文朝輝，王永新WEN Zhao-hui, WANG Yong-xin(.湖北江漢建筑工程機(jī)械有限公司，湖北 荊州 43400；.山東電力建設(shè)第一工程公司，山東 濟(jì)南 503)

塔式起重機(jī)塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)接頭結(jié)構(gòu)型式分析

文朝輝1，王永新2
WEN Zhao-hui, WANG Yong-xin
(1.湖北江漢建筑工程機(jī)械有限公司，湖北 荊州 434020；2.山東電力建設(shè)第一工程公司，山東 濟(jì)南 250131)

[摘 要]從結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝性、經(jīng)濟(jì)性等方面著手，對塔式起重機(jī)常用塔身接頭型式逐一進(jìn)行全面對比分析，指出其連接方式的結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用范圍，為塔式起重機(jī)塔身接頭設(shè)計選型提供參考依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]塔式起重機(jī)；塔身；標(biāo)準(zhǔn)節(jié)；接頭

1 概 述

塔式起重機(jī)（以下簡稱塔機(jī)）是廣泛應(yīng)用于各類建筑、水利、電力、橋梁、造船等工程建設(shè)領(lǐng)域中最重要的物料提升設(shè)備。隨著建構(gòu)筑物的不斷增高，物料的提升高度相應(yīng)增加，這就要求塔機(jī)的起升高度必須隨之增高，才能把物料吊運到相應(yīng)作業(yè)面高度。起升高度的增高可通過在已有塔身基礎(chǔ)上，逐漸增加標(biāo)準(zhǔn)節(jié)來實現(xiàn)的，這也體現(xiàn)了塔機(jī)不同于其他起重設(shè)備的突出優(yōu)勢。

為將新增加的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)與原有塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)可靠地連接在一起，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間的連接，除接頭應(yīng)互相匹配外，還應(yīng)滿足一定的要求，如連接方式必須可靠、操作簡單方便等，這是因為塔機(jī)的增高和降低十分頻繁的緣故。從以上可以看出，塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)是整個塔機(jī)上重要的結(jié)構(gòu)部件，無論設(shè)計制造，還是安拆使用，接頭的結(jié)構(gòu)型式都占有極其重要的地位；與此同時，為控制接頭的制造和使用成本，使其具有較好的經(jīng)濟(jì)性，還應(yīng)兼顧接頭具有較好的加工工藝性。為保證上述要求，現(xiàn)根據(jù)塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿的結(jié)構(gòu)型式、整機(jī)起重力矩方面等多方面因素，對常見的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接接頭結(jié)構(gòu)在設(shè)計、工藝性、經(jīng)濟(jì)性、使用等方面進(jìn)行總結(jié)與探討，為塔機(jī)塔身接頭的設(shè)計選型提供參考依據(jù)。

2 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)接頭典型結(jié)構(gòu)

國內(nèi)外塔機(jī)生產(chǎn)廠家眾多，產(chǎn)品規(guī)格及型號亦千差萬別，其中最為典型的區(qū)別體現(xiàn)在塔身結(jié)構(gòu)型式的多種多樣，且各自獨具特色。例如：Liebherr公司的HC系列塔機(jī)，均采用矩形斷面鋼管焊接結(jié)構(gòu)塔身；Potain公司的TOPKIT系列塔機(jī)，其中包括我國引進(jìn)技術(shù)大量生產(chǎn)，并為大家所熟知的F0/23B、H3/36B塔機(jī)，其塔身主弦桿、腹桿均采用角鋼制成；Linden公司早期的8000系列塔機(jī)，其塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)均采用圓鋼管結(jié)構(gòu)等。無論采用哪種型式的主肢截面，都是生產(chǎn)廠家根據(jù)自身條件，經(jīng)過多年的更新?lián)Q代，逐漸形成了自身的傳統(tǒng)與優(yōu)勢，并傳承至今，這也是塔機(jī)模塊化設(shè)計發(fā)展的必然結(jié)果。

塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主要由主弦桿、腹桿、連接接頭及塔身通道等零件組成。主弦桿可直接采用各種軋制型鋼，也可由軋制型鋼或鋼板組合焊接而成。常用的型鋼有角鋼、圓管、實心圓鋼、方管、H型鋼等多種，有時由于型鋼尺寸或截面特性不符合設(shè)計要求，也可采用焊接拼接截面，如焊接方管、焊接H型鋼等，采用何種主肢截面取決于塔機(jī)的起重性能、供貨條件、經(jīng)濟(jì)效益及開發(fā)系列產(chǎn)品的規(guī)劃和需要。

