鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞事故.

1、第6章 鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞事故6.1 疲勞破壞的概念 鋼材或構(gòu)件在反復(fù)交變荷載作用下在應(yīng)力遠(yuǎn)低于抗拉極限強(qiáng)度發(fā)生的一種破壞。1. 疲勞破壞是鋼結(jié)構(gòu)在反復(fù)交變動(dòng)荷載作用下的破壞形式，而塑性破壞和脆性破壞是鋼結(jié)構(gòu)在靜載作用下的破壞形式；2. 雖然具有脆性破壞特征，但不完全相同；3. 斷口分為疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)。6.2 疲勞破壞的影響因素分析1. 應(yīng)力幅2. 循環(huán)次數(shù) 規(guī)范將5106次視為疲勞極限的循環(huán)次數(shù)3. 構(gòu)造細(xì)節(jié) 應(yīng)力集中對(duì)疲勞性能影響顯著，而構(gòu)造細(xì)節(jié)是應(yīng)力集中產(chǎn)生的根源。maxmin6.2.1 應(yīng)力幅 應(yīng)力循環(huán)特征可分為常幅循環(huán)應(yīng)力譜和變幅循環(huán)應(yīng)力譜。除應(yīng)力幅外應(yīng)力比 也是標(biāo)志應(yīng)力譜特征的參量。

2、minmax/6.2.2 循環(huán)次數(shù) 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)是指在連續(xù)重復(fù)荷載作用下應(yīng)力由最大到最小的循環(huán)次數(shù)。在不同應(yīng)力幅作用下，各類構(gòu)件和連接產(chǎn)生疲勞破壞的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)不同，應(yīng)力幅愈大，循環(huán)次數(shù)愈少。當(dāng)應(yīng)力幅小于一定數(shù)值時(shí)，即使應(yīng)力無(wú)限次循環(huán)，也不會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞，即達(dá)到通稱的疲勞極限。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建議，將n=5106次被視為各類構(gòu)件和連接疲勞極限對(duì)應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。6.2.3 構(gòu)造細(xì)節(jié) 應(yīng)力集中對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能影響顯著，而構(gòu)造細(xì)節(jié)是應(yīng)力集中產(chǎn)生的根源。構(gòu)造細(xì)節(jié)常見(jiàn)的不利因素如下：(1) 鋼材的內(nèi)部缺陷，如偏析、夾渣、分層、裂紋等；(2) 制作過(guò)程中剪切、沖孔、切割；(3) 焊接結(jié)構(gòu)中

3、產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；(4) 焊接缺陷的存在，如：氣孔、夾渣、咬肉、未焊透等；(5) 非焊接結(jié)構(gòu)的孔洞、刻槽等；(6) 構(gòu)件的截面突變；(7) 結(jié)構(gòu)由于安裝、溫度應(yīng)力、不均勻沉降等產(chǎn)生的附加應(yīng)力集中。6.3 提高改善疲勞性能的措施 精心選材； 精心設(shè)計(jì)； 精心制作； 精心施工； 精心使用； 修補(bǔ)焊縫；方法如下：(1)對(duì)于對(duì)接焊縫，磨去焊縫表面部分，如對(duì)接焊縫的余高。如果焊縫內(nèi)部無(wú)顯著缺陷，疲勞強(qiáng)度可以提高到和母材相同。(2)對(duì)于角焊縫，應(yīng)打磨焊趾。焊縫的趾部時(shí)常存在咬肉(咬邊)等切口（如圖），且有焊渣侵入。對(duì)于縱向角焊縫，則可打磨它的端部，使截面變化趨于緩和，打磨后的表面不應(yīng)有明顯刻痕。(3)對(duì)于角

