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（秦皇岛港股份有限公司杂货港务分公司,河北 秦皇岛 066002）
摘 要：文章介绍了塔吊式卸船机钢结构修复工艺,利用有限元建模分析和应力测试分析计算确定维修工艺,从高塔吊钢结构局部的模型有限元分析,介绍了德国的“MOPS模块式信号采集系统”,提出了影响港口设备钢结构构件的可靠性的几大因素,强调了港口设备钢结构维修检修的必要性.
关键词：高塔吊；钢结构开裂；有限元建模分析；应力测试；现代测试分析方法 文献标识码：A
中图分类号：TU391 文章编号：1009-2374（2015）05-0060-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0362
秦皇岛港股份有限公司矿石码头三台高塔吊由德国高华港口技术有限公司制造,于2004年正式投产使用.设计起重能力50t,作业回转半径11～48米,整机系统由机械电器两大部分组成.由走行、臂架俯仰、回转、电器等系统组成.三台高塔吊于2006年先后在卷扬机房配重支撑梁根部出现焊缝开裂现象,后经增加马鞍型盖板加强修复后继续使用.在此之后钢结构多次出现其他形式的轻微钢结构开裂问题,都已陆续修复.2013年4月又发现回转轴承下方四个支撑板与平台焊缝和支撑板母材本身出现不同程度的开裂,且三台均出现相似问题,开裂位置与日常工作角度一致,此次钢结构出现问题情况较严重,为解决这一问题,相关技术人员利用德国CAESAR公司制造的“MOPS模块式信号采集系统”对高塔吊主体钢结构关键部位动应力进行了现场测试,并对关键部位进行无损探伤检查.
1. 钢结构开裂测试结果及分析
首先我们做了有限元分析,定性计算塔吊在三种工作位置时应力分布.其中配重152t,起吊载荷30t,塔吊上部重量117t.
根据对简化模型的有限元分析,塔吊基座内的凹形筋板应力状态,受压侧筋板有应力集中,位置在筋板焊脚和凹形内角处.
钢结构测试工作中应力测点的选取是在有限元计算结果及使用过程中出现的问题部位来确定.测点选择依据为：有限元计算结果较大部位、承担动载荷的主要部位以及日常运行时出现问题的部位.
布贴单向应变片各测点,应力σ等于E·ε（E：杨氏模量；ε：实测应变）
布贴45°三向应变花各测点,主应力大小按照下列公式进行合成：
其中、、分别为0°、45°、90°三个方向的应变,以抓斗放于地面,钢丝绳处于松弛状态时的应力为初始应力零点.测试抓斗抓料时各测点的工作应力.应力变化较剧烈的几个测试点如表1：
从以上测试情况可看出,高塔吊钢结构多个部位应力较大且为交变载荷,为设备安全运行埋下隐患,综合有限元计算结果和现场测试数据分析,塔吊主要钢结构焊缝和母材的破坏形式为交变载荷引起的疲劳破坏.影响其变化主要因素有以下五点：（1）受力不均导致钢结构变形,如操作不当、连接螺母松动、长期超载等；（2）钢结构裂纹,由于在操作过程中,启动或制动过猛,在运转中换速过快,反车时紧急制动,造成钢结构冲击力增大,由于其惯性力过大导致钢结构发生裂纹,尤其焊缝开裂；（3）塔机疲劳,由于塔机过度使用,使其疲劳强度降低,加上违章作业,超载运作,造成钢结构受力复杂,产生不稳定交变应力；（4）爬爪不到位,在作业过程中,由于操作员的疏忽,造成爬爪不当,致使塔机钢结构受力不均,影响其结构发生变形或损坏,严重时会导致塔机事故的发生,机毁人亡.（5）钢丝绳断裂,由于钢丝绳长期的使用,保养不到位,日常检查的疏忽,在作业过程中钢丝绳突然断裂,塔机钢结构受到冲击力的影响,轻者产生局部钢结构发生变形出现裂纹,重者造成塔机倾翻.总之,影响塔吊钢结构发生变化的因素很多.因此,在日常作业过程中应严格按照操作规程进行作业,避免塔吊急速重载提升和提升过程高速回转.特别是回转以上部位,各测点工作时应力水平主要是由于载荷工况不一样所致,各测点在设备工作抓斗重载起升时,应力变化较为剧烈,特别是在抓斗起升伴随回转的过程中应力变化最为剧烈.考虑到工作时的连续性和循环特性应加强日常定期或不定期检查和检测,确保塔吊作业正常运转,安全无事故.
2. 改造方案
针对测试结果和钢结构现存问题,我们根据测试情况和有限元建模分析,对钢结构的隐患部位和薄弱环节进行了改造维修.包括旋转机房两扇门角8块板的加固；旋转机房内鞍形板和其下母板裂纹的修补,用角磨机按照裂纹方向进行打磨,同时做间断的着色探伤,直到看不到裂纹为止,打出坡口,进行补焊；旋转机房鞍形板下角位置加固三角形筋板；旋转机房内靠卷扬机房一侧两顶角处加固梯形板；从旋转机房进卷扬机房门口处三个立柱从底部切掉三角形料以去应力；卷扬机房底座两位置加固小梯形；卷扬机房减速箱支撑立柱与机房地板穿接处焊缝开裂处理；卷扬机房、旋转机房顶部外侧与塔身螺栓上部位加三角形板加固；卷扬机房、旋转机房顶部外侧与塔身螺栓下部位加类似V形板加固.
维修前确定卸掉塔吊负载,包括塔吊本身臂架用工装支起,卸掉塔吊150t配重等.维修改造方案都严格进行了分析计算,以旋转机房下部鞍形板去应力加固为例,我们对提出的两套改造方案分别建模分析：一是将开裂母材切割半径600mm,增加三角形加固钢板,二是在开裂处割除开裂的R50mm.比较后切割半径600mm后的横截面最大应力102N/mm2,而切割半径50mm后横截面最大应力为125N/mm2,即使切割的横截面更小.
相关技术人员采取了如下的维修加固方案,将原母材开裂处切割半径600mm,并在原弧形马鞍板下增加两三角形筋板加强,加固钢板材料为Q345D,如图3：
改造后设备运行至今状态良好,未出现重复开裂和其他钢结构问题.
3. 结语
港口设备工作频度非常大,由于运转速度较快,动载冲击较大,长期高频度的运转,可能会对设备的钢结构造成严重的损伤；由于设计考虑不周、材料选择不当、制造安装工艺错误等因素,造成结构件局部应力集中,长期运行产生疲劳裂纹扩展,也对设备可靠性和安全造成较大威胁；同时金属构件的失稳、腐蚀、异常震动、维护不当等各种因素也会对钢结构产生较大的伤害.因此利用现代测试分析方法和技术加强港口机械设备的安全管理,保证港口机械设备技术性能经常处于良好状态、避免突发故障、掌握控制渐发性故障和偶发性故障的发生,确保港口机械设备安全、可靠、经济运行,对港口生产发展和经济效益的提高有着极其重要的意义.
钢结构建筑施工用塔吊:同济大学 钢结构 34讲 零基础自学
作者简介：曹金罗（1980-）,男,河北滦南人,秦皇岛港股份有限公司杂货港务分公司工程师,研究方向：港口设备管理.
（责任编辑：秦逊玉）
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钢结构建筑施工用塔吊引用文献:
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