風載對塔式起重機安全性能影響的有限元分析

何君儒，江五貴，劉志云，閔旭光-

風載對塔式起重機安全性能影響的有限元分析

何君儒1，*江五貴1，劉志云2，閔旭光-3

(1. 南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，江西，南昌 330063;2. 江西省特種設(shè)備檢驗檢測研究院，江西，南昌 330046; 3.江西科技師范大學(xué)機械電子工程系，江西，南昌 330038）

塔式起重機由于其高效、便捷的工作特點，在建筑領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為建筑業(yè)的重要工具。由于塔式起重機大多數(shù)都是在室外環(huán)境中工作，因此外部環(huán)境尤其是風荷載的影響就顯得特別重要。為此，本文通過對無風和不同風級工作環(huán)境下的塔式起重機進行了有限元分析，結(jié)果表明風載荷對塔式起重機械的安全性能具有重要的影響。當風速達到五級后，塔機處于危險狀態(tài)，必須做好預(yù)防工作，而當風速為六級及六級以上時，塔機處于極不不安全的工作狀態(tài)，必須停止作業(yè)。

塔式起重機；風載荷；安全性能；有限元

塔式起重機（簡稱塔機）因具有工作效率高、操作方便以及便于拆卸、安裝和運輸?shù)葍?yōu)點在建筑行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，成為一種必不可少的機械裝備。隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大發(fā)展，塔機的使用也越來越多。為保證生產(chǎn)建設(shè)的正常和安全運行，塔機在使用過程中的鋼結(jié)構(gòu)的安全性的評估就更加必不可少。而根據(jù)塔式起重機安全操作規(guī)程標準規(guī)定，塔機在六級及六級以上大風塔機必須要停止工作[1]，因此對于在江河上施工的塔機來說，風荷載是一個非常重要的安全影響因素。

目前，針對塔式起重機的結(jié)構(gòu)安全分析涌現(xiàn)了不少實驗和研究。肖曉暉等[2]利用雨流計數(shù)法和實際統(tǒng)計編制了塔機各部件的載荷譜。鄭海斌等[3]通過對塔機起重臂進行有限元分析得到了起重臂的振型和位移響應(yīng)時間歷程。翟甲昌等對塔式起重機整體結(jié)構(gòu)進行靜力分析獲得了整體應(yīng)力分布。孟憲頤和侯沂等對塔式起重機鋼結(jié)構(gòu)進行了疲勞壽命研究。這些研究主要集中在疲勞壽命估算和金屬結(jié)構(gòu)疲勞等方面，并沒有涉及到風荷載的影響?；诖?，本文采用有限元軟件ABAQUS建立塔機的有限元模型，預(yù)測塔機在不同風級和工況下的應(yīng)力分布情況，為塔機在大風環(huán)境下的安全性操作提供理論基礎(chǔ)。

1 有限元建模

本文基于ABAQUS/CAE，以江河上最常見的工作塔機QTZ630為原型，建立塔機的有限元模型。根據(jù)設(shè)計規(guī)范的規(guī)定，塔機必須在材料的彈性范圍內(nèi)工作，所以一般情況下對塔機的分析只要求對其進行線性分析，不考慮非線性因素。建立模型時研究對象要能夠全面和準確地反映塔機金屬結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的應(yīng)力和變形特點[4-6]。由于本文主要分析塔機機構(gòu)的整體應(yīng)力變化，在用有限元建模時采用二維梁桿單元來建立塔式起重機的模型，在建模時對其機構(gòu)進行如下簡化：（1）由于回轉(zhuǎn)支承機構(gòu)的等部件相對整個塔機來說比較小，而剛度比較大且質(zhì)量集中，所以當對塔機進行整體分析時，可以將回轉(zhuǎn)機構(gòu)等實體部件采用梁單元進行等效替代，使整個塔機只含有梁單元，避免了梁單元和板殼單元的因自由度不同而造成的連接問題。（2）根據(jù)塔機結(jié)構(gòu)的特征，把塔身、平衡臂、及起重臂主要機構(gòu)處理為梁單元，起重臂拉桿和平衡臂拉桿主要是承受拉力，在有限元分析中可選用三維桿件單元進行模擬。塔身的底部加固定約束，約束六個方向的自由度。在回轉(zhuǎn)機構(gòu)處采用運動耦合約束，使被約束區(qū)域內(nèi)的節(jié)點不會發(fā)生相對位移。表1列出了塔機各部件所使用的材料，相應(yīng)的材料參數(shù)如表2所示。