4、焊縫的趾部，用氣體保護(hù)鎢弧重新熔化，可以起到消除切口的作用。此方法在不同應(yīng)力幅的情況下疲勞壽命都能同樣提高。(4)在焊縫及附近金屬表層采用噴射金屬丸粒或錘擊等方法引入殘余壓應(yīng)力，是改善疲勞性能的一個(gè)有效方法。殘余壓應(yīng)力和錘擊造成的冷工硬化均會(huì)使疲勞強(qiáng)度提高同時(shí)尖銳切口也被緩減。 總之，依靠精心的選材、設(shè)計(jì)、制作、安裝和使用，再加上焊接之后的一些特殊工藝措施，可以達(dá)到提高和改善疲勞性能的作用。6.4 疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 無(wú)限壽命設(shè)計(jì) 有限壽命設(shè)計(jì) 破損-安全設(shè)計(jì) 損傷-容限設(shè)計(jì)1. 無(wú)限壽命設(shè)計(jì) 這是一種最保險(xiǎn)的方法。采用此準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的許用應(yīng)力必須低于疲勞極限，因應(yīng)力很低，造價(jià)過(guò)高，往往不現(xiàn)實(shí)。2.有限

5、壽命設(shè)計(jì) 有限壽命設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求零部件或結(jié)構(gòu)在給定的使用周期內(nèi)不能產(chǎn)生任何疲勞裂紋。為滿足此要求，必須準(zhǔn)確掌握整個(gè)使用壽命期間可能承受的載荷；然后通過(guò)分析和實(shí)驗(yàn)找出關(guān)鍵物件在這一荷載譜作用下的預(yù)期壽命再引入安全系數(shù)以達(dá)到安全壽命。但事實(shí)上，我們很難預(yù)測(cè)使用期間所有的載荷條件，且疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果又有很大的離散性。因此，安全系數(shù)確定中有許多不定因素，只有取的足夠大，才能使疲勞破壞的可能性降到很低。3. 破損-安全設(shè)計(jì) 破損-安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則首先是在航空工程中發(fā)展起來(lái)的。它認(rèn)為裂紋可以出現(xiàn)，但在整個(gè)裂紋被檢測(cè)和進(jìn)行修理前，所出現(xiàn)的裂紋不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。這就要求定期檢查和維修，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋，同時(shí)要求裂

6、紋擴(kuò)張速度較慢。此外，希望所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)行載荷多路徑傳遞轉(zhuǎn)移，即將結(jié)構(gòu)某一環(huán)節(jié)破壞后，載荷能夠被轉(zhuǎn)移并重新分布。4. 損傷-容限設(shè)計(jì) 損傷-容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是破損-安全設(shè)計(jì)的改進(jìn)，此法首先是假定裂紋預(yù)先存在再用斷裂力學(xué)的分析和試驗(yàn)方法判斷裂紋是否擴(kuò)展到臨界尺寸，以致造成破壞。此準(zhǔn)則適用于裂紋擴(kuò)展較慢并有高斷裂韌性的材料。6.5 鋼結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算方法 常幅疲勞計(jì)算 變幅疲勞計(jì)算 吊車梁及吊車桁架疲勞計(jì)算 e 62 10f 6.6 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題的系統(tǒng)研究6.6.1 疲勞問(wèn)題的提出 網(wǎng)架是一種高次超靜定的空間結(jié)構(gòu)，由于其外形美觀、受力合理、制作簡(jiǎn)便、形式靈活等特點(diǎn)，得到了迅猛發(fā)展。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不僅應(yīng)用

7、于體育場(chǎng)館等公共建筑，也廣泛應(yīng)用于工業(yè)建筑中。懸掛吊車充分發(fā)揮了超靜定結(jié)構(gòu)對(duì)集中力擴(kuò)散快的優(yōu)點(diǎn)，而且布置靈活，便于工業(yè)流程改造。懸掛吊車噸位及運(yùn)行頻繁程度增大，疲勞問(wèn)題也日趨嚴(yán)重。6.6.2 焊接空心球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架的疲勞性能 與螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架相比，其整體剛度大，更適用于懸掛吊車動(dòng)載作用的工業(yè)廠房。試驗(yàn)證明受壓時(shí)不存在疲勞問(wèn)題。 1984年，太原理工大學(xué)開(kāi)始對(duì)焊接空心球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架的靜力及疲勞性能進(jìn)行系統(tǒng)的理論及試驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)4種規(guī)格、15個(gè)試件的常幅疲勞試驗(yàn)，得到了工程中常用的管-球節(jié)點(diǎn)在剖口焊情況下的疲勞曲線(如圖)。 6.6.3 螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架的疲勞性能 作為一種工程預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)拼裝、適用于工業(yè)化