塔身各相鄰標(biāo)準(zhǔn)節(jié)通過主弦桿上的接頭相互連接，因此主弦桿的截面類型在很大程度上決定了所能采用接頭的合理結(jié)構(gòu)型式。根據(jù)組成標(biāo)準(zhǔn)節(jié)接頭連接件的不同，常見塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)接頭一般可分為高強(qiáng)度螺栓連接、銷軸連接、瓦套連接3種連接方式。

2.1 高強(qiáng)度螺栓連接

高強(qiáng)度螺栓連接又可分為2種型式，即摩擦型螺栓連接和承壓型螺栓連接，其中摩擦型螺栓連接制造工藝簡單、工作性能可靠、成本低廉，頗為生產(chǎn)廠家和廣大用戶所青睞，特別以中小型塔機(jī)應(yīng)用最為廣泛。

摩擦型螺栓連接有以下優(yōu)點：連接螺栓采用較大的預(yù)緊力，能保證相鄰標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間的端面能緊密接觸，最大程度消除了節(jié)間的間隙，進(jìn)而保證了塔身的整體剛度；能減小或消除標(biāo)準(zhǔn)節(jié)因制造原因產(chǎn)生的誤差對塔身的影響；加工簡單，工藝要求不高，安裝方便快捷；被連接零件通過焊接與主弦桿母材相連接，對母材無削弱，無需對連接部位進(jìn)行特殊加強(qiáng)處理。這些特點恰恰是某些銷軸連接所不具備的。

其缺點是：在使用M30以上高強(qiáng)度螺栓時，人力擰緊有一定困難，需借助專用工具才能擰緊；多個螺栓連接必須考慮連接時螺栓受力不均以及高空安裝作業(yè)空間有限等。

因接頭具體結(jié)構(gòu)型式的差異，摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接接頭方式有各自適合的使用范圍，按目前實際使用情況說明如下。

圖1所示接頭結(jié)構(gòu)由單角鋼、螺栓套焊接而成。因主肢為單角鋼，一般可布置2個螺栓，通過合理布置螺栓位置，可使螺栓承拉時對主肢產(chǎn)生的局部彎矩較小；受角鋼型號大小的限制，采用這種接頭型式的塔機(jī)，其起重力矩通常不會很大，一般在100tm以下為宜。

圖2接頭結(jié)構(gòu)由單角鋼、厚板焊接而成。這種接頭的螺栓布置在角鋼內(nèi)部，受結(jié)構(gòu)本身的制約，不宜使用2個及以上的連接螺栓。這種接頭在受拉時，會對主肢有較大的局部偏心彎矩，因此采用這種接頭的塔機(jī)其起重力矩更小，一般在50tm以下為宜。

圖3、圖4及圖5接頭結(jié)構(gòu)由方管或圓管、螺栓套焊接組成。主弦桿可為方形或圓形，在其外圍可布置更多的螺栓套，連接的承載力可以更大，應(yīng)用范圍更廣?？紤]到主弦桿外緣一般作為頂升時的導(dǎo)向軌道，故一般最多能布置3～4個螺栓套，塔機(jī)起重力矩一般控制在250tm以下為宜。圖3所示2個螺栓的合力作用線不在主弦桿截面形心位置，受載時會對主肢產(chǎn)生較大的局部偏心彎矩，因此，這種布置方式就顯得不太合理，較合理的布置形式如圖4及圖5所示。

圖1 螺栓連接接頭一

圖2 螺栓連接接頭二

圖3 螺栓連接接頭三

圖4 螺栓連接接頭四

圖5 螺栓連接接頭五

圖6 螺栓連接接頭六

圖6接頭結(jié)構(gòu)由H型鋼和若干豎向筋板等組成，螺栓處于主弦桿的內(nèi)部，不影響主弦桿外緣作為頂升套架軌道使用，另外當(dāng)主弦桿受力較大時，要求的H型鋼截面積也相應(yīng)較大，主肢外形尺寸也隨之增大，主肢內(nèi)部可布置4個或6個甚至更多數(shù)量的螺栓，接頭的承載力更大，但螺栓布置受擰緊螺栓時扳手所需空間的限制，因此該結(jié)構(gòu)不適合小噸位塔機(jī)，應(yīng)用在300tm以上的塔機(jī)較為合理。

