工业建筑钢结构疲劳诊治相关技术——中冶检测工业建筑团队
工业是国民经济的支柱，工业生产总值到2019年达38万亿，工业建筑面积到2019年就达到73亿平方米。工业建筑涉及领域广泛、数量巨大、形式多样、作用突出，工业建筑是工业生产的重要设施和基础保障，其安全与否直接影响生产的正常进行。
工业建筑与民用建筑相比，其作用复杂，使用环境恶劣，而且超常规运行时有发生。结构经常承受重载、动载作用；经常处于高温高湿、腐蚀环境。由于生产环境恶劣，负荷大，如安全管理经常不到位，工业建筑就因强度失效、疲劳破坏、耐久性损伤等导致结构破坏，甚至倒塌的事故，造成重大经济损失和人员伤亡。
自2000年，随着钢铁建设大规模发展，我国钢铁产量从2000年1.3亿吨到2019年9.9亿吨。钢结构厂房应用越来越广泛，既有工业建筑中钢结构占50%以上，超过36亿m2。近年来新建钢结构厂房占全部新建工业建筑的70%以上。
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工业建筑钢结构疲劳破坏危害巨大
钢结构破坏模式主要有强度、失稳和疲劳破坏，强度破坏是延性破坏，可以通过计算和构造、控制应力水平解决；失稳破坏是脆性破坏，可通过增设支撑、控制长细比等控制；疲劳是钢结构比较典型的破坏形式，属于脆性破坏，难以控制。工业建筑钢结构疲劳破坏时有发生，危害巨大。特别是冶金、机械等工业重级工作制厂房的吊车梁系统、柱、屋架等直接承受动力荷载的部位和构件，在动力循环往复荷载作用下，加上作用频率高，容易出现疲劳破坏。
我们对四十年来所做的工业建筑钢结构疲劳问题的项目进行了统计分析，结果表明：工业建筑钢结构疲劳破坏90%以上发生在重级工作制的钢吊车梁系统。我国重级工作制钢吊车梁系统使用15-20年会出现疲劳开裂甚至于断裂，大多小于设计使用年限。
例如，2015年1月某炼钢厂加料跨直角突变式变截面钢吊车梁在使用12年左右时，突然发生疲劳断裂，造成停产14天，经济损失上亿元。
2019年4月16日江西某炼钢厂加料直角突变式变截面钢吊车梁，也是在使用12年左右时，发生突然疲劳断裂，导致吊钢水吊车从厂房轨道上掉下，造成重大安全生产事故，不仅造成重大经济损伤，还严重威胁职工生命安全，产生严重的社会影响。以上例子都是钢吊车梁因疲劳断裂造成严重的安全事故。
吊车梁系统是工业生产的“生命线”，是工业建筑钢结构疲劳破坏的典型代表，其结构状况良好与否，直接关系到工厂的正常安全生产和经济效益。工业建筑钢吊车梁的疲劳破坏危害巨大，应引起有关管理部门的重视，迫切需要对在役工业建筑钢吊车梁进行检测、评估、加固与修复，以保证钢吊车梁的正常安全使用。
工业建筑钢结构疲劳问题分类及特点分析
中冶建筑研究总院有限公司（原冶金部建筑研究总院）在长期的工业建筑钢结构鉴定、评估及加固设计的过程中，根据调查统计结果，对工业建筑钢结构出现的疲劳部位进行了总结分类，见表1。
表1 工业建筑钢结构疲劳分类
综合以上调查研究和总结，可以得到工业建筑钢结构疲劳的普遍特点：吊车梁系统、制动系统和吊车肢柱头等都可能出现疲劳开裂。由于制动桁架的局部失效暂时不导致吊车梁的破坏或垮塌，吊车桁架目前使用较少，所以对结构安全影响比较大、容易造成垮塌的疲劳部位主要分布在实腹式吊车梁的腹板与上翼缘连接处、吊车梁下翼缘、变截面吊车梁端部和吊车肢柱头等部位。另外归功于我国规范中明确规定要求进行吊车梁下翼缘计算，近些年几乎没有出现疲劳断裂的实例。因此，工业建筑钢结构疲劳主要集中在三个部位，并具有不同的原因，如下所述。