8、生產(chǎn)的網(wǎng)架形式，就應(yīng)用范圍而言，目前已躍居首位；其疲勞性能關(guān)鍵是高強(qiáng)螺栓的疲勞。 1999年至今，太原理工大學(xué)在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下，開(kāi)始對(duì)螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架設(shè)置懸掛吊車的變幅疲勞性能進(jìn)行了系統(tǒng)的理論與試驗(yàn)研究，已獲得成果如下： 1.通過(guò)對(duì)隨機(jī)荷載譜相關(guān)問(wèn)題的理論研究，編制了我國(guó)螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架疲勞載荷譜程序。2.借助有限元分析軟件，對(duì)螺栓球節(jié)點(diǎn)相關(guān)的高強(qiáng)螺栓、錐頭、封板等部件進(jìn)行了應(yīng)力分析，求得了各種螺紋形式下的高強(qiáng)螺栓螺紋根部的應(yīng)力集中系數(shù)，為今后疲勞累積理論估算疲勞壽命或以熱點(diǎn)應(yīng)力幅為參量建立疲勞驗(yàn)算方法奠定了基礎(chǔ)。3.針對(duì)M20、M30、M39三種規(guī)格的高強(qiáng)螺栓共50個(gè)試件進(jìn)行了常幅疲勞

9、試驗(yàn)和程序塊變幅疲勞試驗(yàn)，建立了常幅疲勞的設(shè)計(jì)方法以及變幅疲勞的壽命估算方法。4.通過(guò)金相斷口分析，對(duì)疲勞破壞機(jī)理進(jìn)行了深入研究。 6.6.4 高強(qiáng)螺栓的疲勞影響因素分析 疲勞是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，受很多因素的影響。在靜力問(wèn)題中，對(duì)材料和構(gòu)件影響很小的因素，在疲勞問(wèn)題中會(huì)表現(xiàn)得非常顯著。實(shí)際結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，不僅跟材料性質(zhì)有關(guān)，而且與其幾何形狀、尺寸大小、應(yīng)力集中、加工工藝和工作應(yīng)力等密切相關(guān)。正是由于眾多因素的影響，才導(dǎo)致了疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性。只有搞清這些因素的影響，才能有效地提高結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，防止疲勞破壞的發(fā)生。 螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架的疲勞性能取決于節(jié)點(diǎn)的疲勞性能，而節(jié)點(diǎn)的疲勞性能又在很大程度

10、上取決于高強(qiáng)螺栓的疲勞性能。高強(qiáng)螺栓疲勞影響因素主要有以下四個(gè)方面： 1. 材料性能 鋼材種類;金相組織;材料缺陷 2. 制作及加工 螺紋形式;螺紋尺寸;牙根圓角半徑;螺紋的牙形角;螺栓頭過(guò)度圓角半徑;螺紋加工工藝 3. 制作安裝 制作安裝缺陷;螺栓的預(yù)緊力 4. 工作應(yīng)力 應(yīng)力幅;平均應(yīng)力 1材料性能 (1)鋼材種類 目前，螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架中高強(qiáng)螺栓的鋼材種類有：40Cr、20MnTiB、35VB、35CrMo鋼材種類對(duì)于疲勞強(qiáng)度的影響可以通過(guò)極限強(qiáng)度值反映出來(lái)。凡具有相同屈服強(qiáng)度或極限強(qiáng)度的各種鋼材，其疲勞強(qiáng)度一般沒(méi)有太大的差別。(2)金相組織 從金相組織來(lái)看，所有的金屬材料都是不均一的。組

