劉學禮

摘要：塔式起重機結(jié)構(gòu)振動特性，對確保其在實際工程中的安全運行以及提高工作效率至關(guān)重要。采用數(shù)值模擬方法，建立塔式起重機三維有限元數(shù)值模型，探究了在x、y、z方向上起重臂端部及塔身頂部節(jié)點的振動響應，并分析小車與起重機回轉(zhuǎn)中心不同距離及不同貨物質(zhì)量，對起重機結(jié)構(gòu)振動特性的影響。研究結(jié)果表明：在塔式起重機起升貨物過程中，起重臂端部節(jié)點和塔身頂部節(jié)點分別在y方向上和x方向上振動響應較為強烈。隨著小車與回轉(zhuǎn)中心距離和貨物質(zhì)量的增加，起重臂端部節(jié)點和塔身頂部節(jié)點的振動周期與振幅均增大。

關(guān)鍵詞：塔式起重機；結(jié)構(gòu)；振動特性；數(shù)值模擬

0? ?引言

塔式起重機作為一種重要的建筑工程設(shè)備，在建筑工地、港口、碼頭等工業(yè)場所中得到了廣泛應用[1]。然而，隨著起重機的規(guī)模不斷增大和工作條件的多樣化，在塔式起重機運行過程中，由風荷載、操作誤差、負載變化等因素引起的振動問題，會對其性能、穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生不利影響[2-3]。因此，探究塔式起重機的結(jié)構(gòu)振動特性具有重要的實際工程意義。

目前，已經(jīng)有多位學者針對塔式起重機振動特性開展了相關(guān)研究，王積永等[4]使用Ansys有限元軟件對塔式起重機塔身進行建模，以實體模型為基準，研究了變截面梁單元模型的準確性和可行性，并分析了多節(jié)變截面梁單元方管塔身的受力情況。任會禮等[5]通過通用編程語言編寫程序，根據(jù)輸入?yún)?shù)自動生成有限元建模和分析所需的參數(shù)化文件，以塔機臂架結(jié)構(gòu)為案例驗證了該方法的可行性。賀尚紅等[6]開發(fā)了基于ABAQUS二次開發(fā)接口和Python腳本語言的參數(shù)化計算平臺軟件，通過與現(xiàn)場應力測試試驗的比對，驗證了該計算平臺的準確性和可行性。

在現(xiàn)有研究中，針對塔式起重機在起重過程中的結(jié)構(gòu)振動特性研究較少，不同因素對整機結(jié)構(gòu)振動的影響尚不明確。鑒于此，本文對塔式起重機在起重過程中結(jié)構(gòu)振動特性開展研究，研究成果可為降低振動對塔式起重機的損耗，提高其使用壽命提供有益指導。

1? ?數(shù)值模型及材料參數(shù)

本研究依托某建筑工程項目，以塔式起重機為研究對象，基于塔式起重機各桿件實際尺寸，通過由點到面，由面至體的步驟自下而上建立該塔式起重機三維有限元數(shù)值模型，在建模過程中應準確地建立起重機主要的結(jié)構(gòu)部件，如塔身、吊臂、鋼絲繩等，模型網(wǎng)格由軟件自動劃分。

起重機機身鋼材型號為Q345B，其泊松比為0.3，密度為7.84×103kg/m3，彈性模量為2.07×105MPa，起重機相關(guān)參數(shù)如表1所示。

2? ?塔式起重機載荷分析

塔式起重機自重主要源于結(jié)構(gòu)框架、配重、驅(qū)動系統(tǒng)和電氣設(shè)備及附件和附加設(shè)備，在實際工程中，塔式起重機會受到動載的影響，如吊鉤下降或物體吊起時的沖擊力。這將導致結(jié)構(gòu)受力更加復雜，需要考慮沖擊系數(shù)來應對這種不穩(wěn)定性：

PG=Gφ1? ? ? ? ?（1）

式中：PG為自重載荷，φ1為沖擊系數(shù)，G為起重機自重。

起升動載荷是指在起重機進行吊運操作時，被吊物的實際質(zhì)量以及與吊運相關(guān)的動態(tài)因素，如起升速度、加速度、慣性力等所組成的載荷。在工程中為了考慮起升動載荷的影響，引入了起升動載系數(shù)。起升動載系數(shù)是一個修正系數(shù)，將該系數(shù)乘以吊物的靜態(tài)質(zhì)量，以分析起升過程中的動態(tài)荷載效應：