圖7接頭結(jié)構(gòu)由H型鋼和厚板焊接組成，螺栓也處于主弦桿內(nèi)部，可布置2個以上的螺栓，但如厚板與主肢之間沒有加強(qiáng)措施，則接頭的承載力有限，在同等情況下接頭的承載力弱于圖6接頭，該結(jié)構(gòu)適合200～500tm左右的塔機(jī)。

承壓型螺栓連接方式見圖8，這種結(jié)構(gòu)承載的基本原理是通過螺桿剪切面來傳遞外力，螺桿與孔為較小間隙的精制孔配合。為傳遞較大的外力，則需采用數(shù)量較多的螺栓；但為使安裝簡單方便，則螺栓數(shù)量不宜過多，因為螺栓數(shù)量越多，螺栓之間的受力也越不均勻；螺栓孔的尺寸精度、位置精度要求也更高，這些特點決定了接頭加工工藝復(fù)雜、煩瑣；另外因承壓螺栓數(shù)量多，安裝也比較困難，故該結(jié)構(gòu)一般建議用于200tm以內(nèi)的塔機(jī)為宜。

圖7 螺栓連接接頭七

圖8 螺栓連接接頭八

2.2 銷軸連接

銷軸連接的原理是通過承壓和剪切來傳遞主弦桿內(nèi)力，力的傳遞路線十分簡單明確。為減少軸孔間隙對塔身的影響，配合精度要求較高。為傳遞主弦桿內(nèi)力，此類結(jié)構(gòu)一般需有額外的魚尾板或榫頭等連接附件。有些連接結(jié)構(gòu)銷軸貫穿母材，會對母材造成削弱，因此，在母材開孔部位必須補(bǔ)強(qiáng)。與螺栓連接結(jié)構(gòu)比較，銷軸連接結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，工藝要求高，成本自然也相對較高。另外，對銷軸表面處理有較高要求，否則一旦生銹，再次安裝、拆卸將非常困難。

圖9所示結(jié)構(gòu)由角鋼、內(nèi)外魚尾板或厚板、銷軸等共同組成，適合于單角鋼結(jié)構(gòu)，因受角鋼型號限制，單角鋼主弦桿承載能力有限。為保證兩銷軸承載均勻和安裝方便，魚尾板及孔等尺寸、位置精度要求較高，工藝成本較高。該結(jié)構(gòu)適合于中等以上噸位塔機(jī)，一般在60～300tm左右為宜。

圖10所示結(jié)構(gòu)由平行布置的雙角鋼、內(nèi)外板和銷軸等共同組成，因銷軸剪切面比圖1所示結(jié)構(gòu)多，再加上雙角鋼的緣故，其承載能力比圖9所示結(jié)構(gòu)大，但該結(jié)構(gòu)的缺點是：平行并列布置的雙角鋼被遮擋的內(nèi)側(cè)面防腐處理困難，各尺寸、位置精度要求更高。因此，出于成本上的考慮，此類結(jié)構(gòu)一般用于較大噸位的塔機(jī)，如300～600tm。

圖9 銷軸連接接頭一

圖10 銷軸連接接頭二

圖11所示結(jié)構(gòu)由方管、方榫頭和銷軸等共同組成，適合于方管結(jié)構(gòu)，因榫頭處主肢開孔較多，截面削弱較大，母材局部必須補(bǔ)強(qiáng)；榫頭通常采用高強(qiáng)度材料鍛后加工，孔精度要求也高，因此這類接頭的成本較高。采用該類接頭的塔機(jī)通常噸位較大，一般在300tm以上。

圖12所示結(jié)構(gòu)由連接板或方榫頭和銷軸等共同組成，適合于H鋼結(jié)構(gòu)，連接板或榫頭通常采用高強(qiáng)度材料鍛后加工，與圖11接頭類似，成本也較高。另外，這種主弦桿不限于采用成型H型鋼，也可以采用鋼板焊接組成的H型鋼，因此，采用該類接頭的塔機(jī)更大，一般在400tm以上。

圖11 銷軸連接接頭三

圖12 銷軸連接接頭四

圖13所示結(jié)構(gòu)由連接耳板、連接板、銷軸等共同組成，適合于圓鋼截面主弦桿，連接板采用高強(qiáng)度材料鍛后加工。因?qū)嵭膱A鋼回轉(zhuǎn)半徑較小，為保證主弦桿的穩(wěn)定性，必須采用較大直徑的圓鋼，以獲得較大的單肢計算長度，因此采用該類接頭的塔機(jī)通常起重力矩較大，一般在500tm以上。