11、織的不均一性導(dǎo)致了許多部位的局部應(yīng)力較高。細(xì)顆粒材料的疲勞性能一般比粗顆粒材料好。這是因?yàn)轭w粒愈細(xì)則其拉伸性能愈好，雖然局部應(yīng)力有時(shí)超過(guò)屈服強(qiáng)度但相鄰晶粒之間的塑性約束量也增多。而且，顆粒愈細(xì)意味著裂紋阻礙也愈多裂紋長(zhǎng)度也愈短。(3)材料缺陷 鋼材中總是存在各種各樣的缺陷，它們對(duì)疲勞強(qiáng)度有很大髟響。其影響的程度取決于缺陷的大小、形狀、數(shù)量、位置、方向。2 構(gòu)造及加工 構(gòu)造細(xì)節(jié)對(duì)高強(qiáng)螺栓疲勞性能的影響十分顯著，它主要反映了應(yīng)力集中的嚴(yán)重程度。如螺栓的螺紋形式、鍵槽、螺帽過(guò)渡圓角以及制作工藝和熱處理加工等。 通常，高強(qiáng)螺栓的疲勞危險(xiǎn)區(qū)有三處：與螺栓球節(jié)點(diǎn)連接處第一螺紋牙根部，經(jīng)理論分析，各螺紋牙上

12、的應(yīng)力分配是不均勻的，一般第一螺紋牙傳遞的應(yīng)力為最大；螺栓頭與螺桿的過(guò)渡圓角處；螺紋與光滑部分的過(guò)渡處。試驗(yàn)表明：疲勞破壞大都發(fā)生存第最險(xiǎn)區(qū)。(1)螺紋形式 在螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架中，高強(qiáng)螺栓通常僅受到軸力作用，其疲勞強(qiáng)度主要與螺紋的缺口效應(yīng)有關(guān)，不同的螺紋形式產(chǎn)生不同的缺口效應(yīng)，缺口效應(yīng)則主要表現(xiàn)為螺紋根部不同的應(yīng)力集中系數(shù)。(2)螺紋尺寸 通常構(gòu)件尺寸愈大，缺陷出現(xiàn)的概率愈大，疲勞強(qiáng)度也愈低。試驗(yàn)研究表明，隨著高強(qiáng)螺栓直徑的增加，疲勞強(qiáng)度呈下降態(tài)勢(shì)，如圖所示。 理論和試驗(yàn)研究表明，當(dāng)螺紋外徑在520mm范圍內(nèi)，隨螺紋外徑的增大，理論應(yīng)力集中系數(shù)顯著增加，當(dāng)螺紋外徑超過(guò)20mm后，增長(zhǎng)緩慢。(3)

13、牙根圓角半徑 疲勞試驗(yàn)表明：大部分高強(qiáng)螺栓的疲勞斷裂發(fā)生在螺栓承力的第一圈螺紋牙處，該處螺紋的疲勞強(qiáng)度只是同直徑光滑試件的1/81/2。 另外，牙根圓角半徑與應(yīng)力集中的大小緊密相關(guān)，圖給出了當(dāng)r/p=6時(shí)(p為螺距) ，理論應(yīng)力集中系數(shù)值與螺紋牙根圓角半徑的近似關(guān)系。由圖可見(jiàn)，理論應(yīng)力集中系數(shù)隨r/p值的增加而迅速下降，當(dāng)r/p0.21后，理論應(yīng)力集中系數(shù)又緩慢上升。這是因?yàn)檩d荷分布因螺紋牙柔性下降而較不均勻之故?？梢哉J(rèn)為r/p在0.180.21之間是最有利的。此時(shí)的理論應(yīng)力集中系數(shù)幾乎比r/p=0.063的螺紋低1/3。 (4)螺紋的牙形角 螺紋的牙形角對(duì)螺紋聯(lián)接的疲勞極限影響很大。已有研究

