塔式起重机残余寿命的评估方法介绍 Ｔｈｅ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｔｈｅ Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｌｉｆｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｏｗｅｒ Ｃｒａｎｅ Ｅ，ｇ海大学港口海岸与近海工程学院摘张淑华／ＺＨＡＮＧ Ｓｈｕｈｕａ孙曙光／ＳＵＮ Ｓｈｕｇｕａｎｇ 要：塔机工作多年后会产生很多缺陷，导致设计寿命与实际使用寿命不相符合，并容易造成事故；特别是对接 近设计寿命的塔机，了解其实际状态，给出维修加固方案，计算其残余寿命及维修加固后的残余寿命，将为企业采取或 维修加固或报废等的科学决策提供参考，有重要的实际价值。本文分析了塔式起重机的受载特点和计算残余寿命时存 在的难题；介绍了钢结构的健康检测手段；总结了用于残余寿命评估的疲劳分析方法；提出了老旧塔机结构的健康检测 及在此基础上的残余寿命评估策略。 关键词：塔式起重机健康检测 残余寿命预测 塔式起重机简称塔机，也叫塔吊。塔机的使用范 和实际意义。首先在无损健康检测的基础上，搞清塔 围大，起吊高度高，拆卸方便，工作效率高。在建筑行 机的健康状况，计算其残余寿命及维修加固后的残余 业中，作用巨大。但塔机在使用过程中，由于材料的老化、 寿命，为企业采取科学的决策提供参考；另外检测塔 锈蚀导致的截面损失、构件的变形、损伤、反复荷载 机的残余寿命，必定要更全面地考虑塔机工作的各种 下的疲劳及使用功能的改变等原因，会在没有达到设计 实际工况和薄弱部位，这也能为今后的塔机设计提供 寿命的情况下，就出现断裂、倒塌等事故，给国民经济 很好的理论指导。 造成巨大的损失。调查分析统计表明【１】，塔式起重机 的破坏主要原因是钢结构在循环变化的荷载或者随机 １研究方法 荷载的作用下，产生疲劳破坏而失效。破坏的部位一 评估钢结构的残余寿命首先要确定起重机钢结构 般为塔身、起重臂和平衡臂三大金属构件。塔机的残 的状态。塔机在长时间工作之后，自身会存在很多的问 余寿命也主要取决于金属结构的疲劳寿命。寿命的极 题，比如钢结构的老化，裂纹的出现、结构的变形等。 限是由荷载系数和工作级别确定的，所以研究塔机的 在计算残余寿命的时候要密切的结合这些实际才能使 残余寿命，主要是研究塔机钢结构的健康状况和钢结 结果更准确。所以首先要对钢结构进行健康检测，确 构的残余寿命。 定塔机在工作多年之后的实际情况，以此为前提，应用 目前的ＧＢ／Ｔ １３７５２．１９９２ 塔式起重机设计规 疲劳分析的方法来确定塔机的残余寿命。 范 规定塔式起重机的设计寿命在１５～３０年之间； １．１健康检测方法 ＧＢ５１４４．２００６（（塔式起重机安全规程》中规定塔式起重 塔机钢结构健康检测方法主要有无伤探测方法和 机主要荷载构件的正常循环次数不应超过１２．５万次。 理论分析方法。 无伤探测技术【２儿３】主要有磁粉检测、超声检测、 但是，塔式起重机在工作的过程中，除受到比较稳定的 自重荷载、工作荷载外，还受到变化很大的惯性荷载与 射线检测、渗透检测、交流电位降技术、光纤检测和 冲击荷载，并且塔机的工作具有重复性和间断性，使得 涂漆法等。 我们不能准确的把握塔机一定年限内的工作量。