基于疲劳可靠性的起重机结构安全检测
毛文刚1 , 姜 武2 , 王德禹1
(1. 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院,结构力学研究所,上海 2. 江苏,南通市特种设备检验所, 南通 220040)
摘 要:目前国内起重机都是通过每年定期对其重要部位进行检测后,来判断结构的安全状况,这种检测方式具有很大的盲目性,本文通过对起重机工作过程中的应力- 时间历程进行分析,计算出其疲劳可靠度指标曲线,并参考起重机结构需要进行检测的最低目标可靠度指标曲线,来判断结构的安全状况并确定结构需要进行检测的时间点,这种基于疲劳可靠性的起重机结构安全检测方法既节约了检测成本,又保证了其能安全有效的运行。
关键词: 疲劳可靠度指标;结构安全检测;疲劳累积损伤
中图分类号: TH213. 5 文献标识码: A
Safety Inspection of Crane Structure Ba sed on Fa tigue Reliability
MAO Wen2gang1 , J IANG Wu2 , WANG De2yu1
Abstract: Nowadays in our country crane structure health status are estimated through monitoring the important crane structure component every year and thismonitoringmethod hasmuch blindness. This paper calculates the fatigue reliability index curve through analysis of crane stress – history course, judges the security of the crane and works out the nextmonitoring time referred the minimum target reliability index curve which shows crane needed monitoring. This crane structure health monitoringmethod based on fatigue reliability savesmonitoring cost and also insures crane operation safely.
Key words: fatigue reliability index; structure health monitoring; accumulated fatigue damage
目前国内起重机结构的安全检测,都是通过每年定期对其重要部位进行检测,并根据检测结果凭经验和规范判断其工作状态的好坏。H. Alaylioglu、A. Alaylioglu[ 1 ]认为每年都对结构进行安全检测不一定有必要,这样会造成经济上的浪费。孙晓燕,黄承逵,赵国藩等人[ 2 ]曾以桥梁结构的动态可靠度指标为基础,在保证其安全性的同时从经济性角度出发来制定结构具体的检测和维修方案。而国外对于大型结构的安全检测已经开始采用一种基于疲劳可靠性的检测方式:
Toula Onoufriou[ 3 ]考虑到对海洋平台进行检测的过程中结构水下检测费用比较昂贵的问题,对结构不同部位进行疲劳可靠性分析,将结构划分为安全等级不同的几个区域,并选取不同区域具有代表性的点作为检测点,然后以这些测点的疲劳可靠度指标曲线为基础,参考不同区域的安全等级来确定其具体的检测时间间隔。T. M. Madhavan Pillai等[ 4 ]考虑到结构检测时间间隔内疲劳和极限应力的影响,计算出海洋平台的可靠度指标,并根据相应的失效准则,来确定结构需要进行检测的时间计划表。
本文应用基于疲劳可靠性的安全检测方式来对起重机结构进行安全检测,通过对起重机结构在实际工作状况下的应力—时间历程进行分析,计算出结构的疲劳可靠度指标曲线,并与结构的最低目标可靠度指标进行比较,来判断结构的安全状况以及下次需要再次进行检测的时间间隔。
1 基于疲劳可靠性安全检测理论
111 基于疲劳可靠性的安全检测概述
基于疲劳可靠性的安全检测,首先要对结构的第一次检测的数据指标曲线,参考其最低目标可靠度指标曲线进行分析处理,得出结构的疲劳可靠度指标,将这两条曲线的交点作为结构第二次检测的时间点。如果对结构进行检测后发现本次检测的疲劳可靠度指标已经低于结构的最低目标可靠度指标,则需要对其进行维修,使其达到一定的安全值并重新计算结构经过维修后的疲劳可靠度指标曲线(可靠度指标变大) ,再来确定第二次的检测时间点。到达第二次检测的时间点后,再根据此次检测的数据,应用条件概率公式计算出结构在第一个服役周期期间没有发生破坏情况下的疲劳可靠度指标曲线,从而确定起重机第三次需要进行检测的时间点,如此循环下去,直到起重机服役结束。
2 起重机基于疲劳可靠性的安全检测
起重机从建造安装开始到投入使用的整个寿命期间,必须对其结构进行实时的安全检测,下面将以南通中远川崎造船厂的一台300吨门座式起重机横梁为例,说明基于疲劳可靠性的起重机横梁安全检测的具体分析过程,并制定出合理的检测和维修计划,在最大限度地避免事故发生的同时,取得最大的经济效益。
3 结 论
通过对上述起重机横梁结构的安全检测结果进行分析,并综合比较起重机横梁固定周期(年检)的安全检测方式与基于疲劳可靠性的安全检测方式(其疲劳可靠度指标曲线分
别如下图6、7所示)
(1) 在起重机投入使用的初期,其结构的完整性及安全性有充分的保证,若按照固定周期的安全检测方式对其进行
检测,结构在前几次检测时间点处的疲劳可靠度指标大于结构需要进行安全检测的最低目标可靠度指标βmin ,从而增加
了很多不必要的检测;而基于疲劳可靠性的检测总的检测次数要少于周期性检测,这一点从经济性上讲很有吸引力。
(2) 在起重机使用的中、后期,由于结构承受载荷作用及各种损伤的影响, 结构的安全性势必降低, 若按照固定周期的安全检测方式对起重机横梁进行检测,结构在到达下一个检测时间点时,其疲劳可靠度指标已经低于βmin ,这样会给起重机结构带来安全隐患;而基于疲劳可靠性的起重机横梁安全检测方式,可以保证结构的可靠度指标总是高于最低目标可靠度指标, 从而确保结构在检测期间具有足够的安全性。
(3) 基于疲劳可靠性的起重机横梁结构安全检测方式可以在检测完成后为起重机的安全状况提供一个可信的安全度指标;而固定周期的检测方式则不行。
(4) 基于疲劳可靠性的起重机横梁结构安全检测方式,使结构各个检测节点处的可靠度指标变化很平稳,这样可以更好的保证结构操作的安全性。
参考文献:
[ 1 ] H. Alaylioglu, A. Alaylioglu. Finite element and experimental bases of a p ractical bridge management and maintenance system[ J ].Computers and Structures 73 (1999) 281～293.
[ 2 ] 孙晓燕,黄承逵,赵国藩,等. 基于动态可靠度和经济优化相结合的服役桥梁维修加固风险决策[ J ]. 工程力学, 2004, 10: 5～10.
[ 3 ] Toula Onoufriou. Reliability based inspection p lanning of offshore structures[ J ]. Marine Structures, 1999, 12: 521～539.
[ 4 ] T. M. Madhavan Pillai,A. Meher Prasad. Fatigue reliability analysis in time domain for inspection strategy of fixed offshore structures
[ J ]. Ocean Engineering, 2000, 27: 167～186.
[ 5 ] 高镇同. 疲劳统计学[M ]. 北京:国防工业出版社, 1986.
[ 6 ] 赵尚传,赵国藩,贡金鑫. 在役钢筋混凝土结构基于可靠性的疲劳寿命分析[ J ]. 工程力学, 2002, 8: 7～11.
[ 7 ] 幸坤涛,刘洪滨,岳清瑞. 在役钢结构吊车梁剩余疲劳寿命的可靠寿命评估[ J ]. 工程力学, 2004. 6: 101～105.
作者简介:毛文刚(1980—) ,男,上海交通大学硕士研究生,主要研究方向:大型港口机械的疲劳寿命估算及其可靠性安全检测研究,共发表论文两篇。