14、成果表明，M10螺紋的雙頭螺栓在牙形角=45、60 、75和90時(shí)的各種極限應(yīng)力幅中，牙形角為60時(shí)最不利。(5)螺栓頭過(guò)渡圓角半徑 螺栓頭與螺桿的過(guò)渡圓角處也是疲勞破壞的一個(gè)危險(xiǎn)區(qū)，雖然其破壞概率不如第一螺紋牙處大，但是由于該處截面突變，也會(huì)產(chǎn)生較高的應(yīng)力集中。試驗(yàn)證明，螺栓頭與螺桿的過(guò)渡圓角等于或大于0.2d(d為螺紋外徑)時(shí)，疲勞強(qiáng)度較高。(6)螺紋加工工藝 加工方法的影響 螺紋加工方法大體可分為兩大類，一類是切削法，包括車螺紋、銑螺紋、磨螺紋和板牙套螺紋、絲錐攻絲等；另一類是滾壓法，包括搓絲和滾絲。試驗(yàn)驗(yàn)證，螺紋的加工方法對(duì)變載荷下的疲勞強(qiáng)度影響甚大，滾壓螺紋有較高的疲勞強(qiáng)度，因?yàn)闈L壓

15、時(shí)的塑性變形能提高螺栓的疲勞壽命，而且在滾壓牙根部分時(shí)在牙根形成有益的殘余壓應(yīng)力，并改善了材料的結(jié)構(gòu)。正確選擇滾壓工藝，即使在較高的預(yù)緊力下，也能使疲勞壽命提高2050。 表面狀態(tài)的影響 高強(qiáng)螺栓螺紋的表面粗糙度對(duì)其疲勞強(qiáng)度有顯著影響，圖給出了不同表面粗糙度螺栓試件的疲勞極限與拋光螺栓試件的疲勞極限之比的數(shù)據(jù)。由圖可見(jiàn)，表面粗糙度值愈大，疲勞極限愈低。表面粗糙度對(duì)合金鋼制螺紋疲勞極限的影響比對(duì)碳鋼制螺紋的大。3. 制作安裝 (1) 制作安裝缺陷 在螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架各桿件的制作、安裝過(guò)程中，因尺寸誤差導(dǎo)致的桿件偏心在所難免。這種偏心導(dǎo)致了高強(qiáng)螺栓螺帽與錐頭或封板連接處是半邊壓緊而另半邊放松，螺栓的

16、受力已不是單純的軸向拉壓，而是拉彎或壓彎復(fù)合受力。偏心受力必然導(dǎo)致螺栓截面上的應(yīng)力不均勻，疲勞強(qiáng)度大大降低。(2) 螺栓的預(yù)緊力 高強(qiáng)螺栓連接通常承受較大的外加載荷，為了充分發(fā)揮高強(qiáng)螺栓的能力，通常給高強(qiáng)螺栓施加一定的預(yù)緊力。 預(yù)緊力的存在可以大大減小螺紋中的變應(yīng)力。加大預(yù)緊力可以減小微動(dòng)磨損的不利影響，從而提高其疲勞強(qiáng)度；過(guò)大或過(guò)小的預(yù)緊力都是不利的。過(guò)大的預(yù)緊力有可能導(dǎo)致螺栓被擰斷，錐頭或封板可能被壓壞，也可能使螺紋牙被剪斷而脫扣；過(guò)小的預(yù)緊力雖能使螺栓上循環(huán)變化的總載荷的平均值減小，但卻使載荷變幅增大，導(dǎo)致高強(qiáng)螺栓的疲勞壽命下降。因此，預(yù)緊力的大小及準(zhǔn)確度都是十分重要的。 4工作應(yīng)力 (