另外塔 磁粉检测技术：钢铁材料被磁化后，表面将出现均 机的工作条件也各不相同，高低温、超载、腐蚀、拆卸 匀分布的磁力线。当钢结构出现裂痕等缺陷时，工件表 与安装，以及不当的运输和其他一些意外事故都会存在。 面的磁力线会发生局部的变形或漏磁，用合适的光照就 由于塔机实际使用过程中没有很详细可靠的加载记录； 可以看到这些缺陷，以此达到检测的目的。这种方法适 以及工作条件的复杂性，设计寿命往往和使用寿命不 用于铁磁性材料的钢结构工件。磁粉检测技术成本低、 相符合。 使用方便、检测效率高、检测结果非常直观。但是只 所以对塔机残余寿命进行计算，具有重大的理论 能用于检测铁磁性材料。 ２０１１ １１建设机械技术与管理１１５ 超声波检测技术：超声波是指频率大于 涂漆法：是将特种漆涂在构件的表面，观察漆表面 ２０ ０００ ＭＨｚ的声波，根据传播时介质的振动方向和传 发生的变化，也是根据各部位缺陷程度的不同所产生的 播方向不同，分为纵波、横波、板波和表面波等。在钢 不同变化，再利用计算机分析，得到结构的损伤情况表１。 结构检０ｎ，０中主要使用纵波和横波。超声波探伤设备产 表１ 各种检测法及范围 序号 １ ２ ３ 检测方法 磁粉检测（ＭＴ） 超声波检测（ｕＴ） 射线检测（适用范围 铁磁性材料表面和近表面缺陷的检测 内部缺陷的检测，主要用于平面型缺 陷的检测（如裂纹） 内部缺陷的检测，主要用于体积型缺 生的超声波在被检查对象中传播遇到缺陷时，一部分声 波会反射回来，经放大处理，即可在示波屏上显示这些 缺陷。超声波检测方法适用于各类板材、管材、锻件、 铸件等钢结构。这种检测方法成本较低、检测周期短 并且效率高，所用仪器小，操作方便，能够对缺陷进行 精确的定位。然而这种方法的检测结果不利于长期保存， 难以形成历史档案，较多的依赖于检测员的经验，客观 性稍差。 射线检测技术：射线是一种高频短波的电磁波。 钢结构无损检测一般使用ｘ射线，这种射线具有穿透 能力强，衰减率低等优点。当ｘ射线穿透被测工件后， 会被部分吸收并衰减。缺陷的存在会影响这个过程。 当射线到达胶片后，由于胶片吸收了数量不同的光子， 就会出现缺陷的映像，根据这些映像即可判断缺陷的 大小和性质。ｘ射线检测方法适用于厚度在８０ｍｍ以 内的构件。具有检测结果直观、定性准确、检测结果 可长期保留易于存档等优点，但是成本较高，检测周期 长，效率低，并会对检测员身体产生一定伤害。 渗透检测技术：渗透检测技术是将被检查对象的 表面用含有荧光或着色的液体进行渗透，由于毛细现象 作用，液体可以渗透到表面开口的缺陷中。把表面多余 的液体去除并对工件进行干燥处理，再对被检查工件表 面施加显像剂，显像剂将吸附缺陷中的渗透液。使用 光照后，缺陷中的渗透液会被显示，从而达到检验缺陷 的目的。这种方法使用简单、操作灵活、检测灵敏度高 并且结果直观，但是只能用于表面开口的缺陷检Ｃｊｎ，０，对 于被检测对象的光洁度要求高。当被检测对象表面有 涂料、铁锈和氧化皮等材料覆盖缺陷时，容易形成漏检， 且成本较高，对检测员视力要求也比较高。 交流电位降技术：是给导电试样施加交流电，利 用接触探头在试样表面建立一个均匀的贴近表面的电 场，表面开口的裂纹干扰了电流，使裂纹两边形成一个 电位降，则可以从跨越裂纹、裂纹附近没有缺陷的区 域测得的表面电位差计算出裂纹深度。 光纤测试法：是将光纤或者光纤束贴在测试构件 的表面，结构不同的部位由于损坏的程度不同，在受到 应力作用时，不同部位会产生不同的变化，以此来确定 结构缺陷的位置和程度。 １１６ ＣＭＴＭ ２０１１．儿 ＲＴ） 陷的检测（如气孔夹渣） ４ 渗透检测（ＰＴ） 表面开口性缺陷的检测 ５ 交流电位降技术 测量裂纹深度 ６ 光纤测试法 确定结构缺陷的位置和程度 ７ 涂漆法 确定结果的损伤情况 理论分析方法主要是基于动力分析的反问题 ｌｌ 分析。是基于振动响应测试的结构损伤诊断方法。结 构系统的频率和振型是系统质量和刚度的函数，结构 的损伤必定会引起结构参数，如质量、刚度、阻尼的 变化，其模态函数如模态频率和振型也会相应的发生 改变，利用这种变化，结合结构的特点，便可以反求 结构的损伤，得到损伤的位置和程度。这种方法的优 点在于利用环境激励进行动力响应测试，整个损伤诊 断过程不会影响结构的正常工作，并且使长期和在线的 结构健康检测成为可能。具有很好的实用价值。 基于固有模态频率的损伤识别法【６］：结构的固有 模态频率可表达成刚度和质量的函数。当结构中发生 损伤时，往往导致结构刚度的降低，当不计结构损伤 引起的质量变化时，结构的固有频率将降低。这是运 用结构固有频率变化进行结构损伤识别的基本原理。 由于固有频率是结构模态参数中最易获得的一个参数， 并且具有较高识别精度。此方法得到了广泛的研究。 基于振型及其衍生指标的结构损伤识别法：结构 振型中包含了很多的损伤信息，衍生指标主要有模态保 证准则（ＭＡＣ）、坐标模态保证准则（ＣＯＭ ＡＣ）、模态 柔度、曲率模态振型、模态应变能等。结构的模态振 型尤其是模态振型的衍生指标对结构的局部损伤更为 敏感，可以确定结构损伤的大致区域。 基于刚度矩阵和柔度矩阵的损伤识别法：结构损 伤将导致结构刚度的下降，因此可以定义一个表征刚度 降低程度系数，建立起与损伤相关的刚度矩阵的变化 与系统响应问的函数关系来进行结构损伤识别。 残余能量差法：根据各自由度、各节点对残余能 量差的贡献大小来定位损伤。该方法不仅可以较准确、 迅速的定位损伤，而且克服了残余能量法需以完好结 用应力有关系。磁记忆检测技术是无损检测领域的一 构指纹为基础的缺点，解决了在役结构完好指纹不易 门新兴学科。 获得的矛盾，宜用于实际工程。 结构损伤检测两步法［ 是一种用限模态信息的结 模型修正法：以实测模态参数ｆ或其它振动测量值） 构损伤诊断方法。第一步，利用测量自由度正则化损伤 和有限元模型或结构的原始设计参数作为参考基准， 指标向量，得到损伤所在的大致区域；第二步，在第 寻找满足特征方程（或动力学方程）的正交条件、对称 步所确定的区域内，利用设计灵敏度技术对可能的损 矩阵条件和相联性条件等，且参考最临近的修正过的 伤构件进行定位定量分析，建立钢结构的有限元模型， 计算模型或修正过的结构设计参数。包括最优矩阵修 正法、灵敏度分析法、特征结构分配法和混合法。 基于计算智能技术的损伤识别方法：如人工神经 网络法、遗传算法、蚂蚁算法、粒子群算法和模糊分 析技术等。 基于信号分析的损伤识别方法：通过信号分析技 术可从观测的振动信号中提取反映结构状态特性的信 息，当结构发生损伤时将导致结构的频率、刚度等物 理参数的变化，相应地在结构的动力响应中会出现不连 续的奇异点。采用信号分析方法可以捕获这些信息，所 以采用信号分析方法可以对结构的损伤进行识别。信 号分析可以在频域中进行也可以在时域中进行。包括短 时Ｆｏｕｒｉｅｒ谱分析方法、小波变换方法、ＨＨＴ（Ｈｉｌｂｅｒｔ Ｈｕａｎｇ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）变换方法等。 