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[摘要]本文通过对一根损伤有代表性的吊车梁进行疲劳模拟实验，发现疲劳裂缝多出现在小车频繁移动的区域、轨道偏离导致卡轨严重的区域及轨道接头处产生冲击荷载区域。得出卡轨力、冲击力、偏心荷载是影响吊车梁疲劳破坏的主要因素；此外翼缘与腹板交接处的角钢加固是一种行之有效的加固方案。
[关键词]吊车梁;加固;疲劳
引言
目前，许多大型工业厂房的重级工作制焊接钢吊车梁的上翼缘与腹板连接焊缝处出现纵向水平疲劳裂缝。针对这种裂缝产生的原因及防治的方法，国内外专家持各种不同的观点[1~2]。但直到目前为止,尚未见到能够有效制止这种裂缝的措施出台,我国现行的《钢结构设计规范》(GB50017-2003)也没有明确提出预防这种裂缝出现的具体的计算方法或构造措施。
本文基于作者通过对一根损伤有代表性的吊车梁进行了疲劳模拟实验，对裂缝产生的规律、原因、机理以及防治的方法提出一些自己的看法,供今后出现类似裂缝的已有焊接钢吊车梁的加固处理及新设计重级工作制焊接钢吊车梁的构造处理时参考。
1 吊车梁概况
该吊车梁设有3台15t硬钩电磁吊车，为特重级（A8）工作制式。吊车梁为工字形截面钢吊车梁，梁高1.3m，上下翼缘板厚25mm，宽700mm，腹板厚12mm。设有制动梁、制动梁辅助桁架、制动板、下翼缘支撑及吊车梁与制动系统的垂直支撑。
2 实验目的及内容
该吊车梁已产生较为严重的疲劳裂缝，为全面了解吊车梁疲劳裂缝的发展情况及防治措施是否有效，对吊车梁加固前后进行详细的应力应变实验分析。
照片1 吊车梁实验装置
实验装置见照片1，吊车梁的裂缝情况及加载点位置如图1所示；实验前1#裂缝长93mm；2#裂缝长85mm；3#裂缝分为上下两叉，上侧裂缝长116mm，下侧裂缝长62mm；4#裂缝长275mm；5#裂缝长450mm；6#裂缝长630mm。
图1 吊车梁裂缝及加载点位置
为了对比裂缝的延伸情况，实验前在1#、4#、5#裂缝末端打孔（直径5mm）。实验采用500KN脉动疲劳实验机进行，脉动频率200次/分钟，脉动荷载100kN-200kN，试验次数200万次。
试验后对裂缝发展进行观察，1#、4#、5#裂缝由于末端打孔，均为见发展。2#裂缝延伸65mm；3#上侧裂缝延伸24mm，下侧裂缝未延伸；6#裂缝延伸28mm。
该吊车梁采用200×200×18的角钢进行加固，见照片2；简图如图2所示。加固前后对该梁进行了疲劳试验，实验采用500KN脉动疲劳实验机进行，脉动频率200次/分钟，脉动荷载100kN-200kN，试验次数200万次。
表1 1-6裂缝端部应力对比
注：表中“-”表示拉应力
照片2 角钢加固疲劳裂缝
Photo 2angle steel reinforcement fatigue crack
试验后拆除加固角钢，进行裂缝观察，1#、4#、5#裂缝由于末端打孔，均未见发展。2#裂缝延伸8mm；3#号上侧裂缝延伸5mm，下侧裂缝未延伸；6#裂缝延伸13mm。
为了解各裂缝的应力应变状态，在每个裂缝的端部粘贴应变花，对水平方向、45°方向及竖直方向进行应力对比，数值见表1。
为了研究偏心荷载作用对疲劳裂缝的影响，选取有位置相互对应的5#裂缝和11#裂缝，对比加固前后两侧裂缝的应力状态，见表2。
图2 吊车梁加固图
表25和11裂缝端部应力对比
注：表中“-”表示拉应力
3 理论分析
根据裂缝开始出现的位置与开裂机理不同,腹板上部裂缝可分为支点裂缝与肋间裂缝两种[3]。本文只针对肋间裂缝进行实验研究及理论分析。
吊车梁系统及支撑结构的制造与安装偏差、地基不均匀沉降会引起轨道高低不平，特别是在软土地区建厂时，如果车间有大面积堆载，则会产生不同程度的沉降和偏斜，使轨道对吊车梁中心存在偏差，这种偏差造成的集中应力特别容易在实腹式吊车梁受压区造成疲劳损伤。当钢轨偏心距太大时，该处产生局部扭矩和翼缘的侧向弯曲，从而使上述的损伤点出现相当高的拉应力。这个局部扭转和侧向弯曲是吊车的单个轮子所产生的，因而吊车每通过一次，它的重复次数就是吊车的车轮数，于是这些部位在短期内就达到高应力重复加载，导致吊车梁的早期疲劳破环。从调查结果及轨道偏心与损伤关系来看，偏心对吊车梁弯曲受压产生疲劳裂缝的影响是明显的。