17、1) 應(yīng)力幅 大量理論分析與試驗(yàn)研究表明，影響高強(qiáng)螺栓疲勞強(qiáng)度最主要的載荷因素是應(yīng)力幅，而不是最大和最小應(yīng)力值以及應(yīng)力比。其主要原因是螺紋根部產(chǎn)生的嚴(yán)重的幾何應(yīng)力集中可以和焊接結(jié)構(gòu)中很大的殘余應(yīng)力同等對(duì)待。 (2) 平均應(yīng)力 一般說(shuō)來(lái)，在應(yīng)力幅相同的情況下，拉伸平均應(yīng)力使疲勞強(qiáng)度和壽命降低，而壓縮平均應(yīng)力產(chǎn)生的影響則比較有利。 6.7 典型事故實(shí)例分析例6.1 某廠橋式吊車大梁的疲勞破壞 某廠125t吊車在向混鐵爐兌鐵水時(shí)，吊車司機(jī)將主卷升至極限位置，大車對(duì)準(zhǔn)棍鐵爐口，將小車向混鐵爐方向移動(dòng)，當(dāng)主小車移動(dòng)1m時(shí)，聽(tīng)到有異常響聲，同時(shí)整個(gè)吊車開(kāi)始晃動(dòng)，接著吊車主梁中部突然斷裂，下翼緣板、腹板全部

18、撕開(kāi)；上翼緣與腹板的連接焊縫撕開(kāi)長(zhǎng)2.5m；主梁一頭墜地，另一頭懸掛在東橫梁上；兩根副梁端焊縫全部脫焊而墜落；北主梁因橫梁出軌道變形而呈弓形彎曲，但未落地；主小車落地，副小車落地后沖出廠房外約1m。值得慶幸的是，盛有鐵水的鐵水罐坐在地面上未翻倒，沒(méi)有發(fā)生更大的次生災(zāi)害。 事故發(fā)生后從三個(gè)方面進(jìn)行了調(diào)查： 1.檔案資料調(diào)查情況。該橋式吊車跨度31.5m，額定起重量125t，1977年制造安裝，1979年正式投入使用。在13年運(yùn)行過(guò)程中，先后兩次對(duì)吊車結(jié)構(gòu)做過(guò)較大的改軌。第一次是將主小車由原來(lái)的405kg改為627kg，主小車車輪由原來(lái)的4個(gè)改為8個(gè)；第二次是將吊車司機(jī)操作室從南大梁改在北大梁。1

19、988年和1991年曾兩次對(duì)該吊車進(jìn)行了檢驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果為各項(xiàng)指標(biāo)均合格。 2. 按設(shè)計(jì)圖紙和改造后的荷載校核。吊車主梁在滿荷載情況下，主梁上、下翼緣板最大應(yīng)力為156.6MPa=193.75MPa，靜剛度為fmax=2.367mmf=2.44mm，與1991年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合，證明設(shè)計(jì)是安全的。 3. 根據(jù)事故后對(duì)操作人員和吊車指揮人員的調(diào)查。吊車司機(jī)有操作證，受過(guò)三級(jí)安全教育，在該吊車上工作5年。當(dāng)時(shí)吊車負(fù)荷為105.37t小于該吊車的額定起重量。對(duì)事故后殘留在主卷簡(jiǎn)上的鋼絲繩圈數(shù)和繩長(zhǎng)度測(cè)量，該吊車在事故發(fā)生時(shí)，板鉤橫梁上平面與副梁下面之間還有近1m的間距，所以不存在鉤頭上天現(xiàn)象。 對(duì)主斷裂面