表1 塔機各部件型材參數(shù)

表2 材料參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 無風環(huán)境下工作的塔機安全性能分析

由塔機的起升性能曲線[7]可知，在對塔機機構(gòu)進行分析時不可能將所有的起升工況進行分析計算。考慮到塔機的實際工作情況，本文選擇三種常用的工況作為結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析工況，如表3所示，具體的加載部位參見圖1。

表3 三種典型代表工況

圖1分別給出了三種工況下塔機整體機構(gòu)的應(yīng)力分布圖。由圖1可知，各種工況下的最大應(yīng)力依次分別為:59.78、71.36和128.3 MPa, 三種工況下的最大工作應(yīng)力均小于Q235碳鋼的許用應(yīng)力 156 MPa（如表2）, 這說明該塔式起重機在無風環(huán)境下服役的原始強度設(shè)計是滿足要求的。

3.2 風載下工作的塔機安全性能分析

對于在江河上作業(yè)的起重機來說，由于氣候條件變化的不確定性，各種大風時有發(fā)生，而風載荷可以導(dǎo)致起重機發(fā)生疲勞破壞、大位移或者變形，容易引發(fā)安全事故，所以有必要對這種極限大風狀態(tài)下工作的起重機進行力學(xué)分析，確定其安全性能。

在江面上六七級大風時有發(fā)生，為了保證分析的適用性，取六級大風為代表風載進行分析。風荷載的計算公式如下[8]：

按照載荷規(guī)范(GBJ 9-87)，風荷載標準值的計算公式為：

本文進行線載荷進行加載，先進行面載荷計算然后轉(zhuǎn)換成線載荷進行加載。6級風的風速為11 m/s，風壓為0.2 kN/m2，通過公式(1)(2)(3)計算可得到塔機在六級大風下的載荷。本文主要考慮在工作時天氣突然發(fā)生變化時塔機的應(yīng)力變化情況，所以將表3所述的三種典型代表工況作為分析對象，通過有限元分析得到塔機的應(yīng)力分布云圖，如圖2所示。

由圖(2)可知各種工況下的最大應(yīng)力依次分別為：256.5、271.2和292.6 Mpa，三種工況下的最大工作應(yīng)力均大于Q235碳鋼的許用應(yīng)力 156 MPa(如表2), 這說明該塔式起重機在六級風環(huán)境下服役的原始強度設(shè)計，三種典型工況均不滿足要求。

由此可知六級風載下，塔機若繼續(xù)工作，是極不安全的。為了進一步確保生產(chǎn)的安全，找出安全工作情況下的風級，有必要進一步對四、五級風速情況下工作的塔式起重機進行應(yīng)力分析。取四、五級風風速分別為 5.5 m/s、8 m/s，由公式(1)(2)(3)可得出四、五級風載下塔機的加載情況。

為了保證能夠取的符合實際工作情況的結(jié)果，本文采用上面所述的三種工況進行有限元分析，分析結(jié)果如表4所示。

表4 四級、五級風載下塔機的最大應(yīng)力

由表4可以看出當風速為四級時，三種工況，塔機的最大應(yīng)力均在材料的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，而當風速為五級時工況二和工況三下的最大應(yīng)力超過了材料的許用應(yīng)力。由前面的分析結(jié)果我們可以得到當風荷載為六級時，大風給正在工作中的塔式起重機帶來了巨大的破壞作用。通過對塔機的工作規(guī)律進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)最大工作頻率的位置為兩拉桿之間，即工況2下，而當風速為五級的時候，工況2的最大應(yīng)力超過了材料許用應(yīng)力，因此在五級風情況下工作的塔機也是不安全的，而當風速為四級的時候塔機屬于安全工作范圍之內(nèi)。因此為了保證生產(chǎn)安全，在六級及六級以上的大風下塔式起重機必須停止作業(yè)，在五級風時須做好預(yù)防工作。

