冶金起重机工作级别为A5-A8级,利用率高,工作繁重,经常满载运行,且工作环境十分恶劣,主、副小车起吊、启动、制动等工况使起重机主梁结构承受更为频繁的载荷。冶金起重机在长期运行中金属主梁结构的疲劳、强度、刚度等性能退化问题愈发明显。目前在实际生产中,受客观条件限制,大多凭借经验对起重机进行维修加固等措施,这在一定程度上不仅会造成资源浪费,还会降低企业生产效率。究其原因,冶金起重机作为冶炼车间极其重要的熔融金属搬运机械,其安全性处于首要位置,一旦结构发生破坏会严重威胁人身、财产安全。因此从安全角度考虑,企业不能将设备完全使用至失效状态,也就不能充分地了解冶金起重机主梁结构的失效模式,相关试验和实测研究也很少,从而在一定程度上造成保守维修的现状。所以,只有充分研究冶金起重机主梁结构失效模式和性能劣化,才能更好地把握维修加固时机,在确保结构安全性和可靠性的前提下,避免过度维修、保守维修等现象,最终达到充分利用结构承载性能,延长其使用寿命的工程目标。本文以冶金起重机主梁结构疲劳失效模式和维修加固效果为研究课题,利用相似理论设计冶金起重机主梁结构缩尺模型,进行缩尺模型疲劳试验,由试验结果确定冶金起重机主梁结构的主要疲劳失效模式和刚度劣化规律,并进行维修加固试验研究。本文主要研究内容及结论如下:（1）基于相似理论的冶金起重机主梁结构缩尺模型研究。首先对相似理论研究现状进行概述。其次以相似理论为基础,采用量纲分析法确定主梁结构各主要物理参数的相似比例关系,并求解出各参数相似比。在确定缩尺模型整体长度相似比的前提下,根据实际制作情况分析研究缩尺模型板块厚度以及内部横隔板的尺寸与形状。最后建立相应的原型有限元模型和12种缩尺模型有限元模型,通过原型现场测试与有限元计算结果进行对比,确定最佳的缩尺模型设计方案,并研究了缩尺模型试验的响应量在原型中的还原。（2）冶金起重机主梁结构缩尺模型试验研究。以相似理论设计并制作的冶金起重机主梁结构缩尺模型为试验对象,进行相关的静力及疲劳试验研究。缩尺模型试验主要目的是确定冶金起重机主梁结构疲劳失效模式和刚度性能退化规律。在缩尺模型试验测试中,不仅采用应变片、位移计等传统的接触式测试方法,还利用数字图像相关法（DIC法）的非接触式测试方法进行应力、位移测量,同时使用超声波检测、超声相控阵检测等无损检测技术对缩尺模型的表面以及焊缝内部的开裂情况进行检测,通过这些方法确保试验结果的准确性与可靠性,为后续试验结果分析提供准确的数据支撑。（3）冶金起重机主梁结构疲劳失效模式研究。通过缩尺模型静力试验结果与有限元计算结果进行对比,以验证实际制作的缩尺模型能够反映原型的力学响应和力学性能,那么由相似理论可将缩尺模型后续试验研究结果有效地还原到原型中。由缩尺模型疲劳载荷试验结果可以得出载荷-位移,载荷-应力等相关曲线及其变化规律,同时根据挠度结果确定结构刚度退化函数并建立刚度退化模型。最后,结合缩尺模型疲劳试验结果及无损检测结果,可以确定冶金起重机主梁结构在长期满载的工作情况下,其主要失效模式为主梁跨中位置上下盖板、腹板与横隔板焊缝位置疲劳裂纹扩展失效和主梁结构刚度退化失效两种模式。（4）冶金起重机主梁结构维修加固研究。针对冶金起重机主梁结构缩尺模型刚度退化,下挠度变形过大的问题,采用粘贴CFRP布方式对缩尺模型进行加固并进行试验研究。由试验结果可知:缩尺模型在满载状态下,经CFRP加固后的结构刚度提升了17.4%,加固后的缩尺模型最大下挠度变形程度比未加固减小16.7%。依据相似理论可知,将CFRP运用到冶金起重机主梁结构原型中进行结构加固具有可行性,能够提高主梁结构的承载性能,提升安全性。同时提出采用“板壳—弹簧—板壳”单元模拟“CFRP—胶层—缩尺模型”进行CFRP加固主梁结构有限元模型的建模方法。对比有限元计算结果和试验测试结果,可以验证建立的CFRP加固主梁结构有限元模型是基本准确的,为CFRP加固类似的箱型结构梁提供了相关的有限元模型建立方法。