塔式起重機(jī)腹桿布置及其影響的研究

楊海青

(遼寧省安全科學(xué)研究院 沈陽 110000)

塔式起重機(jī)（以下簡稱塔機(jī)）是房屋建筑工地和市政工程工地上常見的一種起重機(jī)械，屬于起重臂型起重機(jī)。因其多用于戶外施工建設(shè)使用，受風(fēng)力影響較大，所以塔機(jī)的主要受力金屬結(jié)構(gòu)大多采用格構(gòu)式桁架結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢比較明顯，在保證塔機(jī)本身起重能力不降低的情況下，降低了金屬結(jié)構(gòu)的自重，最重要的是使得風(fēng)的通過性改善進(jìn)而大大降低了風(fēng)載荷，增強(qiáng)了設(shè)備的作業(yè)能力。但是，伴之而來問題也比較突出，格構(gòu)式桁架的制造工藝復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力集中較大。塔機(jī)的塔身、回轉(zhuǎn)塔身、起重臂、平衡臂和塔頂?shù)戎饕芰?gòu)件均為格構(gòu)式桁架，其腹桿的布置在設(shè)計(jì)上復(fù)雜多樣，且在實(shí)際生產(chǎn)加工中不宜準(zhǔn)確操作，極易出現(xiàn)腹桿布置方案發(fā)生變化的情況，常見的有腹桿布置順序變化和位置偏移等問題。更改的布置方案，不僅僅影響了外形的美觀和協(xié)調(diào)，而且改變了桁架結(jié)構(gòu)的受力走向，影響了結(jié)構(gòu)的承載性能，甚至可能因此導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。

1 塔機(jī)的腹桿布置情況

塔機(jī)上采用格構(gòu)式桁架的主要受力構(gòu)件包括塔身、回轉(zhuǎn)塔身、起重臂、平衡臂和塔頂?shù)萚1]。

塔身和回轉(zhuǎn)塔身多采用四條主弦桿平行的方形桁架結(jié)構(gòu)。此處結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)較為復(fù)雜，主弦桿主要承受軸向的壓力和上部載荷的不平衡彎矩，而腹桿結(jié)構(gòu)則要承受上部載荷旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩，上部結(jié)構(gòu)可以360°旋轉(zhuǎn)，桁架結(jié)構(gòu)的四個(gè)面具有各向一致性，均采用圖1（a）所示的腹桿布置形式。

起重臂多采用三條主弦桿平行的三角形桁架結(jié)構(gòu)，是塔機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中的重要環(huán)節(jié)。其中雙吊點(diǎn)的起重臂為超靜定結(jié)構(gòu)，受力分析復(fù)雜，主要外力包括徑向的起升載荷和自重、側(cè)向的慣性載荷和風(fēng)載荷以及兩個(gè)吊點(diǎn)和根部鉸點(diǎn)的過約束。主弦桿承受各向的彎矩，而腹桿則對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起著重要作用。起重臂桁架結(jié)構(gòu)側(cè)面一般采用圖1（b）所示的腹桿布置形式，拉桿吊點(diǎn)位置應(yīng)與兩腹桿相交位置重合，腹桿布置在與吊點(diǎn)位置協(xié)調(diào)配合的設(shè)計(jì)和制造過程中就容易出現(xiàn)問題。起重臂桁架結(jié)構(gòu)底面一般采用圖1（c）所示的腹桿布置形式，但是，在實(shí)際生產(chǎn)過程中常出現(xiàn)相鄰腹桿平行布置的情況。

塔頂多為兩條或四條主弦桿不平行的梯形桁架結(jié)構(gòu)，如圖1（d）所示。塔頂結(jié)構(gòu)受力明確，平面桁架的塔頂結(jié)構(gòu)只承載起重臂和平衡臂拉桿施加的軸向力，而空間桁架結(jié)構(gòu)的塔頂還受到不平衡彎矩的作用。

圖1 塔機(jī)腹桿布置形式

2 腹桿布置位置偏移及影響

目前，大多數(shù)塔機(jī)制造都沒有對腹桿布置設(shè)計(jì)工裝，在實(shí)際的制造過程中，工人需要?jiǎng)澗€定位，然后將上道工序下料完成的腹桿與主弦桿拼焊。這一過程受到人為因素和環(huán)境條件的影響較大，新型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)圖紙尺寸缺失、工人的責(zé)任心和專業(yè)技能以及制造條件限制等都有可能使得布置方案出現(xiàn)偏離設(shè)計(jì)的情況，而腹桿布置位置偏移就是其中較為嚴(yán)重的一種。

如圖2（a）所示，為一種QTZ40塔機(jī)起重臂斜腹桿布置方案，腹桿分布均勻，相鄰節(jié)點(diǎn)尺寸為1250mm。但如果在定位尺寸上控制不嚴(yán)就會出現(xiàn)圖2（b）、圖2（c）的結(jié)果，圖2（b）中腹桿布置位置偏移較大，第二節(jié)間距偏移量達(dá)到了200mm，此后每個(gè)節(jié)間距縮小40mm，圖2（c）中腹桿布置位置偏移較小，第二節(jié)間距偏移量為50mm，此后每個(gè)節(jié)間距縮小10mm。桿1為正常側(cè)主弦桿，桿2為偏移側(cè)主弦桿，桿3、桿4為正常腹桿，桿5、桿6為偏移腹桿，桿7、桿8為下弦桿。

