金属结构基于安全的管理与测试

    0　前　言

    金属结构是整机的支撑,其费用占了整机的很大部分。而大型设备如起重机械,它们的寿命也主要决定于金属结构的寿命;因此,做好金属结构的管理工作,意义十分重大。

    金属结构的状态管理是国内外关注的热点、难点问题。文献[1]的项目成果用板的超屈曲理论解释并论证了门机主臂架折断和桥机主梁破坏的现象和原因,用断裂力学原理揭示疲劳裂纹扩展过程并相应地提出了控制技术。项目密切结合实际,有很强的针对性和实用性。于1999年获交通部科技进步二等奖,并作为重大科研成果立项向全国推广。

    1　金属结构的局部稳定性[1,3,4]

    大量事故表明,结构的局部失稳是导致结构破坏的主要原因之一。以门机主臂架折断事故为例,事故发生频次高,全国港口已有几十起。主要表现为:

    (1)臂架受压翼板在折断前出现凹凸变形;

    (2)折断有一个变形累积和发展的缓慢过程;

    (3)折断常常不在最大应力的位置。

    凹凸变形是失稳的变形特征;缓慢过程是板失稳的超屈曲现象;至于折断为何不发生在最大应力处,是因为稳定问题与强度问题不同。稳定问题的破坏条件是[1]:

    σ_k=σ_p+σ_g+σ_h≥σ_cr         (1)

    式中:σ_p为载荷引起的应力,可通过实测得到;σ_g为自重应力,由计算得到;σ_h为焊接残余压应力,也由计算获得;σ_k为总作用应力,简称总应力;σ_cr为实际的稳定临界应力,它由理论临界应力即欧拉应力σe、弹性模量E和初始位移A等影响因素而获得。

    取钢材的E=2.06×10⁵Mpa,泊松系数μ=0.3,由劲条围成的板的欧拉应力为

    σ_e=[k·E·π²/12(1-μ²)]·(δ/b)²≈k·(1.86×10⁵)·(δ/b)²      (2)

式中:k为决定于支承和载荷条件的系数;δ为板厚;b为板宽,在实际结构中就是与载荷平行的两条劲之间距离。

    因为在变幅位置的劲板布置密,一般为3条,劲间距b小,由公式(2)知σe与b2成反比,σe大,虽然σp大,σr也大,但它未到达σcr,应力最大的变幅点(即推挽点)就不会折断;而在上部劲条布置得稀,劲间距b大,σe就相对小,即使σp不是最大,但已到达或超过实际临界应力σcr,所以会在该处折断。

    上一世纪80年代,沿海某港16t门机主臂架折断,是疲劳破坏还是失稳破坏的问题曾经引起争论。现在可充分肯定,折断是由于局部失稳而引起整体破坏。

    变换公式(1),可得不破坏的安全条件:

    σ_p≤σ_cr/n+σ_g+σ_h       (3)