2.3 瓦套連接

瓦套連接其實也是螺栓連接的一種，但因其連接構(gòu)造特殊，與其他螺栓連接有很大的區(qū)別，所以單獨列出分類。

瓦套連接亦稱之為瓦套法蘭盤連接，也形象地俗稱為哈夫抱瓦連接，最早見于Linden 8000系列平頭塔機(jī)。該系列塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)均采用無縫鋼管焊接而成，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間的連接構(gòu)造頗為獨特（如圖14）：每兩節(jié)塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿接頭之間上下相對，相對的主弦桿接頭之間通過法蘭盤式端頭的端面相對接，其外圍用2個半圓的、帶有臺階式子口的抱瓦卡固，然后再用4個直徑較小的普通螺栓加以緊固（哈夫，即英語half的音譯，此即俗稱的由來）。接頭螺栓采用內(nèi)六方扳手即可安裝，故安裝簡單，且迅速方便，但抱瓦和接頭體的加工精度要求高。這種塔身接頭連接的特點是：上下兩端構(gòu)造完全相同，通過法蘭盤端面和抱瓦子口構(gòu)造傳力，據(jù)試驗，采用這種連接構(gòu)造最大可傳遞多達(dá)200t的軸力，因此采用該類接頭的塔機(jī)通常為大型或超大型塔機(jī)。

圖13 銷軸連接接頭五

圖14 瓦套連接接頭

3 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計及選型注意事項

在結(jié)構(gòu)有限元軟件十分普及的今天，和以往傳統(tǒng)的手算相比，對塔機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行電算分析也并非是很困難復(fù)雜的工作。眾所周知，節(jié)點設(shè)計是鋼結(jié)構(gòu)計算中的重點和難點，而塔機(jī)塔身接頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且活動可拆卸，更是節(jié)點設(shè)計中的重中之重：塔身整體結(jié)構(gòu)的電算可選擇合適且相對簡單的梁桿單元進(jìn)行有限元簡化計算，而要進(jìn)一步對接頭進(jìn)行更為詳細(xì)深入的細(xì)部計算，需建立較為復(fù)雜的三維實體單元模型，再加上目前在螺栓連接、銷軸連接等方面的理論研究仍存在較大的爭議，至今沒有定論，完善的計算方法還在不斷摸索中，從而無法驗證有限元計算結(jié)果的正確性，因此在接頭設(shè)計上，應(yīng)在不斷總結(jié)吸收以往成熟經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，采取手算和電算相結(jié)合的辦法進(jìn)行對比分析。

塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿及接頭承受載荷的大小及方向是變化的，產(chǎn)生的應(yīng)力為交變應(yīng)力，直接影響到塔身及整機(jī)的疲勞壽命；在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿與接頭過渡連接處，其截面變化明顯，必然存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，按照相關(guān)規(guī)范的要求，對包括接頭在內(nèi)的塔身進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計算顯得尤為重要。為了防止結(jié)構(gòu)疲勞破壞，在一些關(guān)鍵部位應(yīng)采取適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施，盡可能減小甚至消除應(yīng)力集中。

塔機(jī)塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的安裝與拆卸為高空作業(yè)，且較為頻繁。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，安裝、拆卸時發(fā)生的事故在塔機(jī)事故中占有很大的比例，且絕大多發(fā)生在增加或拆卸塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)前后，因此，接頭的設(shè)計選型應(yīng)在保證受力符合規(guī)范的前提下，把安全放在第一位。在結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計上，應(yīng)注意精打細(xì)算，精益求精，節(jié)點構(gòu)造力求更為簡潔，盡可能減少零部件的數(shù)量及重量。在外觀處理上，不應(yīng)強(qiáng)求對稱美觀和工藝方便。

4 結(jié) 語

塔機(jī)塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)接頭結(jié)構(gòu)型式的選擇及設(shè)計沒有一成不變的固定模式，應(yīng)根據(jù)塔機(jī)的類型、用途、起重性能、產(chǎn)品定位及遠(yuǎn)景規(guī)劃，并汲取以往經(jīng)驗等因素綜合考慮、衡量，尤其要根據(jù)生產(chǎn)廠家自身現(xiàn)有的制造條件，以及工藝性、經(jīng)濟(jì)性等方面因素全面權(quán)衡和綜合分析，并結(jié)合產(chǎn)品系列化、模塊化的要求，再做出最終選擇。

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（編輯 賈澤輝）

［中圖分類號］TU212；TH213.3

［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)03-0036-05

［收稿日期］2015-01-25

Analysis of tower crane standard section joint structure