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因风致振动引起的起重机失效
译者：况蓉森
摘要
低阻尼的细长结构元件可能会在自然风中产生较大振幅的自激振动。由于设计不同（例如，现在使用实心截面拉力元件代替过去的缆绳拉力元件），对风致振动的敏感性增加。那些具有特定交叉截面轮廓的结构因风致振动引起运动并自激的现象称为'驰振'。特别是具有高度拉伸负载和无阻尼元件的系统，如桥梁吊架或起重机的拉杆，对风致振动非常敏感。因此，在20世纪90年代，越来越多的疲劳问题是由于驰振引起的疲劳断裂。本文介绍了两台不同设计和制造商的现代起重机的坍塌事例。在停运期间，两台起重机的带着配重的拉杆都遭受了风致振动。还描述了识别和解释疲劳断裂引起的的失效的分析过程，并进行了对比实验和仿真，以验证疲劳断裂是由风引起的驰振引起的。结果表明了哪些参数导致了拉杆的驰振，以及如何通过非线性和非稳态的方法更精确地估计其初始风速和振幅。此外，还表明这种动态应力会导致带配重的拉杆疲劳失效，并导致起重机倒塌。
为了防止损失，应将这些研究中获得的知识和结果交给从事此设计领域的工程师使用。同时，有关驰振的研究工作为制定适当的结构钢技术标准做出了贡献。尽管引入了考虑风致振动的新标准，但仍会发生此类故障。
关键词：风致振动驰振，初始风速，负阻尼结构元件，起重机拉杆，疲劳断裂
1 简介
自20世纪50年代以来，众所周知，几种不同的风激励机制可能会导致风致振动和金属结构的疲劳破坏，例如桥梁，架空输电线路，烟囱，灯杆和高速公路标志结构[1-6] 。在20世纪90年代，由于驰振，钢结构的疲劳失效累积[1,7–12] 。在现代钢结构中，越来越多地使用到锋利的实心型材。由于吊架和拉杆中的拉力很高，与以前使用的钢丝绳相比，实心型材的阻尼特性较低。
因此，由于其形状，固体轮廓对风致振动敏感，例如会被驰振激发。最近在由实心型材制造的起重机和吊具的桥架，吊架和张紧杆的细长吊架（细长比k = L / d 100）上观察到了这种振动。
在下文中，描述了两次由起重机驰振引起的起重机故障分析。由于对塔式起重机故障的调查更加详细，故本次说明基于该系统来阐述。简要介绍了移动式起重机的故障，并分析了造成气动故障的根本原因和对策。两家起重机制造商为专家的及时信息出版提供了支持[12] 。
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- 案例示例塔式起重机
为了安装德国一家新电厂的锅炉及部分锅炉房，在图1 的锅炉房顶部使用了全新的塔式起重机。
在安装锅炉房的四个角柱后，将顶部格栅（重量约1500吨，公吨）和顶部的塔式起重机安装在角柱之间的地面上。使用液压绞线千斤顶，将准备运行的塔式起重机的顶部格栅在角柱之间提升至最终位置，高度为160 m，请参见图1 右锅炉房。
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- 塔式起重机的结构
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对于这种锅炉房的安装技术，需要一种塔式起重机的特殊配置，就是要塔式起重机的最小延伸范围很小。与图1中的右塔式起重机相比，图2 具有以下特征：
变幅主臂
短配重臂架
重配重块组
从配重到起重机顶部的陡拉杆，长度短硬度高
（塔式起重机的最大伸出距离为50 m，负载能力为20.5 t，最大负载能力为30 t）
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- 拉杆配重
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左，右配重拉杆由三个拉杆组装而成，通过对接皮带和螺栓连接，如图2所示。每个拉杆均由一个拉力构件（方杆60 mm 60 mm，钢S355）制成，一端焊接有对接带。最短的3号拉杆的两端均带有对接皮带，如图3所示。较长的1号和2号在另一端带有凸耳。根据该设计，较高的载荷作用在张紧杆上，导致张紧构件的张紧应力很大。
图1.新的发电厂地点：安装锅炉房，顶部装有塔式起重机（红色箭头）。
图2.塔式起重机，顶部带有短的配重臂，带有张力杆（1、2; 3），断裂位置，卷扬绞车和卷扬绳，地面高度（德国海尔布隆的MAN GHH Logistics公司制造）
图3.德国海尔布隆的MAN GHH Logistics公司最短的3号下拉力杆的设计图以及裂缝的位置。
张力杆通过螺栓连接到塔顶和配重臂。由配重引入的高张力导致螺栓表面产生较高摩擦。由于摩擦，“枢轴”表现为拉杆的刚性约束。
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- 故障描述