圖2 起重臂腹桿布置位置偏移

本文利用有限元軟件計(jì)算的方法[2-3]，對上述三種腹桿布置的起重臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。塔機(jī)起重力矩40t·m，最大額定起重量4t，最大幅度45m，最大幅度處額定載荷0.8t，工作級別A5，拉索上鉸點(diǎn)距下弦桿中心線垂直距離5170mm，拉索上鉸點(diǎn)距下弦桿的左端銷軸中心水平距離300mm，拉索吊點(diǎn)距下弦桿左端銷軸中心水平距離分別為11.875m和31.875m。起重臂結(jié)構(gòu)采用beam188單元類型，拉索采用link8單元類型，材料為Q235B,彈性模量為210GPa,密度為7.85g/cm3。約束位置為起重臂根部和拉索上鉸點(diǎn)。計(jì)算工況為起重臂端部起升最大載荷，幅度為45m，起升動(dòng)載荷10kN，均布風(fēng)載荷3.5kN，起重臂水平慣性載荷0.97kN，起升載荷水平慣性載荷0.4kN。分析研究不包括塔機(jī)其他結(jié)構(gòu)（起重臂拉桿除外），且除前吊點(diǎn)處腹桿位置偏移外，其余部分的結(jié)構(gòu)及整體受力狀態(tài)均未改變[4]。

有限元結(jié)構(gòu)分析結(jié)果見表1，其中σ1、σ2和σ3分別為圖2（a）、圖2（b）和圖2（c）所示的腹桿布置結(jié)構(gòu)應(yīng)力[5]。由表中的數(shù)據(jù)分析得出，桿1、桿2、桿7和桿8均為主弦桿，不同腹桿布置所對應(yīng)的主弦桿應(yīng)力變化不大，且相對差值最大僅為2.38%；其余桿件均為腹桿，桿6的應(yīng)力值相對差值最大為12.5%?？梢?，腹桿所受影響較主弦桿要大很多；并且，隨著腹桿布置偏差值增大，應(yīng)力結(jié)構(gòu)所受影響也越大。

表1 起重臂腹桿布置位置偏移的影響

3 腹桿布置順序變化及影響

除腹桿布置位置發(fā)生偏移外，腹桿布置順序也是制造過程中較多出現(xiàn)的問題，也極容易被忽視，本文針對不同腹桿布置順序及其位置進(jìn)行具體分析。

采用同一臺塔機(jī)起重臂作為分析對象，如圖3所示，兩種不同的腹桿布置方案的區(qū)別為桿5的不同布置，（a）為原設(shè)計(jì)圖紙，而（b）中桿5則與前后兩個(gè)節(jié)間的腹桿呈平行狀。桿1、桿2為主弦桿，桿3、桿4為直腹桿，桿5為斜腹桿。

圖3 起重臂腹桿布置順序變化

同樣使用有限元法進(jìn)行分析計(jì)算，外部載荷及約束施加不變。結(jié)構(gòu)模型共有三個(gè)，除正常的腹桿布置外，分別對臂根和臂端處腹桿布置順序變化也進(jìn)行了模型構(gòu)建，以比較不同位置受腹桿布置變化的影響。臂根計(jì)算工況為起重臂起升最大載荷，幅度11.6m，起升動(dòng)載荷50kN，其余載荷及約束施加條件不變。

有限元結(jié)構(gòu)分析結(jié)果見表2和表3，其中σ4和σ5分別為臂根和臂端處腹桿變化后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。由表中的數(shù)據(jù)分析得出，桿1和桿2為主弦桿，在上述三種布置結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力基本一致；其余均為腹桿，應(yīng)力較主弦桿變化明顯，且出現(xiàn)了應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變的情況；根據(jù)表2和表3對比結(jié)果可以看出，腹桿布置順序的變化在起重臂臂根的影響較在臂端大。

表2 起重臂臂根腹桿布置順序的影響

表3 起重臂臂端腹桿布置順序的影響

4 結(jié)論

本文就塔機(jī)結(jié)構(gòu)中的桁架腹桿布置問題做了簡單介紹，并針對其制造過程中常出現(xiàn)的兩種與設(shè)計(jì)不符的起重臂腹桿布置方案進(jìn)行了具體算例的分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）兩種起重臂腹桿布置方案的變化對主弦桿受力狀態(tài)影響不大，但對腹桿結(jié)構(gòu)受力影響較大；

2）起重臂腹桿布置位置偏移對結(jié)構(gòu)影響較大，并且隨偏移量的增加而變大；

3）起重臂腹桿布置順序變化發(fā)生在臂根處影響比在臂端處更大。

因此，實(shí)際制造中發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)不符的腹桿布置方案應(yīng)及時(shí)予以糾正，必要時(shí)應(yīng)對已經(jīng)完成制造的結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行分析校核。

1 GB/T 5031-2008.塔式起重機(jī).

2 尚小江，邱峰,等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應(yīng)用[M].北京,中國水利水電出版社,2008.

3 張朝暉.ANSYS12.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析[M].北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2010.1.

4 左一凡，高誠，黃維志.利用ANSYS對QTZ40型塔式起重機(jī)起重臂的應(yīng)力分析[J].品牌與標(biāo)準(zhǔn)化，2012.6.

5 王守新.材料力學(xué)[M].大連，大連理工大學(xué)出版社，2004.2.

6 張世平，等.塔式起重機(jī)安全評估系統(tǒng)的應(yīng)用與展望[J].中國特種設(shè)備安全.2013.29（12）：30～32.

7 趙西城，等.起重機(jī)桿式操縱聯(lián)動(dòng)控制臺的檢驗(yàn)[J].中國特種設(shè)備安全.2010.26（4）：34～35.