Pd=PQφ2? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：Pd和PQ分別為起升載荷和貨物總重，φ2為起升動載系數(shù)。

風載荷是重要的外部因素，嚴重影響塔式起重機的穩(wěn)定性和安全性，強風可以導致起重機出現(xiàn)晃動、傾斜甚至倒塌。風載荷按下式計算：

PW=CWKhqA? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：PW和CW分別表示風載荷與風力系數(shù)，Kh為風壓高度系數(shù)，A為迎風面積，q為計算風壓。

3? ?模擬結(jié)果分析

3.1? ?結(jié)構(gòu)振動特性分析

基于塔式起重機提升貨物力矩曲線，將移動荷載施加在距離起重機回轉(zhuǎn)中心20m處，模擬小車在0.5m/s的速度下提升重3t的重物，探究起重機在提升貨物過程中x、y、z方向上起重臂端部與塔身頂部的振動響應。

3.1.1? ?塔身頂部位移

在提升貨物過程中，塔身頂部位移曲線如圖1所示。由圖1可知，在x、y、z方向上塔身頂部的振幅分別是44.4mm、4.08mm和0mm，在x、y方向上的振動周期分別為2.2s和4.7s，表明起重機在提升貨物過程中塔身頂部在x方向上振動最為強烈。

隨著貨物提升高度的增加，塔身頂部節(jié)點振動周期逐漸增加，振幅逐漸降低。這是由于隨著貨物提升高度的增加，起重機的負載和慣性力增加，導致振動系統(tǒng)的自然振動頻率發(fā)生變化。當負載增加時，振動周期增加，這是因為負載的增加會使振動系統(tǒng)的有效質(zhì)量增加，從而降低了振動頻率。此外，振幅逐漸降低是因為額外的負載和慣性力吸收振動能量，減小了振動的振幅。

3.1.2? ?起重臂端部位移

貨物提升過程中，塔式起重機起重臂端部位移曲線如圖2所示。由圖2可知，起重臂端部在x、y、z向上的振動幅度分別為61.2mm、451.8mm和0mm。在y方向上的振動周期為2.2s，表明在塔式起重機提升貨物過程中在y方向上起重臂端振動響應最強烈。

分析認為，這主要是由于y方向是起重臂的主要受力方向，起重臂受到的荷載最大，y方向上的振動容易受到懸掛系統(tǒng)的不平衡和貨物運動引起的沖擊力的影響，增加了振幅。相反，在x和z方向上，受力較少且較均勻，因此振動響應較弱。與塔身頂部振動響應相同，在貨物提升高度不斷增加的過程中，起重臂端部振動周期增加，振幅降低。

由上述分析可知，塔身頂部節(jié)點和起重臂端部節(jié)點分別在x方向、y方向上振動響應較為強烈，因此下文以起重臂端部節(jié)點在y方向及在x方向上塔身頂部節(jié)點振動響應為研究對象，探究小車位置及貨物質(zhì)量對起重機振動響應特性的影響。

3.2? ?小車位置對結(jié)構(gòu)振動的影響

3.2.1? ?不同小車位置時塔身頂部節(jié)點位移

圖3是小車距離起重機回轉(zhuǎn)中心20m和30m時在x方向上塔身頂部節(jié)點的振動響應。由圖3可知，小車與回轉(zhuǎn)中心距離為20m和30m時，塔身頂部的振動周期分別為2.1s和2.2s，振幅分別為44mm和74.66mm，表明隨著小車距離回轉(zhuǎn)中心距離的增加，塔身頂部節(jié)點的振動周期與振幅增大。

分析認為，這是由于隨著小車與回轉(zhuǎn)中心距離的增加，塔身受到的桿件彎曲力矩增大，導致結(jié)構(gòu)的剛度降低，使得振動周期變長。振動周期增加，使得結(jié)構(gòu)在單位時間內(nèi)振動的次數(shù)減少，從而導致振幅增大。

3.2.2? ?不同小車位置時起重臂端部節(jié)點位移

不同小車位置起重臂端部節(jié)點位移曲線如圖4所示。觀察圖4可知，在貨物提升過程中，在y方向上起重臂端部節(jié)點在小車距離起重機回轉(zhuǎn)中心20m和30m時，振幅分別為459.93mm和868.95mm，振動周期分別為2.1s和2.2s。隨著小車與起重機回轉(zhuǎn)中心距離的增加，起重臂端部節(jié)點在y方向上的振動周期和振幅同樣呈現(xiàn)出增大的趨勢。