对称信号法：是基于对称信号法基本原理的损伤 识别方法，该方法适用于结构中满足对称条件的杆件 问的损伤识别，它是基于局部检测的损伤识别方法， 损伤识别的灵敏度高并可实现结构的损伤定位。 动静结合法：适用于满足对称条件的多个梁式结 构间的损伤诊断，动静结合法本质上实施的是整体结 构的静力检测法，但动静结合法依据动、静参数的相 关关系可以实现动力测试等代静力检测的效果，从而 增强了静力检测法的实用性，其健康基准是我国现行规 范中结构变形的限值。 乐音准则法：是一种基于结构频谱分布规律的损 伤识别方法，此方法适用于均质、规则结构的损伤诊断。 规则结构的频谱分布具有谱图清晰、峰点分布呈梳齿状 的特征，类比乐音现象将这一频谱特征定义为结构的 乐音准则。乐音准则即为乐音准则法的结构健康基准。 磁记忆检测技术：利用铁磁构件的磁特性，可以 准确可靠的探测被测构件上的应力。其基本原理是构 件在工作时，受工作载荷和地球磁场的共同作用，在应 力和变形集中区域会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组 织定向的和不可逆的重新取向，而且这种磁状态的不 可逆变化在工作载荷消除后不仅会保留，还会与最大作 用不同单元弹性模量的降低来模拟不同的损伤工况， 并对不同的工况下的损伤位置和损伤程度进行确定。 １．２对实际结构的残余寿命分析 在获知了结构的实际状态，探明了结构的裂缝情 况，老化情况，变形等情况之后，则可以在这些资料的 基础上，通过疲劳分析，获知结构的残余寿命。现有 计算塔机残余寿命的疲劳分析方法一般有反推法，疲 劳损伤理论，断裂力学方法，可靠性分析方法，有限 元分析方法。 反推算法ｆ８ 提出利用规范中的疲劳计算过程，采 用最大应力幅法，由不同的循环特性和计算点处最大 应力的正负值，查出相应的疲劳许用应力计算公式和工 作级别，同时根据塔机的实际情况确定应力工作状态。 由工作级别和应力状态得到应力循环等级，进而得到 应力循环次数，对照规范规定的循环次数得到塔机的 设计寿命年限，再与塔机实际的工作循环次数做比较， 即可以得到残余寿命。 疲劳损伤理论ｌ９］一直做为疲劳分析的最佳方法而 得以广泛应用。疲劳损伤理论包括Ｓ．Ｎ曲线，Ｐ．Ｓ—Ｎ 曲线，Ｍｉｎｅｒ线性累积损伤理论（又称为Ｐａｌｍｇｒｅｎ— Ｍｉｎｅｒ线性累积损伤理论）以及分段连续荷载作用下 的疲劳累积损伤理论。实际工程中，大部分采用的是 Ｓ．Ｎ曲线法。根据各种结构类型的Ｓ—Ｎ曲线，结合 Ｐａｌｍｇｒｅｎ．Ｍｉｎｅｒ累积损伤准则的疲劳累积损伤方法， 将裂纹的扩展过程简化，就可使ｓ—Ｎ曲线由预报结构 裂纹起始寿命扩展到估计结构的全寿命，或当结构使 用时间已知时求其相应的许用应力幅值。疲劳损伤理 论利用抽象的“破坏”模型，从而可以避免裂纹尖端 复杂应力场的分析，而且在有的情况下，微裂纹的形成 和汇合，即通常所指的裂纹起始阶段寿命可以占总寿命 中的很大一部分。但此模型，具有一定的局限性，不能 准确无误的反应裂纹状况。 断裂力学法 川ｌＪ 【把构件或零件看成是连续和 间断的统一体，把材料看成是有微裂纹或缺陷存在的， 提出了按照裂纹扩展速率计算疲劳断裂的新方法和设 ２０１１ １１建设机械技术与管理１１７ 计原则。原有损伤的尺寸通常用无损探伤技术来确定。 完全代表整机的状态。 