塔式起重機(jī)拼裝式超長(zhǎng)附著桿設(shè)計(jì)與應(yīng)用

徐云新，李 剛

(江蘇中建達(dá)豐機(jī)械工程有限公司，北京 100012)

塔機(jī)在超過(guò)獨(dú)立高度后需要進(jìn)行附著才能繼續(xù)工作，不同的塔機(jī)型號(hào)、塔機(jī)平面布置其附著桿件長(zhǎng)度、截面以及桿件內(nèi)力基本不同。

通過(guò)閱讀相關(guān)文件，梳理了塔機(jī)拼裝式超長(zhǎng)附著桿件設(shè)計(jì)相關(guān)因素，從設(shè)計(jì)上最大程度降低超長(zhǎng)附著桿件產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)成本，保證施工安全，以此為其它類(lèi)似工程提供參考和借鑒。

1 四桿單側(cè)式附著受力模型

由于附著桿件的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于附著框的剛度，在計(jì)算過(guò)程中將附著框整體視為剛體并忽略附著框摩擦、安裝、制造等因素。

塔機(jī)附著桿件設(shè)計(jì)一般按工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)兩個(gè)工況考慮，工作狀態(tài)下塔機(jī)附著框受到荷載為水平力以及扭矩，其受力模型如圖1 所示。

圖1 工作狀態(tài)塔機(jī)附著裝置力學(xué)模型

非工作狀態(tài)下，為了減小塔機(jī)回轉(zhuǎn)以上風(fēng)荷載，將塔機(jī)回轉(zhuǎn)限位打開(kāi)，塔機(jī)回轉(zhuǎn)以上結(jié)構(gòu)可隨風(fēng)360°自由旋轉(zhuǎn)，塔機(jī)附著框所受荷載僅為水平力，其受力模型如圖2 所示。

圖2 非工作狀態(tài)塔機(jī)附著裝置力學(xué)模型

2 附著桿件內(nèi)力確定

四桿單側(cè)式附著裝置為一次超靜定結(jié)構(gòu)，附著桿件內(nèi)力通過(guò)有限元求解，也可通過(guò)其他方法確定。

2.1 荷載施加

工作狀態(tài)下塔機(jī)附著框受到荷載為水平力以及扭矩，非工作狀態(tài)下塔機(jī)附著框受到荷載為水平力，將水平力分解為Fx、Fy。以T7527 塔機(jī)為例，采用Midas Gen 有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算。

2.2 建立有限元模型分析計(jì)算

以下列參數(shù)為例，建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算，b=2.4m，d=2.4m，a1=2.88m，a2=11.5m，a3=10.2m，c1=14.3m，c2=14,6m，c3=15.6m，l1=14.9m，l2=14.4m，l3=17.8m，l4=18.1m，附著計(jì)算有限元模型如圖3 所示，計(jì)算結(jié)果表1 所示。從表2 計(jì)算結(jié)果可知桿件4 在非工作狀態(tài)下最大內(nèi)力為540.0kN，本文以桿件4 為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3 附著桿件內(nèi)力計(jì)算限元模型

表1 塔機(jī)附著主動(dòng)荷載

表2 桿件內(nèi)力計(jì)算結(jié)果 （單位：kN）

3 附著桿件自重及風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩

3.1 附著桿件自重產(chǎn)生的彎矩

附著桿4 長(zhǎng)度18.1m，自重16kN，桿件自重按均布荷載考慮為0.88kN/m，桿件最大彎矩為36kNm；

3.2 附著桿件風(fēng)載計(jì)算

T7527 塔機(jī)最大使用高度243m,最危險(xiǎn)工況為非工作狀態(tài)，計(jì)算風(fēng)壓按上海地區(qū)取值。

PWN=KhpnCA

式中 PWN——非工作狀態(tài)垂直作用在所指構(gòu)件軸線上的風(fēng)荷載；

C——所指構(gòu)件空氣動(dòng)力學(xué)系數(shù)，與構(gòu)件特征面積一起使用，取2.43；

A——所指構(gòu)件特征面積，取2.83m2；

μz——風(fēng)壓等效高度變化系數(shù)，取1.97；

pn——基本風(fēng)壓，以上海為例取800N/m2；帶入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：PWN=10.8kN。

