扭矩對塔機(jī)塔身主弦桿受力的影響

文朝輝，王永新

WEN Chao-hui,WANG Yong-xin

(1.湖北江漢建筑工程機(jī)械有限公司，湖北 荊州 434024；2.山東電力建設(shè)第一工程公司，山東 濟(jì)南 250131)

1 概 述

塔機(jī)按結(jié)構(gòu)組成可分為金屬結(jié)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)和驅(qū)動控制系統(tǒng)三大部分。金屬結(jié)構(gòu)作為整機(jī)的骨架，是塔機(jī)的重要組成部分，起重機(jī)的各種工作機(jī)構(gòu)及零部件安裝或支承在金屬結(jié)構(gòu)上，承受著起重機(jī)的自重以及各種工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)的外載荷，耗鋼量大，通常其重量占整機(jī)重量的一半以上。

塔身是金屬結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，無論是水平臂式塔機(jī)，還是動臂式塔機(jī)，在整機(jī)自重和成本中占有很大比重，尤其是大噸位和起升高度高的塔機(jī)，塔身所占的比重更大，因此如何對塔身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理計(jì)算，降低塔身重量，對降低塔機(jī)成本具有重大意義。

在對塔身主弦桿進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，一般認(rèn)為影響主弦桿內(nèi)力的主要因素只有彎矩和軸向力，而扭矩對主弦桿的影響忽略不計(jì)，但是在對某些常見結(jié)構(gòu)型式的塔身進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，可以看出扭矩不僅使主弦桿產(chǎn)生附加應(yīng)力，而且此應(yīng)力所占的比例較大，不能忽略不計(jì)。本文以最常見的某型號塔機(jī)塔身為例，比較扭矩對主弦桿受力的影響。

2 塔身主弦桿的計(jì)算

塔機(jī)結(jié)構(gòu)型式很多，最常見的為截面為矩形的空間格構(gòu)式結(jié)構(gòu)。格構(gòu)式塔身一般都是采用平面分析方法，即把空間桁架分解為平面桁架進(jìn)行內(nèi)力分析，具體做法是把塔身分解為幾個(gè)平面桁架組成的空間桁架結(jié)構(gòu)，然后將各載荷分別分解到每一個(gè)平面桁架上，先單獨(dú)地計(jì)算各平面桁架的桿件內(nèi)力，然后再把同一桿件的內(nèi)力疊加起來，作為驗(yàn)算塔身強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的主要依據(jù)。

任何型式的塔身都必須計(jì)算其強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等共性問題。外載荷在各種工況下對塔身的作用，最終都可以歸納為直接作用的橫向力、軸向力、彎矩和扭矩。

若不需要求出每一根桿件的內(nèi)力，只需在進(jìn)行危險(xiǎn)截面驗(yàn)算時(shí)，可不將外載荷進(jìn)行分解，對于正方形截面塔身，腹桿內(nèi)力主要是平衡截面剪力和扭矩，而主弦桿的內(nèi)力主要是平衡截面彎矩和軸向力。所以可先根據(jù)外載荷求出截面上的彎矩M 及軸向力V，然后求得主弦桿內(nèi)力

以某型號塔機(jī)為例進(jìn)行比較計(jì)算，其塔身截面1500×1500mm（中心距），高度為2500mm，主弦桿為135×10 方管，斜腹桿為70×5 方管，水平桿50×5 方管。外載荷：扭矩Tn=28tm，傾翻力矩M=130tm，軸向力V=45t。

2.1 公式計(jì)算

傾翻力矩簡化為塔身45°方向力偶時(shí)，塔身主弦桿軸力最大。

單根主弦桿最大受力

2.2 有限元計(jì)算

為簡便起見，只針對一節(jié)塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)建立有限元模型，如圖1 所示，單元類型均為梁單元，只加載傾翻力矩和軸向力而不加載扭矩，傾翻力矩M 簡化為塔身45°方向的力偶（圖2）。

圖1 塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)有限元模型

圖2 傾翻力矩和軸向力加載圖

經(jīng)計(jì)算，若只加載傾翻力矩和軸向力，其主弦桿最大軸力為706kN，此值和2.1 公式計(jì)算的結(jié)果710.8 kN 極為接近，相差僅0.6%，說明不加扭矩公式計(jì)算和有限元分析結(jié)果基本一致。

如果加載扭矩進(jìn)行計(jì)算（圖3），其主弦桿最大軸力為804kN，此值和式計(jì)（1）算的結(jié)果710.8 kN 相差93.2kN，達(dá)13.1%。

3 結(jié) 語

圖3 傾翻力矩、軸向力和扭矩加載圖

從以上計(jì)算分析可以看出，對于塔機(jī)塔身主弦桿的計(jì)算，如果公式計(jì)算時(shí)對扭矩的影響忽略不計(jì)，但在進(jìn)行有限元分析時(shí)，加載扭矩后其計(jì)算結(jié)果和公式計(jì)算有很大出入，造成這個(gè)差異的主要原因是公式計(jì)算是把塔身簡化成桁架結(jié)構(gòu)計(jì)算，而有限元分析則是簡化成更加符合實(shí)際情況的鋼架結(jié)構(gòu)，在某些情況下，這種簡化有很大的差別，因此不考慮扭矩對主弦桿的受力影響是不合理的。

值得注意的是，扭矩對塔身主弦桿受力的影響和腹桿布置的形式有很大關(guān)系，除本文所述腹桿布置形式外，在對某些其他腹桿布置形式的塔身計(jì)算時(shí)，公式計(jì)算和有限元分析的結(jié)果相差不大，而本文所述的腹桿布置形式的塔身恰恰是目前最常見的，因此應(yīng)引起設(shè)計(jì)者足夠的重視。

[1]侯寶佳，毛居雙.塔機(jī)塔身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的比較［J］.建筑機(jī)械化，2006，（07）：31-36.

[2]薛 淵，陸念力.塔機(jī)塔身扭轉(zhuǎn)剛度的比較[J].建筑機(jī)械，2005，(08)：74-76.

[3]曹俊杰.塔機(jī)塔架的扭轉(zhuǎn)計(jì)算—對蘇聯(lián)《建筑用塔機(jī)》一書中扭轉(zhuǎn)公式的探討［J］.工程機(jī)械，1985，（11）：37-43.

[4]徐乃祥.固定式塔機(jī)的扭轉(zhuǎn)變形計(jì)算[J].建筑機(jī)械，1985，（02）：22-25.