（1）实腹式吊车梁腹板与上翼缘连接焊缝及其附近腹板开裂：出现疲劳破坏的原因一般是吊车轨道偏心引起截面外弯矩、由于生产需求吊车吨位变大、连接处存在较严重的焊接缺陷等。
吊车梁腹板、加劲肋与上翼缘连接焊缝开裂
（2）变截面吊车梁的梁端：主要问题是由于吊车梁截面变化导致的局部应力集中，再加上局部焊接缺陷，导致微裂缝扩展乃至结构破坏，例如圆弧端变截面吊车梁在圆弧过渡区焊缝附近出现应力集中；梯形变截面吊车梁常在下翼缘梯形拐角处出现较大的应力集中，且其幅度与梯形斜板的坡度大小有关；直角突变式吊车梁常在插入板的端部、底部端板和插入板的相交处出现疲劳开裂。
变截面吊车梁开裂
（3）吊车肢柱头：由于不直接承受动力荷载且理论上不出现拉应力，所以现行规范对其没有做出疲劳计算的要求，但是当吊车梁相对于吊车肢柱头出现偏心时，吊车肢柱头腹板可能出现局部的拉力，再加上往复荷载的长期作用，加劲肋焊缝附近由于焊接导致的微裂缝扩展，引起疲劳开裂。
吊车肢柱头腹板裂缝
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工业建筑钢结构疲劳诊治关键技术与应用
自2000年，中冶建筑研究总院检测中心工业建筑疲劳诊治团队先后承担并完成了数项国家及部委重大科研项目。完成了300余项工业建筑钢结构的现场调查与检测、100余项吊车梁动态测试，60余根构件上亿次反复荷载的疲劳实验硏究。在国内率先开展了工业建筑钢结构的疲劳荷载和抗力进行概率统计分析，建立了工业建筑领域的疲劳动态可靠性分析模型。深入硏究了我国工业建筑钢结构疲劳损伤检测鉴定、剩余疲劳寿命评估和加固修复关键技术，建立了工业建筑钢结构疲劳诊治技术体系并实现了产业化的推广应用。工业建筑钢结构疲劳诊治关键技术如下：
1 工业建筑钢结构疲劳可靠度理论
2 工业建筑钢结构剩余疲劳寿命评估技术
3 钢吊车梁疲劳分级评定方法
4 TIG重熔修复钢结构疲劳焊缝关键技术
5 “贝壳板”焊接加固钢结构疲劳关键技术
6 高强螺栓加固钢结构疲劳关键技术
7 碳纤维复材加固钢结构疲劳关键技术
8 基于监测信息的钢吊车梁结构疲劳预后分析技术及智能管理平台
9 变截面钢吊车梁（圆弧过渡式、直角突变式）疲劳诊治关键技术
10 钢吊车梁上部区域疲劳诊治关键技术
11 钢柱吊车肢柱头的疲劳诊治关键技术
以上工业建筑钢结构疲劳诊治关键技术在宝钢、武钢、德龙、包钢等企业百余项工程中得到了规模化应用，近三年完成 70 余座工业厂房、约 7600 根钢吊车梁的诊治工作，技术应用有效延长了钢吊车梁使用寿命，控制和减少了工业建筑重大安全事故发生，保障国家和社会公共安全。
04
标准规范编制
中冶建筑研究总院有限公司主编完成一系列有关工业建筑钢结构诊治的标准，包括国家标准《工业建筑可靠性鉴定标准》GB50144-2019、行业标准《钢结构检测评定及加固技术规程》YB9257、团体标准《工业建筑钢吊车梁检测鉴定标准》和《工业钢结构工程检测评定技术规程》等。逐步完善了工业建筑诊治标准体系。为工业建筑钢结构疲劳诊治技术广泛推广应用建立了基础和保障，奠定了我国工业建筑钢结构可靠性鉴定及加固修复技术的基础。
