范開英，沈蘭華，史海紅

（山東豐匯設備技術(shù)有限公司，山東 濟南 250200）

平頭塔機起重臂下主弦桿設計計算方法的研究

范開英，沈蘭華，史海紅

（山東豐匯設備技術(shù)有限公司，山東 濟南 250200）

隨著建設項目對起重量和幅度越來越高的要求，平頭塔機應用越來越廣泛。在對整機影響最大的起重臂設計時，精確的設計計算結(jié)果對節(jié)約成本意義重大。本文為平頭塔機局部理論設計特別是起重臂下主弦桿總結(jié)了清晰的計算思路，分析了理論計算與有限元分析結(jié)果的差異性，并提出了一些優(yōu)化控制方法。

平頭式塔式起重機；起重臂；下主弦桿；設計

與傳統(tǒng)帶塔帽和拉桿的平臂塔機相比，平頭塔機因其構(gòu)造的不同有著得天獨厚的優(yōu)勢［1］：它可以降低拆裝塔機對所需起重設備的要求；因塔群交叉作業(yè)總體高度可大大降低，尤其適合于群塔交叉作業(yè)；吊臂鋼結(jié)構(gòu)壽命長、安全性高。平頭塔機目前在電站建設等大型項目上應用越來越多，對其構(gòu)造的經(jīng)濟性分析也十分重要。

平頭塔機起重臂自重對平衡臂和塔身設計有較大影響，如果起重臂自重增加10%，則一般平衡臂增加10%，塔身增加5%，導致整機重量大幅增加。每減少1t起重臂重量，大約可減少0.5t平衡臂、1t平衡重、3～5t塔身材料。因此起重臂的精確設計在平頭塔機設計中非常重要。然而在對起重臂進行設計計算時，發(fā)現(xiàn)起重臂下主弦桿有限元軟件分析結(jié)果與手工計算結(jié)果相差較大，往往手工計算合格時，有限元分析結(jié)果卻不滿足要求。

1 起重臂下主弦設計計算

采用倒三角結(jié)構(gòu)，小車在起重臂的下主弦桿工字鋼上行走。起重臂為桁架懸臂結(jié)構(gòu)，下主弦桿設計校核分為三種工況。

1）起升載荷在起重臂最大幅度，下主弦桿軸力由自重彎矩和起升載荷彎矩組合而成。

式中 MGj——計算節(jié)數(shù)j節(jié)的自重力矩；

MQj—— 計算節(jié)數(shù)j節(jié)的起升載荷力矩，Q70對應的為遠端載荷，此MQj為起升載荷能產(chǎn)生的最大力矩；

Gi——計算節(jié)數(shù)i節(jié)的自重載荷；

Li——計算節(jié)數(shù)i節(jié)的自重重心；

Lj——計算節(jié)數(shù)j節(jié)的計算位置；

Nj——計算節(jié)數(shù)j節(jié)的下主弦桿載荷。由起升特性可知，各幅度起升載荷對塔身產(chǎn)生的力矩相同，即

起重臂在任意載荷作用下的各處彎矩為

由此可知對起重臂各位置，力矩最大值為最大幅度起升載荷產(chǎn)生力矩。因此在取起升載荷的力矩時統(tǒng)一選取最大幅度的起升載荷在各處引起的彎矩即可。通過對應力的控制，可計算出下主弦桿的截面積。

2）小車在下主弦桿節(jié)間某處，下主弦桿承受自重彎矩引起的軸壓力，節(jié)間跨中彎矩引起的工字鋼上翼緣板的局部彎曲應力共同作用。

3）小車在下主弦桿節(jié)點處時，小車局部輪壓引起的工字鋼下翼緣板的局部彎曲應力最大值為

起重臂下主弦桿工字鋼為左右對稱結(jié)構(gòu)，在設計時共有6個未知參數(shù)。腹板高度由車輪高度決定，下翼緣板寬度由車輪間距決定；當起重臂腹桿截面確定后，腹桿在上翼緣板布置時，為避免焊縫集中，通常會錯開焊接，上翼緣板最小寬度確定。由工況一可計算出下主弦桿的總截面積，由工況二可校核出上翼緣板的厚度是否滿足上翼緣板局部抗彎要求；由工況三可校核出下翼緣板的厚度是否滿足局部輪壓要求；對選擇好的截面，還要校核翼緣板和腹板的構(gòu)造穩(wěn)定性要求；至此下主弦桿工字鋼截面確定。

