李偉，張騫

(鄭州科潤機電工程有限公司，鄭州 450015)

0 引言

FZQ系列自升塔式起重機(以下簡稱塔機)適用于電站、石化、冶金、交通等大型建筑的施工和設(shè)備安裝，同時也適用于超高層民用鋼結(jié)構(gòu)建筑施工和橋梁建設(shè)。該塔機采用動臂變幅、上部回轉(zhuǎn)、上頂升機構(gòu)，具有起重量大、作業(yè)范圍廣、起升高度大、抗風能力強、自身質(zhì)量小等特點。

為滿足上海外高橋發(fā)電有限責任公司2×1 000 MW機組的施工需要，某電力公司委托鄭州科潤機電工程有限公司對其在用的FZQ600型自升塔機進行了塔身加高設(shè)計及新增塔身標準節(jié)、附著節(jié)、附著裝置的制造。

1 附著式塔機塔身的計算

附著式塔機塔身主要承受的載荷有：塔身在臂根鉸接截面受有回轉(zhuǎn)部分全部質(zhì)量產(chǎn)生的軸向力N，起重臂及物品與平衡臂及配重產(chǎn)生的不平衡彎矩M，回轉(zhuǎn)部分產(chǎn)生的扭矩T，塔機回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的水平慣性力FH，風壓pW。

1.1 強度計算

附著式塔身的強度一般按帶懸臂的多跨連續(xù)梁計算，附著裝置相當于一個剛性支點[1]。研究表明，在各附著點之間的桿件內(nèi)力分布比較復雜，與附著裝置的相對剛性密切相關(guān)。經(jīng)理論分析與試驗證明，不論支撐如何，對等截面塔身的最危險截面是在最高附著截面處，該處內(nèi)力與支承情況無關(guān)，所以可以簡化為只計算塔身最危險截面處的強度[2]。

1.2 穩(wěn)定性計算

FZQ系列塔機為上回轉(zhuǎn)的獨立式塔身，可看作上端自由、下端固定的等截面柱，按壓彎構(gòu)件進行整體穩(wěn)定性和單肢穩(wěn)定性計算。附著式塔身的臨界載荷值受附著裝置的影響很大，與附著裝置的數(shù)量、位置和剛性都有密切關(guān)系。在一般設(shè)計中，對附著式塔身的穩(wěn)定性做了近似計算，即只考慮最上面一道附著裝置的作用(圖1中I-I截面)，這樣計算結(jié)果較為安全。圖1為附著式塔身穩(wěn)定性計算簡圖，其計算長度為μl(μ是長度系數(shù)；l為塔身的實際長度)。

圖1 塔身穩(wěn)定性計算

1.3 剛性計算

根據(jù)GB/T 3811—2008《起重機設(shè)計規(guī)范》的要求，塔式起重機在額定起升載荷作用下，塔身在臂架連接處或臂架與轉(zhuǎn)柱連接處的水平靜位移應不大于1.34h/100 。其中h為塔身自由高度，對自行式塔式起重機而言，h為臂架連接處至軌道頂面的垂直距離；對附著式塔式起重機而言，h為臂架連接處至最高一個附著點的垂直距離[4]。

2 附著式塔機塔身有限元計算

2.1 FZQ600塔機的附著參數(shù)

FZQ600塔機原設(shè)計為3層附著，3層附著點高度(離地)依次為：32.29，53.09，75.09 m；加高設(shè)計后4層附著點高度(離地)依次為：22.49，49.49，70.49，100.49 m，各層附著點以上的最大懸臂尺寸如圖2所示。

圖2 塔身各層附著點參數(shù)

2.2 塔身強度的有限元計算

FZQ600塔機針對不同的附著狀態(tài)，在承受上述載荷的情況下，都有一種對結(jié)構(gòu)最不利的危險工況：1層附著狀態(tài)最大應力發(fā)生在幅度16.5 m、起重量400 kN、臂架0°、平行風時工況；2層附著狀態(tài)最大應力發(fā)生在幅度16.5 m、起重量400 kN、臂架45°、平行風時工況；3層附著狀態(tài)最大應力發(fā)生在幅度16.5 m、起重量400 kN、臂架0°、平行風時工況；4層附著狀態(tài)最大應力發(fā)生在幅度30 m、起重能力200 kN、臂架0°、垂直風時工況。各層附著狀態(tài)下的最大應力見表1。