吊车小车启动与刹车及车轮卡轨产生的水平力，将使腹板与翼缘连接焊缝上产生水平向剪应力，其最大值一般出现在相邻两加劲助的中间区域。伴随着最大水平剪應力，还有上部扭矩产生的垂直拉应力，在这两种应力大量重复作用下，两加劲肋中间区域的腹板与上翼缘连接焊缝下边缘，最先出现疲劳裂缝。随着裂缝两端集中应力的循环作用，裂缝逐渐向两侧发展，直到相邻裂缝贯通。
为了更好地模拟实际工程，本实验的加载方案中，采用500KN脉动疲劳实验机，垂直向偏心作用在吊车梁上，但是对吊车启动与刹车力及卡轨力等水平荷载的作用无法进行研究。
4 结论及建议
1）从表2中可以看出，吊车梁试件在经过加固之后，裂缝尖端的应力集中现象明显降低，且低于完好梁在该处的应力，说明该加固方案既可使梁的承载应力下降，又可减小裂缝尖端应力集中效应，也起到提高梁的可靠性的目的。此外，在荷载作用下，尽管角钢中的应力很大，但总是较相同位置腹板中的应力要小，这说明在此种加固方案下，不存在角钢先发生破坏的现象，加固件与主体是可以协同工作的，本方案能达到预期的加固目的。
2）从表2可得出如下结论：
角钢加固后，影响裂缝发展的竖向应力及应力幅均有所减小；
角钢加固后，对于偏心荷载对两侧应力的影响明显减小，减小幅度（150.8-68.6）/150.8=54.5%。
由此可以看出，裂缝的发展主要是偏心荷载作用的结果，该加固方法能有效的减小偏心荷载产生的应力和应力幅，所以加固后裂缝发展明显减缓，起到了延长吊车梁使用寿命的作用。
3）疲劳裂缝多出现在小车频繁移动的区域、轨道偏离导致卡轨严重的区域及轨道接头处产生冲击荷载区域。但本次实验无法模拟卡轨力和冲击力；模拟的偏心加载也仅限于小偏心。
作者认为卡轨力，冲击力，偏心荷载是影响吊车梁疲劳破坏的主要因素，建议有实验条件的单位可对以上三种因素做进一步研究。
参考文献：
[1] 李斌,田志昌,孙祯.钢吊车梁的加固实验研究【J】.工业建筑,2000,30(12):48-50.
[2] 赵根田,左勇志.焊接钢吊车梁上部区域疲劳破坏的探讨【J】.包头钢铁学院学报,1999,18(1):33~37.
[3] 温晓明,郑山锁.对焊接钢吊车梁腹板与上翼缘之间疲劳裂缝的探讨【J】.工业建筑,2004,34(10):59-61.
[关键词]吊车梁;加固;疲劳
引言
目前，许多大型工业厂房的重级工作制焊接钢吊车梁的上翼缘与腹板连接焊缝处出现纵向水平疲劳裂缝。针对这种裂缝产生的原因及防治的方法，国内外专家持各种不同的观点[1~2]。但直到目前为止,尚未见到能够有效制止这种裂缝的措施出台,我国现行的《钢结构设计规范》(GB50017-2003)也没有明确提出预防这种裂缝出现的具体的计算方法或构造措施。
本文基于作者通过对一根损伤有代表性的吊车梁进行了疲劳模拟实验，对裂缝产生的规律、原因、机理以及防治的方法提出一些自己的看法,供今后出现类似裂缝的已有焊接钢吊车梁的加固处理及新设计重级工作制焊接钢吊车梁的构造处理时参考。
1 吊车梁概况
该吊车梁设有3台15t硬钩电磁吊车，为特重级（A8）工作制式。吊车梁为工字形截面钢吊车梁，梁高1.3m，上下翼缘板厚25mm，宽700mm，腹板厚12mm。设有制动梁、制动梁辅助桁架、制动板、下翼缘支撑及吊车梁与制动系统的垂直支撑。
2 实验目的及内容
该吊车梁已产生较为严重的疲劳裂缝，为全面了解吊车梁疲劳裂缝的发展情况及防治措施是否有效，对吊车梁加固前后进行详细的应力应变实验分析。
照片1 吊车梁实验装置
实验装置见照片1，吊车梁的裂缝情况及加载点位置如图1所示；实验前1#裂缝长93mm；2#裂缝长85mm；3#裂缝分为上下两叉，上侧裂缝长116mm，下侧裂缝长62mm；4#裂缝长275mm；5#裂缝长450mm；6#裂缝长630mm。
图1 吊车梁裂缝及加载点位置
为了对比裂缝的延伸情况，实验前在1#、4#、5#裂缝末端打孔（直径5mm）。实验采用500KN脉动疲劳实验机进行，脉动频率200次/分钟，脉动荷载100kN-200kN，试验次数200万次。
试验后对裂缝发展进行观察，1#、4#、5#裂缝由于末端打孔，均为见发展。2#裂缝延伸65mm；3#上侧裂缝延伸24mm，下侧裂缝未延伸；6#裂缝延伸28mm。
