起重船吊臂及千斤柱应力应变测试的实际应用

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摘 要: 根据起重船起吊系统的结构特点，以600吨起重船为例，在有限元建模计算的基础上，根据起重工况，介绍了对起重船的吊臂及千斤柱的危险截面进行实际应力应变测试的程序和方法，并得出相应的结论。

关键词: 起重船 吊臂 千斤柱 应力测试

随着国家的水域及航道工程建设的投入，起重船逐渐成为了水工的主力军，因此为了保障起重作业的安全，起重船在出厂之前，设计的起重船吊臂结构能否满足要求，必须进行测试，所进行的起吊试验成为了船舶建造检验中的重中之重，本文根据起吊系统的结构特点，根据起重工况参数和建模计算结果，利用应力应变测试对600t起重船在7 种典型工况下的最大应力发生部位进行了实际强度校核。

起重船主要参数

船体长70.8 m，型深4.8m，型宽26.0m，吃水2.5 m，2柱间长68.7m，肋距0.6m。吊臂为桁架结构形式，由各种规格的钢管组合而成，吊臂材料为 Q345B，材料的弹性模量E=206GPa，主桁架钢管规格为600mm×16mm，水平及斜撑杆钢管规格为299mm×10 mm，臂架总长为78m，臂架下开档为18800mm，臂架自重为308吨(含梯架重及杆头质量68吨)。主吊架仰角60°时，主吊钩承载的能力为600吨，副吊钩承载的能力为400t，起升速度为0.028m/s，千斤柱总高为19600mm；横宽为17600mm；斜撑柱与甲板之间的夹角为52°。

试验工况

文中起重船主钩的设计起吊重量为600吨，副钩起吊重量为500吨；具体试验工况根据相关船舶试验大纲，并结合《600t起重船扒杆结构有限元强度报告》、《600t起重船千斤柱结构有限元强度报告》，以及考虑实际使用情况和现场试验条件提出相应的试验工况，具体见表1（试验工况中所涉及的起吊重量按图纸要求核定）。

测试方案

采用电阻应变测试法进行测试，通过对危险截面的应变测试得到对应各测点的应力，并以此判断起重船的起重系统在各工况下的强度是否符合设计要求。根据该船起吊系统的布置情况，《起重设备法定检验技术规则》，以及该船的结构形式、工作常态、现场勘察资料，对该船的吊臂和千斤柱工作状况进行了分析。

测试对象。由分析可知，主钩及副钩在各个工况下可能出现的危险截面（危险点）基本上是一致的，故将吊臂桁架下部内侧的主杆顶部、中部、桁架上部内侧的根部和千斤柱单元各支座根部向上1.5m处作为测试对象，应变片的粘贴方向与被测构件的主轴线方向一致。并且笔者考虑到构件焊缝处通常都存在残余应力，故焊缝的应力状况不在本次测试分析的范畴内，故所有测点的选择均避开焊缝，同时考虑到现场的实际工作条件，应变片的布置示意图如图1、图2、图3所示。

测试设备。测量导线横截面面积为0.5mm2，采用双股绞形铜芯形式，长度为100m；电阻应变片采用BF120-4AA型号，电阻为120Ω，敏感栅尺寸为4mm*2mm，灵敏系数为2.12；应变胶采用氰基丙烯酸酯粘合剂（502），型号为T-1；防护胶采用703硅胶；测试仪器采用XL2101B2型数字静态电阻应变仪。

应变片布置。吊臂为桁架结构，每一边有4根纵向主杆杆件（上下各两根，成对称分布），由于爬梯主要位于吊臂桁架下部纵向主杆的内侧，故应变片对称布置在两边吊臂桁架下部的内侧主杆上；在吊臂顶部主杆上沿与吊臂轴线一致的方向对称布置两个应变片1＃、2＃。由于吊臂左侧桁架未设置爬梯，故只在吊臂中部右侧下方内侧的主杆上布置一个3＃应变片，并在吊臂根部上部纵向主杆的内侧对称布置应变片，即4＃、5＃两个应变片，位置如图1、2示。

