李康敏 徐雅瀾 耿冠秋 陳珂

摘 要：本文對(duì)塔式起重機(jī)進(jìn)行研究，根據(jù)各結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立塔式起重機(jī)仿真模型。然后考慮風(fēng)荷載作用，將風(fēng)載量化到各個(gè)部件的單元節(jié)點(diǎn)上，施加起重載荷和位移約束求解。分析結(jié)果，該塔式起重機(jī)性能優(yōu)良，安全穩(wěn)定。這對(duì)大型塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性設(shè)計(jì)將有重要意義。

關(guān)鍵詞：塔式起重機(jī)；有限元；風(fēng)載荷

引言

近年來(lái)，隨著建筑行業(yè)快速發(fā)展，塔式起重機(jī)得到廣泛的推廣。塔式起重機(jī)的推廣使用，較大提高了工作效率，為施工創(chuàng)造了安全的工作環(huán)境。然而，工作效率提高的同時(shí)，塔式起重機(jī)也帶來(lái)了一定的機(jī)械危險(xiǎn)。為此，國(guó)內(nèi)已開(kāi)始重視在使用新型材料、新型工藝和新型技術(shù)的同時(shí)，研究安全穩(wěn)定技術(shù)，減少不安全因素，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

目前，塔機(jī)不斷向大型化發(fā)展，且主要以工作經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主，雖滿足基本工作要求，但自重大和穩(wěn)定性差。本文通過(guò)對(duì)塔式起重機(jī)建模分析，得出其穩(wěn)定性及安全性的結(jié)論。

一、塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

起重機(jī)的底架被固于專用的混凝土基礎(chǔ)上，其上部與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連結(jié)，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)最上端與回轉(zhuǎn)中心的下轉(zhuǎn)臺(tái)連接，下轉(zhuǎn)臺(tái)與回轉(zhuǎn)支承外圈連接?；剞D(zhuǎn)支承內(nèi)圈上的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，包括回轉(zhuǎn)上轉(zhuǎn)臺(tái)、平衡臂、起重臂、塔帽、變幅小車與吊鉤、起升機(jī)構(gòu)、平衡重、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及操縱室等，這些部件均通過(guò)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以在水平面內(nèi)作500度的全回轉(zhuǎn)。

起重臂根部與上轉(zhuǎn)臺(tái)用鉸鏈連接，且兩根起重臂拉桿與塔帽連接。平衡臂根部與上轉(zhuǎn)臺(tái)用銷軸連接，也用兩根拉桿與塔帽相連。

塔式起重機(jī)是一種常見(jiàn)的施工起重結(jié)構(gòu)，按結(jié)構(gòu)類型可分為動(dòng)臂式和靜臂式。由于塔式起重機(jī)塔身較高，受到風(fēng)載荷作用較大，因此對(duì)其安全性和可靠性的分析和評(píng)價(jià)是確保其在服役年限內(nèi)正常使用的重要環(huán)節(jié)。

二、起重機(jī)仿真建模

塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)部分主要有底架、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、下轉(zhuǎn)臺(tái)、回轉(zhuǎn)支承、上轉(zhuǎn)臺(tái)、塔帽、平衡臂、司機(jī)室、起重臂、變幅小車、拉桿等。

（1）塔身由標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組成。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)呈長(zhǎng)方形空間桁架結(jié)構(gòu)，是由角鋼組焊而成，四周為主角鋼，其余角鋼為副角鋼。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)內(nèi)部都設(shè)有與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)等長(zhǎng)的爬梯，因不受力，模型中忽略爬梯。

（2）起重臂橫截面為等腰三角形平面桁架結(jié)構(gòu)，斜腹桿和水平斜腹桿為無(wú)縫鋼管。上弦桿為鋼管，兩根下弦桿為實(shí)心方管，下弦桿的上表面及側(cè)面，安裝使用時(shí)須保證分別平整，以使變幅小車平穩(wěn)移動(dòng)。起重臂整體分為內(nèi)跨、外跨和外伸段三部分。

（3）回轉(zhuǎn)臺(tái)由上轉(zhuǎn)臺(tái)和下轉(zhuǎn)臺(tái)兩部分組成。下轉(zhuǎn)臺(tái)與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)材料相同，上轉(zhuǎn)臺(tái)的上部分由實(shí)心方管等組焊而成，其頂部四角用銷軸與塔帽連接，兩側(cè)分別與起重臂和平衡臂用鉸鏈連接。對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略回轉(zhuǎn)支撐。