3 結(jié)論

本文建立塔機的有限元模型，在此基礎(chǔ)上通過對無風和有風級下工作的塔機進行有限元模擬，并進一步對不同風級荷載下塔機的受力情況進行了研究。研究結(jié)果表明：

（1）風荷載對塔式起重機起了巨大的破壞作用，對在江河上工作的起重機一定要做好預(yù)防工作，防止因大風等因素造成人員傷亡事故，應(yīng)采取措施做好塔機的保護工作。

（2）當風速為五級時要盡量避免工作；當風速在六級及六級以上時風載對塔機的工作有很大的威脅作用，塔式起重機要避免在這種惡劣的環(huán)境中開展工作，確保生產(chǎn)安全。

[1] “現(xiàn)代企業(yè)安全操作規(guī)程標準與技術(shù)叢書”編委會，塔式起重機安全操作規(guī)程標準與技術(shù)[S].北京：中國勞動社會保障出版社,2009

[2] 肖曉暉，吳功平.塔式起重機疲勞載荷譜的編制[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報,2003(4): 86-88.

[3] 鄭海斌,張大可.塔式起重機起重臂有限元模態(tài)及動態(tài)分析[J].建筑機械化,2004,25(5): 64-67.

[4] Levin R I, Lieven N A J. Dynamic finite element model updating using neural networks[J]. Journal of Sound and Vibration, 1998, 210(5):593-607.

[5] Brooks P C, Sharp R S. A Computational procedure based on eigenvalue sensitivity theory applicable to linear system design[J]. Journal of Sound and Vibration, 1987, 114(1): 13-18.

[6] Homaifar A, Qi C X, Lai S H. Constrained optimization via genetic algorithms [J]. Simulation , 1994, 62(4): 242-254.

[7] GB/T13752.1992，塔式起重機設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：國家技術(shù)監(jiān)督局，1992.

呂明. 基于特殊風載的非工作狀態(tài)塔式起重機安全性分析[D]. 重慶:重慶大學(xué),2008.

FINITE ELEMENT ANALYSIS OF WIND EFFECT ON SAFETY PERFORMANCE OF TOWER CRANE

HE Jun-ru,*JIANG Wu-gui, LIU Zhi-yun, MIN Xu-guang

(1.Nanchang Hangkong University, Nanchang, jiangxi 330063,China；2.Jiangxi Special Equipment Inspection and Research Institute, Nanchang, jiangxi 330046,China；3.Jiangxi Science and Technology Normal University,Nanchang, jiangxi 330038,China)

Tower crane, due to its high efficiency and convenience, has been widely used in the field of architecture. It is very necessary to take account the wind effect into analysis of the safety performance for tower crane operation because the tower crane usually serves under an atrocious weather. In this paper, finite element (FE) analyses of the tower crane under windless and wind-load are performed to investigate the influence of the wind load on the safety performance. The simulated results show that the wind load pays an important role on the prediction of the safety performance for the tower crane. The tower cranes, which are still working, are under a dangerous state and need guarding against accidents when the wind reaches 8 miles per second. Our FE results also suggests that it is very unsafe for the tower cranes which are still working when the wind is greater 11 miles per second, and the tower crane operation must be stopped.

tower crane; wind load; safety performance; finite element

TH213.3

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2012.04.017

1674-8085(2012)04-0074-04

2012-03-28；

2012-05-03

何君儒(1985-)，湖北黃岡人，碩士生，主要從事塑性成形力學(xué)模擬研究(E-mail：jrhe126@gmail.com);

*江五貴(1975-)，江西婺源人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事材料與工程力學(xué)研究(E-mail：jiangwugui@nchu.edu.cn);

劉志云(1962-)，浙江杭州人，高級工程師，博士，主要從事特種設(shè)備檢測(E-mail：liuzhiyun@163.com);

閔旭光(1963-)，江西靖安人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事機械設(shè)計理論、材料加工工程研究(E-mail:minxuguang@163.com).