2 起重臂下主弦桿有限元分析

起重臂為桁架結(jié)構(gòu)，建模時選用Beam188單元［2］，它適合于分析從細長到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)，該單元基于鐵木辛哥梁結(jié)構(gòu)理論，并考慮了剪切變形的影響。由于起重臂各節(jié)工字鋼截面的型心高度不一致，在手工計算時通常忽略這一問題。另外由于上翼緣板的寬度很小，起重臂各節(jié)腹桿的交點并不在同一條直線上。為保持與設計計算統(tǒng)一，選取斜腹桿交點在同一條中心線上，起重臂下主弦桿根據(jù)實際情況調(diào)整高度，使下翼緣板上表面在同一水平面上。在梁單元偏心設置時，調(diào)整量為下翼緣板厚度和一半腹板高度之和。

QTZ1200塔機起重臂根部梁高3 000mm，最大幅度70m，起升性能13.1t，小車吊鉤及鋼絲繩重量共計5.5t，按規(guī)范計算得起升載荷為21.5t，在起重臂下主弦桿70m小車作用處加載。根據(jù)起重臂實際重量設置密度為9 360kg/m3。起重臂根部約束按Y向鉸接，其余固定約束計算。計算結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 起重臂Y軸方向局部彎矩圖

圖2 起重臂Von應力結(jié)果圖

3 理論計算和有限元結(jié)果比較

從計算表中可以看出，設計校核計算的結(jié)果“下主弦桿理論軸力”與Ansys建模計算的結(jié)果“模型計算軸力”基本相同，誤差在3%以內(nèi)，這是因為實際局部情況與模型結(jié)構(gòu)均勻的自重情況略有差異，這些誤差可以忽略。

考慮第四強度理論-形狀改變比能理論，Ansys模型計算出來的馮氏應力即表格中的“模型綜合應力”與軸應力比較則大很多，一般在10%～15%左右，而傳統(tǒng)的設計計算方法目前則無法計算此項。通過另一種有限元分析軟件SAP84的分析，此彎矩是確實存在的，而且兩種有限元軟件分析的結(jié)論基本相同，所以只靠傳統(tǒng)設計計算方法存在設計隱患。

表1 起重臂理論計算與有限元結(jié)果對比

4 局部彎矩影響的優(yōu)化

根據(jù)起重臂下主弦桿設計計算可知，起重臂各節(jié)截面積差距較大，為統(tǒng)一車輪，上下翼緣板面積也各不相同，形心差從節(jié)1到節(jié)6依次為 2.5，-18.6，-15.5，-12.4，-22，-48，局部彎矩引起的應力誤差與形心分布沒有明顯的關系，但形心下移似乎對減小應力有好處。

經(jīng)模型反復調(diào)整比較，桁架高度減少60mm，下主弦桿結(jié)構(gòu)向桁架中心線以下調(diào)60mm，此時下主弦桿的軸力雖有增大，但局部彎矩顯著減少，綜合應力略有下降。

5 結(jié) 論

本文總結(jié)了平頭塔機起重臂下主弦桿設計計算中應注意的問題，明確了工字鋼截面各參數(shù)的設計和校核原則。綜合上述分析，起重臂下主弦桿的設計要考慮的因素如下。

1）工字鋼截面積為求解參數(shù)，下翼緣板寬和腹板高度為公共結(jié)構(gòu)參數(shù)；上翼緣板寬度、厚度為腹桿構(gòu)造要求和局部彎矩校核參數(shù)；下翼緣板厚度為局部輪壓校核參數(shù)。

2）傳統(tǒng)的設計計算結(jié)果不能完全體現(xiàn)起重臂下主弦桿的受力情況，設計之初應預留15%的余量，以保證在局部彎矩的影響下起重臂強度仍能滿足要求。

3）有限元建模時應考慮形心位置的影響，雖然實際中形心變化是不可避免的，但可以利用腹桿對桁架高度的變化減少其對局部彎矩的影響。

［1］常曉華，王春華.塔式起重機起重臂危險點的確定［J］.建筑機械化，2006，（10）：21-23.

［2］任會禮，李江波，高崇仁.基于ANSYS的塔式起重機臂架有限元參數(shù)化建模與分析［J］.起重運輸機械，2005，（9）：11-13.

［3］張志文.起重機設計手冊（第一版）［M］.北京：中國鐵道出版社，2001.

（編輯 賈澤輝）

Research of design and calculation method of main chord member under the fl at head tower crane boom

FAN Kai-ying， SHEN Lan-hua， SHI Hai-hong

TH212；TH213.3

B

1001-1366（2015）08-0039-03

2015-05-09