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1995年3月，在组装新起重机后100天（图2），两个3号拉力杆断裂（图4）。
因此，配重– 6块质量为85 t的钢板–从170 m高处坠落，穿过锅炉房的钢结构（图5）和煤仓顶棚（图6），造成了巨大的破坏。幸运的是没有人员伤亡。
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- 塔式起重机故障顺序的假设
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在进行目击调查时，目击者报告了事发当时两个对重拉杆同时发生水平弯曲振动，但在风速高而使起重机停运时，又在相反方向上横向交叉振动。因此，我们假设由风引起的配重张紧杆的弯曲振动可能在此时已经产生并加剧。
图4.零件损坏：左右3号张力杆，张力部件损坏。
图5.锅炉房钢结构损坏，配重卡在横向大梁中（绿色箭头）；顶部有故障的起重机，左侧有相同的起重机
图6.配重碰撞引起的锅炉房混凝土结构损坏
图7.德国Zweibruuml;cken的Mannesmann DEMAG电厂安装现场的移动式基座起重机（此图右为黄色起重机）
图8.移动式桥式起重机的草图以及主要系统组件的描述；断裂的位置
图9. 扭转截面为u 3 [9] 的矩形横截面B / d = 8.3的空气动力学Scruton数Sc a，u
在停机期间，由于暴露在很高的位置，图2 在锅炉房顶部，图1和5 。所产生的振荡弯曲应力与较高的平均应力相结合，可能已在角焊缝处右侧的抗拉构件中引起疲劳裂纹。右拉杆最终断裂后，配重臂倾斜，左拉杆立即因强制断裂而从角焊缝处断裂。
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- 案例示例移动式起重机
1992年，在英格兰的电厂安装现场，使用了带格架桅杆的移动式起重机来组装重型锅炉部件。这台起重机在当时是世界上最大的移动式起重机之一，容量为1,000吨，最大载荷力矩为25,000吨（以米为单位的吨载重量），图7 。
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- 结构组成
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移动式基座起重机由三个结构部件组成：带有基座支腿的底盘，带有回转齿轮，驱动和提升齿轮的上层建筑以及带有悬臂的主臂。动臂系统由主动臂，桅杆，变幅副臂，撑杆，带有超举配重的超举附件和支撑杆组成。超举桅杆既支撑在上部结构上，又支撑在超举配重上，如图8所示。有额外的支撑绞车将超重配重与重物同时举起。
从桅杆到配重的拉杆/支撑件由扁平的矩形轮廓组成，宽度B=250 mm，厚度d=30 mm；B / d＝8.3（参见图9中的草图）。它们用螺栓固定在一起，类似于1.1.1 节中所述的系统。连接出与塔式起重机类似的对接带设计相同。
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- 移动式起重机故障顺序的假设
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在某些操作中断期间，将基座移动式起重机展示在靠近海岸线的位置，完全用高架主吊臂将其完全吊装在室外的空旷空间中进行广告宣传。超举设备cp,没有连接(图8) 。
据推测，配重的后支撑在强风期间出现了由风引起的扭转驰振，其中风向占主要。
在相对较短的时间后，其中一个支撑发生了疲劳破裂。另一个支架无法承受剩余的重量，发生了强制断裂。起重机在主吊臂系统上倒塌，造成重大财产损失。幸运的是，没有发生人员伤亡。
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调查与结果
- 任务和调查程序
在所有的34家建筑和保险公司的协议后，德国柏林联邦材料研究与测试学院（BAM）被授权调查塔式起重机的故障。
在A.Martens认为技术故障往往是由单独是非关键效应的意外巧合造成的之后，就开始用跨学科的方法来研究。具体如下：
调查和文件记录
疲劳和强制性断裂的分形图
材料的化学分析
张紧件和凸耳的金相图
机械测试
检查腐蚀情况和裂纹的非破坏性测试
焊缝评估
估算在役和特殊负载
根据代码标注尺寸
分析风致振动
拉杆振动特性的分析与识别
确定拉伸构件中的动态切向载荷和应力
分析在役疲劳强度和损伤累积，根本原因和失败顺序
钢铁施工主席RWTH Aachen被指派使用风洞测试分析风致振动。
