高能级强夯施工时门架横梁的疲劳强度验算

王红霞

（山西机械化建设集团公司，山西 太原 030009）

0 引言

随着我国城市化进程的加快，建筑施工越来越多，由于强夯法工艺简单、施工简便、节省材料、高效环保，已成为地基处理的主要方法之一。山西机械化建设集团公司是最早引进和开发强夯施工技术的企业之一，在全国强夯地基处理领域居领先水平，并积累了丰富的经验。我们通过加装门架以增加履带起重机的额定起重量来实现高能级强夯。而门架中横梁承受重复出现的变化载荷，当达到一定次数时会出现疲劳破坏，现采用理论和实践相结合的方法，对横梁的疲劳强度进行探究，以供借鉴。

1 门架横梁设计

强夯机门架横梁由翼缘板和腹板焊接而成，是承受脉动载荷的结构件，要求它具有良好的塑性和焊接性，还要有很高的强度，因此我们选择材料Q345来制作门架横梁。

门架横梁属于简支梁，横梁的中部弯矩最大，沿着横梁向支撑方向则逐渐减小。为节省材料、减轻自重，我们把横梁设计成随弯矩而变化的变截面梁。腹板和翼板厚20 mm，横梁的内部布有厚度为16 mm的横隔板与副腹板，横隔板以中部为基准横向两边各布2处（中间基准处布一块）；副腹板布在横隔板之间共4处，详见图1。横梁与门架立柱的连接销轴孔中心在距下翼缘板200 mm处。横梁自重Q横梁＝1.904 t，跨度L＝5 000 mm。

2 横梁应力测试

2012年6月29日～7月1日，山西机械化建设集团与山西省机械产品质量监督监测总站在陕西省富县延长石化项目进行了12 000 k N·m施工测试，该测试选在夯土含水量较大的地点进行，并且在同一地点进行反复夯，最后达到很大的吸附，使夯锤深陷不能拔出（第5锤时）。共进行了13个点的测试。1，2，3，4测点在门架立柱A底部第二节下端各柱肢上；5，6测点在前4个测点同截面横缀中部；7，8，9，10测点在门架立柱B的同部位；11点在距横梁中部600 mm处，12，13点在距横梁中部275 mm处并分布在两侧，这3个点都布在上翼缘板上，11，12测试点在靠近立柱A的横梁中心同侧。各工况测点的应力、应变见表1。

图1 横梁结构示意图

表1 12 000 k N·m强夯机门架结构各工况测点的应力及应变

3 横梁受力分析与最大应力点选择

3.1 横梁受力分析

横梁受两个立柱的支撑力RA和RB，以及履带起重机起吊夯锤时对横梁的压力P（含十字头自重）和横梁的自重Q横梁（均布载荷）。两门架立柱不是垂直地基，且与横梁的连接销轴不在其中心处，而横梁是受偏心压缩力作用的压弯构件，由于偏心压缩力不大，因此不考虑它产生的附加弯矩，还按横梁初始产生的弯矩计算。

3.2 横梁测试点选择分析

横梁受到集中力作用，则要产生向下的弯曲，即上翼缘板受压，下翼缘板受拉，并且中性轴靠下（离下翼缘板200 mm），上翼缘板σ-max＞下翼缘板σ＋max，且横梁的最大应力在上翼缘板的上表面，因此测试点选在横梁的上翼缘板的上表面。

3.3 横梁最大应力点选择

由于受脉冲载荷的作用，横梁的疲劳破坏经常发生在最大正应力、最大剪切应力或正应力和剪切应力都比较大的位置附近。横梁的最大正应力在其中心附近，而正应力和剪切应力都比较大的位置在距横梁中心225 mm处，因此横梁中部及距横梁中心225 mm处的上翼板外表面中心点为疲劳强度验算点。

4 横梁疲劳强度验算

在进行12 000 k N·m测试时，当进行到第5次夯实时，夯锤吸附严重不能拔出，此时需要起升力达到夯锤与钩子自重的2.2倍，通过验证横梁应力低于许用强度，但横梁是承受变载荷的结构件，较容易发生疲劳破坏，因此在满足静强度要求的情况下，还应进行疲劳强度计算。