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工业建筑钢结构管理要求
国家标准《工业建筑可靠性鉴定标准》GB50144-2019第 3.1.3 条规定，“结构存在疲劳问题影响其使用寿命时，可进行疲劳专项鉴定”。
团体标准《工业建筑钢吊车梁检测鉴定标准》第3.1.1条规定，钢吊车梁系统在下列情况下，应进行检测鉴定：
1 对工业建筑整体结构进行可靠性鉴定；
2 吊车梁系统达到设计使用年限或目标使用年限拟继续使用；
3 投入使用10年及以上的工作级别为A6~A8吊车的钢吊车梁或工作级别为A4~A8吊车的钢吊车桁架；
4 发现裂缝损伤的吊车梁系统；
5 工业建筑生产工艺或用途发生改变，或拟更换吊车，或对吊车进行增容改造前；
6 吊车梁系统存在影响正常使用的缺陷和损伤；
7 吊车梁系统长期处于高温或腐蚀环境且无相应防护措施或防护措施失效；
8 吊车梁系统遭受各类事故或灾害后；
9 其它现行标准或国家法规规定的需要了解吊车梁系统安全状况。
其中以下几款应引起工业建筑管理人员的注意。
第3款规定对于工作级别为A6~A8吊车的吊车梁投入使用10年以上，无论是否出现疲劳损伤，均应进行鉴定评估，确保人员生命、生产安全。这款规定依据的是中冶建筑研究总院有限公司的统计结果，“90%以上钢吊车梁系统的破坏属于疲劳破坏。我国配有工作级别为A6~A8吊车的工业建筑中，大部分钢吊车梁在使用10年或20年即出现疲劳问题，尤其是在冶金工业厂房中”。
第5款因生产设备更新、工艺流程改变或生产规模扩大等原因，对原有结构提出新的功能要求，如拟更换吊车或对吊车进行增容改造，即使有些是更换轻一些的吊车，其轮距和轮压也会发生变化，也可能对吊车梁产生不利影响。因此，也要评定原有吊车梁系统是否可以使用或需加固处理。
第6款规定吊车梁系统存在影响正常使用的缺陷和损伤，应进行鉴定。这里的影响正常使用的缺陷和损伤主要是指吊车里系统连接螺栓松动或脱落、吊车梁振动（晃动）异常、吊车异常卡规或轨道及轨道联结损伤、制作安装过程中因疏忽或错误使结构存在较严重的缺陷等。
这里需要说明的是，钢吊车梁的定期检查（点检）维护对吊车梁的安全使用非常重要，但也最容易被人们忽视。工业建筑钢吊车梁系统检测鉴定不同于一般建筑结构的检测鉴定，专业性比较强，因此，为了保证检测鉴定结果的准确性，工业建筑钢吊车梁系统检测鉴定工作一般由有结构安全性与可靠性鉴定能力，并具有工业建筑结构鉴定业绩的检测鉴定机构和人员承担。
06
结语
（1）工业建筑，尤其是钢铁工业建构筑物，如果存在安全隐患而又疏于管理，真的会出现重大安全事故，大量的工业建筑安全事故应引起我们对工业建筑安全的高度重视，建议加强管理，定期对工业建筑进行检查，对重点问题应进行专项评估；
（2）专业人员做专业的事情、工业建筑钢结构疲劳诊治是我们的特色和优势，我们能够解决工业建筑钢结构疲劳各种问题，为企业技术改造、安全维护提供更加专业的技术指导。
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撰稿 | 幸坤涛
编辑 | 肖树豪
校对 | 王 玲