20、取樣檢驗(yàn)。用于制造該吊車梁關(guān)鍵部位的下冀緣鋼板雖存在夾渣、偏析現(xiàn)象，但與本次事故裂紋源的產(chǎn)生無(wú)直接聯(lián)系。該梁的主焊縫質(zhì)量較好，平滑而飽滿，但輔助焊縫存在較嚴(yán)重的缺陷，如在此次事故的主斷裂口處，主梁下翼緣與走臺(tái)板的連接焊縫有明顯的凹坑和焊接裂紋。從主斷裂口分析，主斷裂部位正處于焊接起弧處。 根據(jù)以上調(diào)查分析，吊車梁的破壞與使用和設(shè)計(jì)無(wú)關(guān)，其主要原因是由于南側(cè)主梁下翼板距端頭13.1m處發(fā)生的疲勞斷裂，而南側(cè)主梁下翼板的開(kāi)裂則是由于立梁下翼板與走道板的焊接缺陷引起。疲勞源與焊接裂紋有關(guān)，焊縫缺陷和焊接殘余應(yīng)力引起微裂，并沿著垂直于拉應(yīng)力的方向擴(kuò)展。由于早期沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，使用中裂紋又有了新的發(fā)展，裂紋從

21、下翼緣板發(fā)展到腹板的相當(dāng)高度，但由于環(huán)境很差，多次檢查仍沒(méi)有發(fā)現(xiàn)。甚至在有明顯變形直至斷裂的期間內(nèi)也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)或注意到。因此，焊縫缺陷和焊接殘余應(yīng)力是該吊車大梁產(chǎn)生疲勞破壞的主要原因。例6.2 某廠平臺(tái)裝機(jī)軌道梁的疲勞破壞 某廠作業(yè)平臺(tái)裝料機(jī)焊接實(shí)腹軌道梁長(zhǎng)12m，高1.6m。該梁于1980年開(kāi)始使用，在1990年檢查廠房結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)現(xiàn)梁的兩端受壓區(qū)主焊縫出現(xiàn)裂紋，左端裂紋長(zhǎng)1.5m，右端裂紋長(zhǎng)2.0m，均呈貫通性裂紋。當(dāng)年年底對(duì)裂紋進(jìn)行了修補(bǔ)。修補(bǔ)后的軌道梁使用3年后，又出現(xiàn)更為嚴(yán)重的破壞：梁上翼緣板與腹板的連接焊縫全部開(kāi)裂，梁腹板多處錯(cuò)位，梁中段腹板最大錯(cuò)位達(dá)109mm，梁上軌道因梁腹板變位下

22、沉而折斷成3節(jié)，裝料機(jī)被迫停止運(yùn)行。 從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查來(lái)看，該梁在制作階段和加固階段存在著嚴(yán)重的缺陷：梁的上翼緣板屬多板拼接，而且拼接焊縫質(zhì)量差，坡口過(guò)小，根本沒(méi)有焊透外觀檢查有可見(jiàn)的孔洞、焊瘤、氣泡等缺陷；修補(bǔ)后的主焊縫，焊縫嚴(yán)重偏離或高度不足。造成構(gòu)件早期疲勞破壞的主要原因?yàn)椋阂皇菢?gòu)件制作質(zhì)量差；二是由于生產(chǎn)工藝的影響，在帶有腐蝕介質(zhì)的濕熱環(huán)境中，腐蝕介質(zhì)和交變應(yīng)力對(duì)構(gòu)件的共同作用，產(chǎn)生的腐蝕疲勞；三是對(duì)已出現(xiàn)裂紋的構(gòu)件采用的修補(bǔ)方法不正確。 該平臺(tái)裝機(jī)軌道梁的疲勞破壞給我們的教訓(xùn)是： (1)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)細(xì)致檢查。疲勞破壞，裂紋都有一個(gè)發(fā)展的過(guò)程，在使用中必須進(jìn)行定期檢查，以減免事故的發(fā)生。 (2)