分析認為，當小車與回轉(zhuǎn)中心距離增加時，起重臂端部所承受的離心力矩增大，使得振動周期延長，同時增大了振幅，較長的桿臂放大了結(jié)構(gòu)中的力和振動。

3.3? ?貨物質(zhì)量對結(jié)構(gòu)振動的影響

3.3.1? ?不同貨物質(zhì)量時塔身頂部節(jié)點位移

塔式起重機提升不同質(zhì)量貨物過程中，在x方向上塔身頂部節(jié)點的振動響應如圖5所示。從圖5可以看出，隨著貨物質(zhì)量的增加，塔身頂部節(jié)點的振動周期及振幅增大。其中，在3t貨物質(zhì)量下，塔身頂部節(jié)點的振幅和振動周期分別為43.95mm和2.1s。在4t貨物質(zhì)量下，塔身頂部節(jié)點的振幅和振動周期分別為64.76mm和2.2s。

分析認為，當提升的貨物質(zhì)量增加時，塔身受到更大的靜態(tài)載荷作用，導致其發(fā)生彎曲，從而增加了振動周期。此外，貨物的質(zhì)量也會引起塔身的慣性力增加，導致動態(tài)振幅增大。

3.3.2? ?不同貨物質(zhì)量時起重臂端部節(jié)點位移

圖6是不同貨物質(zhì)量時起重臂端部節(jié)點位移曲線。從圖6可以看出，隨著起重機提升貨物質(zhì)量的增大，起重臂端部的振動周期及振幅增大，在3t貨物質(zhì)量下，起重臂端部節(jié)點的振幅及振動周期分別為477.2mm和2.1s。在4t貨物質(zhì)量下，起重臂端部節(jié)點的振幅及振動周期分別為683.65mm和2.2s。

分析認為，隨著貨物質(zhì)量的增大，所需的力矩也隨之增加，導致起重臂端部節(jié)點受到的力矩作用增大，引起起重臂的彎曲變形，從而增大了在y方向上的振動周期和振幅。

4? ?結(jié)束語

本研究采用數(shù)值模擬方法，對塔式起重機在起升貨物過程中的結(jié)構(gòu)振動特性開展研究，并探究了小車位置及貨物質(zhì)量的影響，得出以下結(jié)論：

在塔式起重機起升貨物過程中，起重臂端部節(jié)點和塔身頂部節(jié)點分別在x方向上和y方向上振動響應較為強烈。隨著貨物提升高度的增加，起重臂端部節(jié)點和塔身頂部節(jié)點的振動周期均逐漸增加，振幅逐漸降低。

隨著小車距離回轉(zhuǎn)中心距離的增加，塔身頂部節(jié)點和起重臂端部節(jié)點的振動周期與振幅均增大。在小車距離起重機回轉(zhuǎn)中30m時塔身頂部節(jié)點和起重臂端部節(jié)點振動周期均為2.2s，振幅分別為74.66mm和868.95mm。

隨著貨物質(zhì)量的增加，起重臂端部節(jié)點在y方向和在x方向塔身頂部節(jié)點的振動周期及振幅均增大。在4t貨物質(zhì)量下，塔身頂部節(jié)點和起重臂端部節(jié)點振動周期均為2.2s，振幅分別為64.76mm和683.65mm。

參考文獻

[1] 姜德強.建筑施工塔吊倒塌安全事故分析與安全管理探究

[J].珠江水運，2021（15）：29-30.

[2] 陸念力，夏擁軍，劍明思.塔式起重機結(jié)構(gòu)動態(tài)分析的兩種

有限元模型及比較[J].建筑機械，2002（11）：49-51+4.

[3] 王駿，韋磊.基于APDL的纜車架參數(shù)化建模與仿真[J].機

電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2022，35（3）：51-53+73.

[4] 王積永，謝昌省，王忠雷，等.變截面梁單元方管塔身有限

元參數(shù)化建模與分析[J].起重運輸機械，2021（18）：41-46.

[5] 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，2006（9）：11-13.

[6] 賀尚紅，劉小恒，歐陽旭，等.塔式起重機臂架參數(shù)化建模

與應力分析[J].建設(shè)機械技術(shù)與管理，2020，33（6）：123-128.