表1 各層附著狀態(tài)下的最大應力

不同的附著狀態(tài)下，使用ALGOR建立相對應的有限元模型，施加相應的載荷，經(jīng)有限元分析計算后，各層附著狀態(tài)下的復合應力如圖3～圖6所示。

圖3 1層附著時塔身最大合成應力

圖4 2層附著時塔身最大合成應力

圖5 3層附著時塔身最大合成應力

圖6 4層附著時塔身最大合成應力

由有限元計算結(jié)果可知，弦桿應力最大區(qū)域僅限于附著點處很小范圍，并且計算應力沿弦桿長度方向迅速降低，這是由于計算時將附著框與塔身接觸處簡化為點接觸，引起弦桿局部計算彎曲應力值較實際應力值偏大。因此，可認為塔身弦桿實際應力滿足規(guī)范中許用應力要求。

2.3 塔身剛性的有限元計算

FZQ600塔機的塔身端部在不平衡彎矩、水平慣性力和風載荷的作用下產(chǎn)生水平方向的側(cè)向位移，位移大小應滿足GB/T 3811—2008《起重機設(shè)計規(guī)范》的要求，否則塔機有傾覆的危險。塔身端部最大變形的計算工況與強度計算工況相同，塔身端部在各工況下的最大位移統(tǒng)計見表2，各層附著狀態(tài)下的塔身端部最大位移變形如圖7～圖10所示。

表2 塔身端部在各工況下的最大位移

圖7 1層附著時塔身端部的最大位移

圖8 2層附著時塔身端部的最大位移

圖9 3層附著時塔身端部的最大位移

圖10 4層附著時塔身端部的最大位移

3 附著式塔機塔身加高后的安裝

由于塔機加高后第2層與第3層、第3層與第4層附著點間距過大(分別為27，30 m)，在安裝第2層及第4層附著裝置時，塔身的最大懸臂高度將達到10～11節(jié)，超過了原塔機允許的安裝懸臂高度(9節(jié))，所以在塔身頂升接高超出允許的高度時，超出的標準節(jié)不能用塔機自身吊裝，而應將塔機上部頂升部分調(diào)整到平衡狀態(tài)，輔以其他方式(如輔助卷揚機、輔助起重機等)吊裝。塔身的接高程序及其他各部件的安裝按原塔機圖紙資料及安裝使用說明書進行。

4 結(jié)論

(1)借助ALGOR軟件對FZQ600塔機塔身加高的有限元分析，可知塔身弦桿的最大復合應力發(fā)生在最上層附著位置處，此處由于有限元模型的處理與結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)有差異，引起弦桿局部應力較大。實際結(jié)構(gòu)弦桿與附著框通過滑塊連接，受力接觸面積較大，因此可認為塔身弦桿實際應力滿足規(guī)范中許用應力要求。

(2)塔身加高后，在保證整機各部件完好并嚴格按原設(shè)計參數(shù)及工況工作的情況下，能滿足安全使用的要求。

(3)基于ALGOR的FZQ600塔機塔身加高有限元分析，為FZQ系列塔機加高分析提供了可靠的計算依據(jù)。鑒于ALGOR軟件具有操作方便和計算準確的特點，可以參照此方法對其他形式的塔機結(jié)構(gòu)加高設(shè)計進行有限元分析。

參考文獻：

[1]徐格寧.機械裝備金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].2版.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

[2]張質(zhì)文，王金諾，程文明.起重機設(shè)計手冊[M].2版.北京:中國鐵道出版社，2013.

[3]顧迪民.工程起重機[M].2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1988.

[4]GB/T 3811—2008起重機設(shè)計規(guī)范[S].