4.1 横梁疲劳强度验证的选择

高能级强夯机工作前，我们都要进行试夯，以便采取相应的技术措施，保障强夯机既能正常工作又能很好地完成施工任务。由表1可以看出，在前3次夯实中门架立柱和横梁的应力变化不大，可见刚开始夯实时土壤对夯锤的吸附影响很小；在第5锤时因夯锤底部吸附力大而不易拔出。按照强夯机的操作规程要求，当夯锤底部吸附力增大时，不得强行提锤而是挖掘夯锤周边的土以减小吸附，所以第5锤数据为强夯机工作的静强度依据，因此按正常工作时的承载来考虑横梁疲劳强度，即选取试验第3次夯实时的数据进行横梁疲劳强度验算。

4.2 横梁疲劳许用应力确定

4.2.1 横梁工作级别选择

横梁作为强夯机工作的重要结构件，参照起重机的使用等级和其载荷状态级别及载荷谱系数，按照结构件的使用等级和其应力状态级别及应力谱系数，确定横梁的工作级别为E6。

4.2.2 横梁应力集中等级选择

横梁为箱形结构件，由上、下翼板与两个腹板焊接而成，而内部还有横隔板和副腹板与其焊接，且横隔板和副腹板与上翼板不焊接。根据《起重机设计规范》中构件连接的应力集中情况等级和构件接头形式，查得横梁应力集中等级为K2。

4.2.3 横梁疲劳许用应力计算

横梁材料采用Q345，由《起重机设计规范》表33查得疲劳许用应力基本值［σ-1］＝95.6 MPa，因横梁卸载后σmin＝0，所以其应力循环特性值r＝0，由-1≤r≤0，横梁上翼缘板受压，查表31得压缩疲劳许用应力［σrc］＝2［σ-1］／（1-r）＝2［σ-1］＝191.2 MPa，剪切疲劳强度许用应力［τr］＝［σrc］／＝191.2／＝110.39 MPa。

4.3 横梁支撑力和剪切力计算

4.3.1 横梁支撑力计算

根据表1知，第3次夯实时两立柱底部第二节测试点截面的应力分别为：

由此可知两门架立柱承载力不同，造成横梁偏斜而不是水平的；根据表1可知12，13测试点在各工况时数值差别不大，为了便于计算可看作横梁基本水平。由于测试点在立柱底部第二节下端，则门架立柱测点截面受力分别为4σ门AA和4σ门BA（柱肢的面积A＝1 926.1 c m2），它们转算成横梁支撑力RA和RB时，应减去上面立柱的自重Q＝3.617×104N及门架立柱受压弯曲产生的力（产生的弯矩很小可忽略），那么RA＝4σ门AA-Q＝29.242×104N；RB＝4σ门BA-Q＝32.151×104N。

4.3.2 横梁剪切力计算

由于横梁两边的支撑力不同，中间部分可看成均布载荷，若不考虑横梁自重的影响，则靠近门架B的横梁（在均布载荷之外）剪切力FB＝RB，靠近门架A的横梁（在均布载荷之外）剪切力FA＝RA。

4.4 横梁均布载荷处截面性质计算

横梁腹板宽b＝360 mm，高h＝550 mm，厚δ＝20 mm；副腹板厚δ′＝16 mm。由于横梁与立柱的连接销轴孔在离下翼板200 mm，则横梁中部截面惯性矩为：

静矩为：

4.5 横梁疲劳强度的计算

4.5.1 横梁中部疲劳强度验算

根据横梁两边的支撑力不同可知，横梁的最大弯矩位置在门架B那边靠近中心处，此时剪切力为零，为了便于计算弯矩就按中心计算：

其中：Wx为横梁关于x轴的净抗弯截面系数；y为横梁上计算点距x轴的距离，y＝350 mm。因剪切力τmax＝0 MPa，根据疲劳强度公式：｜σmax｜＜［σrc］，σmax＝155.02 MPa＜［σrc］＝191.2 MPa，满足强度要求。

4.5.2 横梁距中心处225 mm变截面处的疲劳强度验算

此处所受的弯矩为：

最大应力为：

5 结论

横梁属于重要的结构件，在工作前应检查上下翼板与腹板之间的焊缝及出现疲劳裂纹几率高的上翼板中部及均布载荷开始处。可按照横梁的疲劳应力许用值来控制横梁的疲劳应力，尤其是长期在高能级强夯工作中使用的横梁，虽然没有出现裂纹等，但为了安全，可将其用在低能级强夯施工中。

［1］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB／T3811-2008起重机械设计规范［S］.北京：中国标准出版社，2009：3-9，53-56.

［2］徐格宁.机械装备金属结构设计［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［3］刘鸿文.材料力学［M］.北京：高等教育出版社，1990.

［4］胡宗武，汪西应，汪春生.起重机设计与实例［M］.北京：机械工业出版社，2009.