊缝的残余应力，同时上盖板中部残余应力降低了它的屈曲强度，也是造成箱形梁桥架下挠的主要原因之一。
焊接缺陷对疲劳强度的影响取决于缺陷的种类、尺寸、方向和位置等，在工作载荷和焊缝缺陷的共同作用下，桥式起重机结构易在焊缝附近开裂并逐渐扩展，出现开裂的时间和扩展速度均取决于焊接缺陷的程度：当缺陷率为2%时，疲劳强度将降低15%；当缺陷率为5%时，疲劳强度将降低35%；当焊缝咬边深度小2mm时，对疲劳强度的影响不大；当焊缝咬边深度大于2mm时，疲劳强度最小时只有致密焊缝接头的40%。
二、构件随机疲劳寿命估算方法
一般来说，疲劳分析的核心问题可归结为：在给定的载荷及环境下，如何恰当地描述结构的应力、应变、位移、刚度等变化；疲劳分析的重点是结构的剩余强度和剩余寿命。
关于疲劳寿命的估算问题，许多学者己经做了大量的研究，提出了很多估算寿命的方法，主要有名义应力法、局部应力-应变法、断裂力学法、概率疲劳设计等。各种方法由于出发点和依据不同，估算出的寿命也有差异。
三、桥式起重机的寿命估算模型
双梁桥式起重机为箱形梁结构，焊接箱形梁的疲劳寿命估算可借用一般构件寿命估算方法，并考虑随机载荷、材料特性和焊接结构等特点作必要的修正。其疲劳总寿命同样可以分为裂纹形成和裂纹扩展两部分寿命，但两阶段界限目前尚无统一的标准。通常名义应力法、功率谱密度法用于估算起重机的总寿命，局部应力-应变法用于估算起重机裂纹形成寿命，损伤容限设计用于估算起重机裂纹扩展寿命。
名义应力法是传统的疲劳设计方法，它以起重机结构最大应力值为基础，同时考虑应力循环特性和应力集中的影响。《起重机设计规范》GB/T3811-2018详细介绍了该方法的使用过程。起重机构件是焊接结构，疲劳强度主要取决于危险点的应力幅值，同时考虑各种复杂的影响因素。
局部应力-应变法是估算工程结构疲劳裂纹形成寿命的重要方法之一，其计算疲劳损伤模型有十几种之多。局部应力-应变法的求解结果受理论集中参数的选取、材料特性和疲劳特征参数的估算精度影响较大。
在焊接结构中，由于各种原因造成材料缺陷常常是不可避免的，因而焊接结构形成裂纹这一阶段可能很短，总疲劳寿命主要取决于疲劳裂纹的稳定扩展阶段。采用疲劳裂纹扩展理论或概率断裂力学方法从各个方面预测起重机结构出现初始裂纹后的剩余寿命，并在裂纹扩展模型中一定程度地反映了载荷间相互作用及焊接残余应力等因素对疲劳裂纹扩展的影响。目前对疲劳裂纹扩展寿命的估算大多是以线弹性断裂力学为基础，而对焊缝近缝区裂纹扩展的计算应采用更为准确的弹塑性裂纹扩展关系。
四、结束语
随着起重机大型化的发展，金属结构的疲劳可靠性问题将变得越来越突出。因为金属结构一般不进行更换，所以如果发生疲劳失效，金属结构将停止使用，桥式起重机本身也将被限制。因而，对桥式起重机进行疲劳可靠性评估，估算疲劳剩余寿命并判断金属结构的承载能力，对于保障桥式起重机安全、防止发生重大事故是必要且有意义的。
参考文献：
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[2]程育仁，缪龙秀，侯炳麟.疲劳强度[M].北京：中国铁道出版社， 1990.
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