23、對(duì)于超重級(jí)工作制吊車梁使用20年以上或重級(jí)工作制吊車梁在達(dá)到疲勞周期時(shí)，要特別注意檢查吊車梁的各部位，一旦發(fā)現(xiàn)與疲勞有關(guān)的裂紋應(yīng)立即采取有效的補(bǔ)救措施，把事故消滅在萌芽狀態(tài)。 (3)對(duì)于已出現(xiàn)裂紋的構(gòu)件修復(fù)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用更換的辦法。對(duì)已出現(xiàn)裂紋的焊縫補(bǔ)焊時(shí)，必須先用風(fēng)鏟或碳弧氣刨清根，直至焊肉，然后重新施焊；補(bǔ)焊時(shí)一定要控制好焊接電流和焊條的直徑，以保證焊縫厚度的提高量每道不超過(guò)2mm，后加的焊縫要在前一道降溫到100以后才能進(jìn)行。例6.3 某軋鋼廠吊車梁疲勞破壞1. 工程及事故概況 前蘇聯(lián)某軋鋼廠均熱爐廠房寬32m，側(cè)跨9.5m，廠房總長(zhǎng)187m，柱距16.5m，橫向溫度縫在長(zhǎng)度方向把廠房分

24、為兩個(gè)部分。廠房?jī)?nèi)設(shè)有4臺(tái)吊車，其中有3臺(tái)是起重量各為100kN的鉗式吊車；另l臺(tái)是起重量為500/100kN的檢修吊車。 吊車梁分兩次建造，一部分是在二戰(zhàn)前制造的，采用剛性上弦焊接桁架；大部分是在1945年制造的，采用實(shí)腹式焊接梁。 1950年，對(duì)該廠房結(jié)構(gòu)檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)一根桁架吊車梁下弦節(jié)點(diǎn)板上中間斜桿的角鋼上有一條貫通裂縫，但沒(méi)有進(jìn)行修復(fù)。兩年以后，當(dāng)鉗式吊車通行時(shí)，這根梁嚴(yán)重下垂。還發(fā)現(xiàn)梁的斜桿、豎桿以及弦桿鋼材的斷裂都有增加。隨即拆除這根梁，并換成按1945年圖紙制作的新焊接吊車梁。 此后，在其他桁架式梁上也發(fā)現(xiàn)了裂縫。一根梁在上弦翼緣板與上弦腹板的連接焊縫上有長(zhǎng)300mm的裂縫，以后

25、這根梁的下弦和節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫裂開(kāi)；另一根梁中間節(jié)間的一根角鋼曾經(jīng)斷裂，用帶鋼蓋板加固后，后來(lái)又沿蓋板裂開(kāi)。此后，幾乎每天在廠房的端斜桿槽鋼上和桁架式吊車上都發(fā)現(xiàn)類似性質(zhì)的裂縫。2. 原因分析 裂縫調(diào)查小組詳細(xì)地調(diào)查了吊車的工作狀況，檢測(cè)了吊車梁材質(zhì)，確定了裂縫的性質(zhì)屬于疲勞裂縫，其原因有： (1)均熱爐車間的吊車每晝夜從初軋機(jī)上取下幾百個(gè)鋼錠，每年在一根梁上至少要來(lái)回運(yùn)行50萬(wàn)次；此時(shí)，在中間斜桿上將產(chǎn)生交變力拉力740kN，壓力400kN。按理論計(jì)算，這種力在結(jié)構(gòu)構(gòu)件上產(chǎn)生的應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)6272MPa。經(jīng)實(shí)際檢測(cè)，吊車梁中間斜桿的實(shí)際應(yīng)力達(dá)到111MPa，且加荷次數(shù)已超過(guò)200萬(wàn)次。 (2)對(duì)開(kāi)裂吊車梁的鋼材作檢驗(yàn)性試驗(yàn)表明梁是由沸騰鋼制作的，在許多部位鋼材具有較低的極限強(qiáng)度(不到300MPa)，磷的含量高達(dá)0 .26，超過(guò)廢品的規(guī)定極限兩倍多，嚴(yán)重地降低了鋼材的塑性、韌性和可焊性。 (3)在吊車梁上有多處應(yīng)力高度集中：斜桿和豎桿與節(jié)點(diǎn)板和弦桿連接處；下弦在接頭處用帶鋼蓋板覆蓋的加固處；中間斜桿在節(jié)點(diǎn)板用截?cái)嗟膸т摷庸烫?。?shí)際上是在這些