（4）塔帽是由角鋼組焊而成的空間桁架結(jié)構(gòu)，且與塔身角鋼材料相同，底部與回轉(zhuǎn)塔身連接，頂部設(shè)有鉸支座，分別與平衡臂拉桿、起重臂拉桿鉸接。

（5）平衡臂是由工字鋼和鋼棒組焊而成的平面桁架結(jié)構(gòu)，臂的尾端放置混凝土平衡重，臂的上平面設(shè)有行走平臺(tái)，用于檢修和安裝，行走平臺(tái)的兩側(cè)設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)護(hù)欄，材料為鋼棒。后端通過(guò)兩根鋼索與塔帽連接，前端用銷軸與上轉(zhuǎn)臺(tái)連接。

（6）司機(jī)室設(shè)置在回轉(zhuǎn)塔身的左前方，它的右前方為起重臂，右后方為平衡臂，操縱室內(nèi)寬敞明亮，視野開(kāi)闊，便于對(duì)地面實(shí)施操作。因?yàn)樗緳C(jī)室重量遠(yuǎn)小于自重，所以忽略其對(duì)整體模型的影響。

（7）測(cè)拉桿的目的為提高塔身的穩(wěn)定性，將塔身固定在建筑物上，本模型假設(shè)側(cè)拉桿為固定約束。

（8）塔架下端、斜撐桿與地面混凝土為固定約束。

三、風(fēng)載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

1.風(fēng)載荷計(jì)算

塔機(jī)一般在露天環(huán)境下工作，且塔身較高，受風(fēng)荷載影響較大，所以必須考慮風(fēng)荷載的作用。風(fēng)載為任意方向作用的水平力，假設(shè)風(fēng)載作用于塔機(jī)的一面。風(fēng)載分為工作狀態(tài)風(fēng)載和非工作狀態(tài)風(fēng)載，工作狀態(tài)風(fēng)載是指塔式起重機(jī)在正常工作情況下所能承受的最大計(jì)算風(fēng)力。本文手動(dòng)計(jì)算風(fēng)載荷，根據(jù)構(gòu)件側(cè)面積計(jì)算出所受風(fēng)力，然后按最不利方向平均施加在節(jié)點(diǎn)上。最大風(fēng)載荷計(jì)算如下表：

塔機(jī)上位置 面積約/M2 所受力/N 節(jié)點(diǎn)數(shù) 各節(jié)點(diǎn)所受力/N

塔身 25 8000 240 42

塔帽 5 1500 33 50

平衡臂 5 1500 16 100

起重臂 20 6000 120 50

2.施加荷載求解

在起重臂端點(diǎn)位置加2t的重物，由于移動(dòng)小車有四個(gè)輪，根據(jù)圣維南原理和虛功原理可得，由于臂長(zhǎng)遠(yuǎn)大于小車長(zhǎng)度，因此將外載荷平均分配到小車附近的4個(gè)節(jié)點(diǎn)上，這樣僅對(duì)作用點(diǎn)臨近的應(yīng)力有影響，對(duì)整體結(jié)構(gòu)受力情況沒(méi)有影響所以將20000N力近似作用在四個(gè)節(jié)點(diǎn)上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)承受5000N。

3.結(jié)果分析

在最大風(fēng)載作用下，起重臂端點(diǎn)處位移最大為43cm，通過(guò)計(jì)算，轉(zhuǎn)角約0.5度，滿足使用要求。最大應(yīng)力發(fā)生在起重臂根部，且最大為95MPa，比自重下大5MPa，與實(shí)際情況相符合。所以該結(jié)構(gòu)在最大風(fēng)載作用下是安全可靠的。

分析塔身和塔頂應(yīng)力分布圖可得，塔頂靠近起重臂方向處應(yīng)力較大，但遠(yuǎn)小于極限強(qiáng)度，所以結(jié)構(gòu)安全且應(yīng)該加強(qiáng)塔頂與塔身靠近起重臂方向的主撐桿的剛度。

四、結(jié)論

①綜合以上分析，QTZ40塔機(jī)各項(xiàng)參數(shù)均滿足極限要求。最大應(yīng)力為110兆帕，低于極限強(qiáng)度。最大位移42cm，小于極限位移。該機(jī)性能優(yōu)良可靠，造型美觀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，是先進(jìn)的安全起重機(jī)。

②有限元分析模型的優(yōu)點(diǎn)是可以更精確的建立仿真建模，該軟件由靈活的、多個(gè)可擴(kuò)展的模塊組成，因此可以滿足各行業(yè)的工程計(jì)算需要。

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（作者單位：武漢科技大學(xué)理學(xué)院）