疲劳寿命定义为主裂纹从原始尺寸扩展到某临界尺寸 关于塔机残余寿命的计算方法还需要进一步的改 所需的疲劳循环数或时间。可以根据材料的韧性、结 进和开发，才能更好的指导生产和生活。需要广大的 构特殊部分的极限荷载、可容许的应变和可容许的构 科研工作者做出更多的努力。 件的柔度变化来选择疲劳裂纹的临界尺寸。应用断裂 力学的裂纹扩展经验规律来预测裂纹扩展寿命。根据 也就是远离任何应力集中的塑性应变场，而且与带裂 重庆大学，２００５． 参考文献 ］王进．基于有限元法的塔式起重机钢结构疲劳寿命研究［Ｄ］． 线弹性断裂力学的要求，只有在满足小范围屈服条件下， ［１纹构件的特征尺寸（包括裂纹尺寸）相比，裂纹顶端塑 性区较小，弹性加载条件占主导地位的情况下，才可以 应用断裂力学方法。但由于每种因素都含有不确定性， 不能从根本上改善预报寿命的离散度。 在疲劳可靠性理论方法【】 中，影响结构疲劳寿命 的不确定因素都用随机变量或是随机过程来描述。在 充分考虑这些不确定因素的基础上，一个结构的疲劳 寿命合格与否，用该结构在服役期内发生疲劳破坏的 概率来衡量。这一概率称为结构疲劳可靠度。很显然， 对于受到大量不确定因素影响的工程结构，它的疲劳 问题用结构疲劳可靠性理论来加以研究是非常适当的。 疲劳可靠性方法从理论上相较于疲劳损伤理论和断裂 力学是较为完善的，可以更合理的描述实际结构的各 种不确定因素，更加接近客观事实。但在实际情况下， 因缺乏充分的统计数据资料，使得疲劳可靠性分析中 关键的概率模型的建立存在很大的分散性，这成为阻 碍疲劳可靠性方法在工程实际中推广的重要原因。 有限元分析方法 儿” 是在健康检测的基础上，根 据起重机受载工作多年之后的实际情况，建立起重机 的有限元模型，在确定荷载时间历程后，将起重机所 受的荷载划分为变幅荷载和冲击荷载。分别采用数理 统计法和瞬态响应方法进行处理，得到应力应变结果， 最后导入ＭＳＣ．ＦＡＴＩＧＵＥ，ＮＳＯＦＴ等残余寿命计算软 件，得到钢结构的疲劳寿命。 ２ 结 论 塔式起重机是建筑施工中的重要机械，应用广泛， 作用重大，尤其是当下事故多发，造成了重大的损失。 由于塔机工作条件的复杂性，工作时间的间断性，塔 机所受的荷载历史不能确定。所以计算塔机残余寿命 还是一个难题，精度并不高。国内外的方法都是以结 构的某部位的单个构件和部位作为检测目标的，以此来 作为整机的检测结果，有较好的借鉴作用，但并不能 １１８ ＣＭＴＭ ２０１１．儿 ［２］邹斌．钢结构工程焊缝无损检测技术应用研究［Ｄ］．南昌大 学，２０１０． 【３］鞠宁大型起重机剩余寿命评估相关技术研究［Ｄ］．大连理 工大学，２００５． ［４］王树青，王长青，李华军．基于模态应变能的海洋平台损伤 定位试验研究［Ｊ］．振动、测试与诊断．２００６．２６（４）：２８３—２８７． ［５］田迎春．钢结构无损检测的动力学方法研究【Ｄ］．河北农业 大学．２００２． ［６］Ｐａｔｉｌ Ｄ．Ｐ，Ｍａｉｔｉ Ｓ．Ｋ．Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｃｒａｃｋｓ ｕｓｉｎｇ ｒｆｅｑｕｅｎｃｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２００３，７０（１２）：１５５３—１５７２． 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