该吊车梁采用200×200×18的角钢进行加固，见照片2；简图如图2所示。加固前后对该梁进行了疲劳试验，实验采用500KN脉动疲劳实验机进行，脉动频率200次/分钟，脉动荷载100kN-200kN，试验次数200万次。
表1 1-6裂缝端部应力对比
注：表中“-”表示拉应力
照片2 角钢加固疲劳裂缝
Photo 2angle steel reinforcement fatigue crack
试验后拆除加固角钢，进行裂缝观察，1#、4#、5#裂缝由于末端打孔，均未见发展。2#裂缝延伸8mm；3#号上侧裂缝延伸5mm，下侧裂缝未延伸；6#裂缝延伸13mm。
为了解各裂缝的应力应变状态，在每个裂缝的端部粘贴应变花，对水平方向、45°方向及竖直方向进行应力对比，数值见表1。
为了研究偏心荷载作用对疲劳裂缝的影响，选取有位置相互对应的5#裂缝和11#裂缝，对比加固前后两侧裂缝的应力状态，见表2。
图2 吊车梁加固图
表25和11裂缝端部应力对比
注：表中“-”表示拉应力
3 理论分析
根据裂缝开始出现的位置与开裂机理不同,腹板上部裂缝可分为支点裂缝与肋间裂缝两种[3]。本文只针对肋间裂缝进行实验研究及理论分析。
吊车梁系统及支撑结构的制造与安装偏差、地基不均匀沉降会引起轨道高低不平，特别是在软土地区建厂时，如果车间有大面积堆载，则会产生不同程度的沉降和偏斜，使轨道对吊车梁中心存在偏差，这种偏差造成的集中应力特别容易在实腹式吊车梁受压区造成疲劳损伤。当钢轨偏心距太大时，该处产生局部扭矩和翼缘的侧向弯曲，从而使上述的损伤点出现相当高的拉应力。这个局部扭转和侧向弯曲是吊车的单个轮子所产生的，因而吊车每通过一次，它的重复次数就是吊车的车轮数，于是这些部位在短期内就达到高应力重复加载，导致吊车梁的早期疲劳破环。从调查结果及轨道偏心与损伤关系来看，偏心对吊车梁弯曲受压产生疲劳裂缝的影响是明显的。
吊车小车启动与刹车及车轮卡轨产生的水平力，将使腹板与翼缘连接焊缝上产生水平向剪应力，其最大值一般出现在相邻两加劲助的中间区域。伴随着最大水平剪應力，还有上部扭矩产生的垂直拉应力，在这两种应力大量重复作用下，两加劲肋中间区域的腹板与上翼缘连接焊缝下边缘，最先出现疲劳裂缝。随着裂缝两端集中应力的循环作用，裂缝逐渐向两侧发展，直到相邻裂缝贯通。
为了更好地模拟实际工程，本实验的加载方案中，采用500KN脉动疲劳实验机，垂直向偏心作用在吊车梁上，但是对吊车启动与刹车力及卡轨力等水平荷载的作用无法进行研究。
4 结论及建议
1）从表2中可以看出，吊车梁试件在经过加固之后，裂缝尖端的应力集中现象明显降低，且低于完好梁在该处的应力，说明该加固方案既可使梁的承载应力下降，又可减小裂缝尖端应力集中效应，也起到提高梁的可靠性的目的。此外，在荷载作用下，尽管角钢中的应力很大，但总是较相同位置腹板中的应力要小，这说明在此种加固方案下，不存在角钢先发生破坏的现象，加固件与主体是可以协同工作的，本方案能达到预期的加固目的。
2）从表2可得出如下结论：
角钢加固后，影响裂缝发展的竖向应力及应力幅均有所减小；
角钢加固后，对于偏心荷载对两侧应力的影响明显减小，减小幅度（150.8-68.6）/150.8=54.5%。
由此可以看出，裂缝的发展主要是偏心荷载作用的结果，该加固方法能有效的减小偏心荷载产生的应力和应力幅，所以加固后裂缝发展明显减缓，起到了延长吊车梁使用寿命的作用。
3）疲劳裂缝多出现在小车频繁移动的区域、轨道偏离导致卡轨严重的区域及轨道接头处产生冲击荷载区域。但本次实验无法模拟卡轨力和冲击力；模拟的偏心加载也仅限于小偏心。
作者认为卡轨力，冲击力，偏心荷载是影响吊车梁疲劳破坏的主要因素，建议有实验条件的单位可对以上三种因素做进一步研究。
参考文献：
[1] 李斌,田志昌,孙祯.钢吊车梁的加固实验研究【J】.工业建筑,2000,30(12):48-50.
[2] 赵根田,左勇志.焊接钢吊车梁上部区域疲劳破坏的探讨【J】.包头钢铁学院学报,1999,18(1):33~37.
[3] 温晓明,郑山锁.对焊接钢吊车梁腹板与上翼缘之间疲劳裂缝的探讨【J】.工业建筑,2004,34(10):59-61.