塔式起重机钢结构疲劳寿命研究

庞磊

摘 要：在建筑工程施工中，塔式起重机在提升物料方面发挥着重要的作用，尤其适用于空间较窄小的建筑工地，但实际应用中易发生各类安全事故，如塔身及起重臂的疲劳损坏，引发交变荷载故障。塔式起重机设计应用中需进行系统化的钢结构疲劳强度计算。

关键词：塔式起重机；钢结构；疲劳寿命

中图分类号：TH213.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）09-0039-02

1 研究背景

塔式起重機具有工作效率高、应用范围广等优势，广泛应用于建筑施工中，是建筑材料及施工设备调运的重要工具。作为施工组织中的关键性施工装备，塔式起重机有着一系列应用技术要点，在实际施工过程中易发生各类安全事故，影响到建筑施工的正常开展，并造成较大的经济损失。塔式起重机的故障主要源自塔身及平衡臂等结构的设计欠合理、制造质量不合格以及施工流程欠规范等。其中，塔式起重机的结构设计欠合理是造成起重机故障的主要原因，如钢结构疲劳强度损坏、应力腐蚀等，造成钢结构的失效。从安全系数角度考虑提升塔式起重机结构设计水平，可在确保结构尺寸及质量优异性能的基础上最大限度提升起重机实际应用性能，并延长起重机使用寿命。目前实际施工中所应用的塔式起重机设备并未有效考虑钢结构疲劳失效的问题，影响到塔式起重机使用寿命。伴随经济社会的发展，塔式起重机设备的结构疲劳性问题逐渐引发重点关注，成为塔式起重机结构设计的关键技术点。

2 塔式起重机的有限元模型和静应力

塔式起重机疲劳损伤及构件受交变应力影响时造成的失效现象，通常应力作用难以达到材料及构件的屈服极限，但长期反复作用下，易形成疲劳破坏，但一般无明显塑性变形迹象，较难被察觉，具有较大的潜在危险性，且疲劳端口处会出现纤维状区域特征，分散性较强。起重机疲劳类型主要包括机械疲劳、热疲劳以及腐蚀性疲劳等方面，分别由交变机械、温度波动、循环交变应力及腐蚀性环境等影响因素引发，机械疲劳在塔式起重机中较为常见。

建立塔式起重机有限元模型见下图1所示，三维网格模型包括630个网格节点以及1567个梁杆单元，有限元计算工况依据实际运行环境及特点选取，吊重分别位于起重臂最远端、内外拉杆、起重臂根部等工况结构，通过计算获得各工况的静应力值。其中，起重臂最远端吊重工况中，静应力值分布见下图2所示，可看出各工况静应力强度均符合设计要求。

3 应力循环的转化

塔式起重机应力谱为各工况应用中工程极值应力的集合，如空载静止及回转工况、起吊及回转工况等，通过单向荷载作用下应力考核点应力的有限元计算，可形成塔式起重机应力谱以综合评估各工程载荷下的应力状态。通常在塔式起重机工作中，杆件组件受不规则交变应力影响较大，考虑到拉应力与压应力不一致的影响，需设置刚性桁架平衡臂。由塔式起重机应力谱可知，各结构部位受力形式及状态各异，受起吊载荷、回转方向、风荷载等的影响也较大，表现在应力谱图上即为横轴上下两部分，依据起重机作用规律，杆件正、反向受力大致相当，则正、反向回转启动次数也大致一致。为衡量主弦杆应力状态的变化，坐标图对称轴选用零应力点折线垂线，应力谱负值部分翻转后得到完整的应力谱图。

应力循环转化即利用应力状态的调整实现塔式起重机结构疲劳影响因素的分析，通过古德曼图线可衡量交变应力对结构性疲劳的影响程度及方式，依据古德曼图线及应力循环谱图，（）为一个应力循环，平均应力，依据各应力循环组最大应力及最小应力建立应力组，由古德曼图线方程，应力幅，为破断拉应力，则等效对称循环应力可通过计算得到，疲劳极限，在此基础上建立各杆件的等效应力谱图。

4 起重机的疲劳寿命

起重机钢结构的寿命的分析需从疲劳分析入手，其安全工作年限在实际应用中也较为关注，但疲劳寿命评估往往受各类因素的影响，需采取系统化评估手段，首先需理解基本的疲劳寿命评估标准及方法，疲劳破坏通常经历成核阶段、微观裂纹阶段、宏观扩展阶段以及疲劳断裂阶段等，需通过高效的疲劳寿命分析不断提升塔式起重机的工作可靠性与安全性。

塔式起重机可靠度约达90%以上，其等效对称循环应力需依据各应力考核点零构件疲劳寿命曲线查得，即P-S-N曲线。曲线中包括LCF、HCF以及SF各段，分别为低周期、高周期以及无限寿命应力区，依据P-S-N曲线可得到等效对称循环应力疲劳寿命，S-N曲线的应力与疲劳寿命呈以下关系特性：，适用于高周期疲劳应力的分析。而当等效对称应力落在曲线的无限寿命阶段，则，此阶段中塔式起重机应力考核点无疲劳损伤，分离无限寿命应力值域后，对称循环应力变化为。

在塔式起重机P-S-N曲线的高周期疲劳阶段，可由等效对称应力对应的作用方式及次数、寿命得到应力考核点的损伤率值：。

但在塔式起重机实际工作中，存在一个等效对称循环应力相互交叉的情况，造成疲劳寿命的分析较复杂，缺乏统一的衡量标准，因此，为提升塔机疲劳寿命评价的有效性，建立等效对称循环应力评价机制，设立标准应力及标准作用次数，各等效对称循环应力均以标准应力及作用次数为依据建立，即，则，进而得到损伤率：

，当，等效作用次数方程为：，故标准应力基础上的等效对称循环应力作用次数为：

，因此，总疲劳损伤可表示为：，剩余寿命为：。

通过上述对塔式起重机疲劳寿命的分析，可提升应力考核点处疲劳损伤及寿命评价精度及可靠性，依据高效的疲劳状态评估以及截面特性可确定截面的可修复及可替换特性，以采取相应的替换及报废措施。

5 结语

塔式起重机是建筑材料及施工设备调运的重要工具以及关键性施工装备，施工过程中塔式起重机的故障将直接影响到施工可靠性与安全性，从安全系数角度并未有效考虑钢结构疲劳失效的问题。文章建立有限元结构模型，进行静应力循环分析，其中，应力循环次数由应力谱图确定，依据古德曼图转换，并设定标准应力及作用次数，评估塔式起重机疲劳寿命。

参考文献

[1]侯沂，李世六.塔式起重机钢结构疲劳寿命研究[J].土木建筑与环境工程，2009，（10）：24-31.

[2]罗丹，王斯谷.运用MSC.Fatigue进行塔式起重机疲劳寿命预测[J].起重运输机械，2009，（9）：9-11.

[3]赵伟，王良文，徐中明，等.塔式起重机整体结构有限元分析[J].机械与电子，2006，（10）：67-70.