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塔式起重机的材料分析
- 对断层的调查分析
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塔式起重机的材料分析
对断裂的拉力杆进行了检查，分析其腐蚀损坏是否可能导致断裂。所有发现的腐蚀特征肯定出现在疲劳断裂之后，图10。
图10.起重机因疲劳（上）和强行断裂（下）故障后不久，右张力杆的断裂面
图11.右拉杆的断裂面，方形轮廓60 mm 60 mm，疲劳（上方）和23％的强制断裂（下方）
图3中的3 号拉力杆的两个拉力构件在图4 的角焊缝处直接断裂。右侧（在起重机操作员看来）张紧杆的断裂机理是疲劳断裂，图11 。断裂表面清楚地显示出疲劳断裂的宏观和微观特征：滩痕，裂纹在多个平面上开始，裂纹在垂直于主要标称应力的一个平面内扩展，裂缝性强制断裂。使用柠檬酸清洁疲劳断裂面后，SEM研究显示一些小区域出现了疲劳条纹，如图12所示。
强制断裂的部分约为23％，图11 。强迫断裂区域的一部分显示出劈裂断裂，图13 ，这可以用低温和右张紧杆最终断裂期间的快速断裂进展来解释。
图12.清洁后右张力杆的断裂面，图11 中矩形的上部放大图，疲劳裂纹自上而下传播，疲劳条纹（图中），过渡到最终的强制断裂（底部）。
图13.清洁后的右张力杆的断裂面，图11的矩形的底部放大图，劈开断裂。
配重块产生的拉力杆承受高拉力的事实以及疲劳断裂的存在导致以下假设：
工作吊钩负载的变化会引起张紧杆中的张紧负载变化，从而产生脉动张紧应力。配重臂上的机械振动会引起脉动张紧应力。
张力杆的弯曲振动叠加了周期性应力幅度。从角焊缝拐角处的裂纹萌生位置和强制断裂的位置可以得出结论：（如果适用）弯曲载荷必须在水平，横向y（垂直于图2 的平面）上占主导地位。
左拉杆的断裂表面显示出典型的强制断裂特征，例如塑性变形和剪切唇，如图14所示。在正方形轮廓的边缘，在SEM中发现了疲劳断裂和凹坑的小区域。类似于图13 所示的右断裂面，在左张紧杆的中央部分裂解断裂占主导。这种脆性的强制断裂可以用高张力，快速断裂进展和破坏过程中的低温来解释。事故发生后不久，可以恢复拉杆断裂的对接皮带部分（图14 左侧），而其他碎片在维修前将近3周被腐蚀（图14 右侧）。
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- 材料特性
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使用Sparc发射光谱的化学分析显示了低碳钢典型的化学成分，表1 。根据DIN EN 10025，结果满足St 52-3钢等级（材料编号1.0570）的要求。铝含量表明该钢已完全淬火，质量为RR-St52-3。
机械性能根据DIN EN 10002-1，附录C 对4个10 mmOslash;50 mm的试样进行拉伸测试和根据DIN EN 10045-1的8个ISO-V试样进行夏比测试进行评估。两个受拉构件均满足该钢的所有要求[8] 。
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- 金相学和焊接质量评估
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由于两个裂缝都位于交叉焊缝附近，因此对其几何形状和微观结构进行了更详细的研究。与 图15不同，两个交叉焊缝均为珠焊。横截面显示出凸起的多道角焊缝，图16 。硬度值如图17所示。
焊接通常会显着降低零件的疲劳强度，因为它们代表的是冶金和几何缺口。在尺寸确定的疲劳强度分析中必须考虑到这一点，例如，为不同的焊缝类型和焊缝几何形状定义了不同的缺口情况。由于几何缺陷，垂直于主应力的交叉角焊缝（在图15中标记为A ）已根据DIN 15018 [13] 分配给了切口情况K4“角焊缝/标准质量” 。
该图规定了“角焊缝/特殊等级；焊缝过渡无缺口-如果需要，可进行加工”，它具有更高的疲劳强度，因此在DIN 15018 [13]中分配给了缺口外壳K3 。毫无疑问，这是一个重要的偏差。
图14.左拉杆的断裂面，强制拉力失效。
表格1
断裂抗拉构件的化学成分，以质量%计
图15.断裂的拉力杆的角焊缝，标有A，表示图纸和已设计和建造的细节。
图16.焊缝横截面，断裂边缘，已蚀刻。
根据设计图，右拉杆疲劳断裂可能是根本原因。但是，这必须通过疲劳应力和强度分析来证明。作为中间材料调查的结果，显而易见的是：
不存在重大缺陷
所有材料均符合低碳钢的材料规格
没有发现更多的裂纹（大于磁性颗粒检测和超声波检测的检测水平）
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