Влияние усталостных трещин в стенке на прочность подкрановых балок

Введение. На промышленных производствах с мостовыми кранами тяжелого и весьма тяжелого режимов работы подкрановые балки эксплуатируются с повреждениями, значительную часть которых составляют усталостные трещины в стенке. При этом во многих случаях поврежденные подкрановые балки имеют запасы несущей способности, которые при начальной стадии развития трещин позволяют временно их эксплуатировать до ремонта или замены. Оценка влияния таких повреждений на прочность подкрановых балок в этих условиях становится актуальной.

Материалы и методы. Для исследования напряженно-деформированных и предельных состояний подкрановых балок с усталостными трещинами в стенке применен метод численного моделирования с использованием конечно-элементного программного комплекса ANSYS. Анализ напряженно-деформированных состояний балок проведен
в сечениях, соответствующих середине трещины, и в смежных с поврежденным отсеках.

Результаты. Выявлены качественные и количественные зависимости изменения напряженно-деформированных и предельных состояний подкрановых балок от длины трещины, ее положения в отсеке при раздельном действии изгибающего момента и поперечной силы, а также при их совместном действии. Показано, что такое ослабление стенки приводит к существенной перегрузке сжатого пояса. Даны рекомендации по торможению развития трещин, позволяющие повысить эксплуатационную пригодность конструкции.

Выводы. Предложены рекомендации по практическому расчету подкрановых балок на прочность с введением коэффициентов влияния трещины и алгоритм определения предельной длины трещины. Отмечена важность дальнейшего исследования влияния дефектов крепления рельса к поясу на несущую способность поврежденной балки.
При этом необходима статистическая обработка величин отклонений геометрических несовершенств, приобретенных в процессе эксплуатации.

1. Артюхов В.Н., Щербаков Е.А., Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р. О состоянии подкрановых конструкций корпуса конверторного производства ОАО «Северсталь» // Промышленное и гражданское строительство. 2001. № 6. С. 31–34.

2. Бабкин В.И., Жидков К.Е., Капырин Н.В., Мерзликин А.В. К вопросу долговечности сварных подкрановых балок // Вестник Липецкого государственного технического университета. 2016. № 1 (27). С. 46–49. EDN VSSNKT.

3. Еремин К.И., Нащекин М.В., Марков К.В., Горбунов А.Г. Повреждаемость подкрановых балок предприятий металлургической и горнорудной промышленности // Наука и безопасность. 2015. № 3 (16). С. 59–77. EDN TYNUTT.

4. Скляднев А.И., Сердюк В.В. Усталостная долговечность и мера повреждаемости верхней зоны стенки сварных подкрановых балок // Безопасность труда в промышленности. 2004. № 11. С. 34–36. EDN JVVWQP.

5. Такки В.Ф., Егоров И.Ф., Туснина О.А. Повышение эксплуатационного ресурса подкрановых балок // Промышленное и гражданское строительство. 2020. № 12. С. 61–67. DOI: 10.33622/0869-7019.2020.12.61-67. EDN UIUJGJ.

6. Фын Сю-Цзюнь, Линь Синь-Шань, Фан Тиан. Исследование усталостных повреждений верхней зоны стенок стальных подкрановых балок // Промышленное и гражданское строительство. 1994. № 11–12. С. 33–35.

7. Васюта Б.Н., Крылов И.И., Кукушко С.С. К вопросу определения параметров остаточного ресурса сварных подкрановых балок с усталостными повреждениями // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2006. № 6 (570). С. 114–120. EDN GZQGFW.

8. Москвичев В.В., Чабан Е.А. Анализ развития усталостных трещин в подкрановых балках // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 7. С. 47–54. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-7-47-54

9. Кубасевич А.Е. Напряженно-деформированные и предельные состояния подкрановых балок с усталостными трещинами в стенке : дис. ... канд. техн. наук. СПб., 2023. 165 с.

10. Dong S.E., Chen Q. Probe on the stress of the support crack of welded crane beams // Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 501–504. Pp. 710–716. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.501-504.710

11. Rettenmeier P., Roos E., Weihe S. Fatigue analysis of multiaxially loaded crane runway structures including welding residual stress effects // International Journal of Fatigue. 2016. Vol. 82. Pp. 179–187. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2015.04.009

12. Wardenier J., de Vries P., Timmerman G. Fatigue behaviour of a welded I-section under a concentrated compression (wheel) load // Journal of Constructional Steel Research. 2018. Vol. 140. Pp. 163–173. DOI: 10.1016/j.jcsr.2017.10.027

13. Ávila G., Palma E., De Paula R. Crane girder fatigue life determination using SN and LEFM methods // Engineering Failure Analysis. 2017. Vol. 79. Pp. 812–819. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2017.05.027

14. Rykaluk K., Marcinczak K., Rowiсski S. Fatigue hazards in welded plate crane runway girders — locations, causes and calculations // Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2018. Vol. 18. Issue 1. Pp. 69–82. DOI: 10.1016/j.acme.2017.05.003

15. Xu B., Wu Q. Stress fatigue crack propagation analysis of crane structure based on acoustic emission // Engineering Failure Analysis. 2020. Vol. 109. P. 104206. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2019.104206

16. Zai J., Cao J., Bell A.J. The fatigue strength of box girders in overhead travelling cranes // Journal of the Institution of Structural Engineers. 1994. Vol. 72. Issue 23. Pp. 401–405.

17. Веселов В.В. Оценка работоспособности эксплуатируемых стальных подкрановых балок : дис. ... канд. техн. наук. СПб., 2005. 267 с.

18. Маркеев В.С., Борков П.В. Прогнозирование остаточного ресурса металлических подкрановых балок промышленных зданий длительного срока эксплуатации // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2021. № 10. С. 8–16. DOI: 10.34031/2071-7318-2021-6-10-8-16. EDN KBOFRU.

19. Graciano C., Casanova E., Martínez J. Imperfection sensitivity of plate girder webs subjected to patch loading // Journal of Constructional Steel Research. 2011. Vol. 67. Issue 7. Pp. 1128–1133. DOI: 10.1016/j.jcsr.2011.02.006

20. Kulka J., Mantic M., Fedorko G., Molnar V. Analysis of crane track degradation due to operation // Engineering Failure Analysis. 2016. Vol. 59. Pp. 384–395. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2015.11.009

21. Белый Г.И., Кубасевич А.Е. Несущая способность подкрановых балок с усталостными трещинами в стенке // Вестник гражданских инженеров. 2022. № 2 (91). С. 24–29. DOI: 10.23968/1999-5571-2022-19-2-24-29. EDN WCKLTW.

22. Рафиев А.К., Марамов Ф.Б. Усиление подкрановых балок методом увеличения сечений // Политехнический вестник. Серия: Инженерные исследования. 2020. № 1 (49). С. 143–150. EDN CXCLUX.

23. Рафиев А.К., Ашуров И.Ш. Усиление подкрановых балок методом изменения конструктивной схемы // Политехнический вестник. Серия: Инженерные исследования. 2020. № 3 (51). С. 99–107. EDN IBHRWU.