千斤柱为对称结构，应变片均樱对称布置，即如图3中的6＃、7＃和8＃、9＃。

组桥方法。由于温度场变化对本实验影响较大，选取上午9点前进行测试，该时间段内气温变化较小，且各测点不存在由于阳光照射而形成的温度场不均匀现象，在没有其它热源的影响情况下，可认为所有测点处的温度是基本相同的，故可采用公共温度补偿的半桥接法；在与制造本吊臂所使用的完全相同的船用钢板上粘贴一个电阻应变片，不受载荷作用，并将其置于船舶甲板上，使其与各测试单元所处温度场基本一致，且接入应变仪时电阻（含导线）与其他工作片一致，以此作为温度补偿片。

实测应力值计算分析

1、实测应力值计算

根据对各工况下的测试数据分析可知，各应变片的数据均稳定可靠。由于吊臂等构件本身较大，且各测点分布距离较远，故使用了100m的导线，由于长导线电阻和热输出的影响，试验测试值需要修正，此外考虑应变片粘贴角度误差一般会引入3%的测量误差，将其全部计入得到的修正系数为1.18。根据结构所用材料为Q345B，弹性模量取E=206GPa。

2、实测应力值分析

由表4可知，在各实测工况下，各测点处的实测应力值均小于杆件的许用应力252MPa。当吊臂处于上述七个工况时，吊臂顶部和根部的实测应力较大；除工况1（主钩吊重200吨）的实测最大应力处于吊臂根部的4＃测点处外，其他工况时实测最大应力均处于2＃测点处（见图1、图2），即吊臂右侧主杆的顶部，且均为压应力，吊臂左侧主杆的顶部的1＃测点处也为压应力，且仅略小于2＃测点处；而吊臂根部各测点的实测应力也处于较高水平，千斤柱拉杆的8#、9#测点处的应力最小。当吊臂处于工况4（主钩起吊负荷为设计起吊重量的110%）时2＃测点处的最大压应力为115.71MPa，该实测值小于有限元计算中该部位的轴线方向的最大应力值160MPa；当吊臂处于工况7（副钩起吊负荷为设计起吊重量的100%）时2＃测点处的最大压应力为141.23MPa，该实测值小于有限元计算中该部位的轴线方向的最大应力值191MPa（计算起吊重量按400吨计）。原因分析如下：①理论计算时，考虑了吊臂结构自重的影响，而实测时由于试验条件的限制，结构自重对应力的影响不能完全反映出来。②理论计算时，主钩荷载除了考虑作业系数外，还考虑了较大的风载等对其的影响等对其的影响，且按极端取情况考虑，而试验时风力仅为2-3级，船舶处于较理想的工作状态，风浪等对船体影响较小。③理论计算时，考虑了船舶横倾5°的影响，而根据船舶的浮态可知试验时船舶始终保持平稳，没有出现明显的横倾现象。

3、分析结论与建议

根据试验数据和应力计算结果，吊臂桁架和千斤柱各杆件相应测点的实测应力值均小于许用应力，其结构的强度满足设计要求。起重船舶在作业时，船身的倾斜会使起重结构（特别是吊臂）处于不利的受力状态，可能产生较大的附加扭矩，造成各杆件内的应力分配不合理，使某些构件在荷载较小时就产生较大的局部应力。故在作业开始前应调整好船舶的姿态，保证船身平稳，并且在作业过程中注意保持稳定，防止船体倾斜。在进行起吊试验中，吊臂与水平夹角约为60°，此时各测点的实测应力小于许用应力，但考虑到实际作业时的工况往往比试验时要恶劣，应严格保证吊臂的起吊角度符合操作规范，并在设计许可荷载范围内工作。

结语

从试验情况看，利用应力应变测试对起重船的关键起重结构进行实际强度校核的方法是行之有效的，可以帮助船舶检验人员更为准确地了解起重船起重结构的强度情况，从而更为科学地评估起重船舶的作业安全性，这对于提高此类工程船舶的检验质量有着积极意义。

（作者单位：南京市地方海事局）