風(fēng)載產(chǎn)生的風(fēng)壓力為10.8kN；桿件風(fēng)壓按均布荷載考慮為0.6kN/m，附著桿件最大彎矩為24.6kNm。

4 附著桿件設(shè)計(jì)

附著桿件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮桿件變截面、自重、風(fēng)荷載桿件內(nèi)力以及內(nèi)力引起的附加彎矩對(duì)桿件產(chǎn)生的影響。

4.1 附著桿件組成

附著桿件組成如圖4 所示，由方箱、絲杠、桿件頭以及桿件中間節(jié)等構(gòu)件拼裝而成的格構(gòu)式桿件（桿件中間節(jié)有0.4m、0.8m、1.6m、3.2m等不同長(zhǎng)度）。

圖4 附著拉桿結(jié)構(gòu)圖

桿件中間節(jié)是由4 根L80×8 角鋼組成450mm×450mm 截面的格構(gòu)柱，綴 條L40×4 角鋼；桿件頭節(jié)為變截面設(shè)計(jì)，截面由450mm×450mm 縮小至205mm×205mm，縮小后的截面內(nèi)設(shè)置方形絲杠螺母；附著桿件頭節(jié)調(diào)節(jié)絲杠規(guī)格為M80×6，單個(gè)桿件頭調(diào)節(jié)絲杠可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度為20cm；附著桿件構(gòu)件使用材料均為Q345B，附著桿件截面特性如表3 所示。

表3 桿件截面特性

4.2 附著桿件拼裝與調(diào)節(jié)

附著桿件頭節(jié)與附著桿件中間節(jié)之間采用銷(xiāo)軸連接，連接銷(xiāo)軸4×?40mm；附著桿件頭節(jié)與調(diào)節(jié)絲杠以及方箱通過(guò)絲杠螺母連接。

附著桿件可通過(guò)不同長(zhǎng)度的桿件中間節(jié)拼裝成不同長(zhǎng)度的附著桿件，附著桿件只需在地面拼裝為合適長(zhǎng)度的整個(gè)構(gòu)件，整體進(jìn)行吊裝即可。

4.3 附著桿件臨界荷載

考慮附著桿件是變截面構(gòu)件，采用有限元分析軟件建立桿件有限元模型，通過(guò)屈曲分析確定桿件臨界力，附著桿件有限元模型以及臨界力如圖5 所示，桿件臨界荷載為1 156.1kN。

圖5 屈曲分析計(jì)算結(jié)果

4.4 計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)及長(zhǎng)細(xì)比的確定

附著桿件兩端鉸接，桿件兩端桿件頭節(jié)均為變截面構(gòu)件，附著桿件整體計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)需通過(guò)歐拉公式進(jìn)行反推：

代入數(shù)據(jù)可得：μ=1.05

式中 μ——構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)；

E——鋼材的彈性模量，E=2.06×105N/mm2；

I——桿件截面慣性矩，mm4，見(jiàn)表3；

l——構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度，mm；

Pcr——構(gòu)件臨界荷載，N。

桿件換算長(zhǎng)細(xì)比

λhx=λhy=μl/i

代入數(shù)據(jù)可得：λ=93.2

式中 λhx——構(gòu)件計(jì)算截面上對(duì)強(qiáng)軸（X 軸）換算長(zhǎng)細(xì)比；

λhy——構(gòu)件計(jì)算截面上對(duì)弱軸（Y 軸）換算長(zhǎng)細(xì)比；

i——構(gòu)件截面回轉(zhuǎn)半徑，mm，見(jiàn)表3。

4.5 桿件穩(wěn)定性校核

在附著桿件自重以及風(fēng)荷載影響下，附著桿件按兩端簡(jiǎn)支雙向壓彎構(gòu)件考慮，當(dāng)N/NEx和N/NEy大于0.1 時(shí)，計(jì)算時(shí)需考慮軸力引起的附加彎矩。

式中 N——構(gòu)件的軸向壓力，N；

A——構(gòu)件的毛截面面積，A=4 920mm2；

Mx、My——構(gòu)件計(jì)算截面上對(duì)強(qiáng)軸（X 軸）和對(duì)弱軸（Y 軸）的彎矩，Nmm；

Wx、Wy——構(gòu)件計(jì)算截面上對(duì)強(qiáng)軸（X 軸）和對(duì)弱軸（Y 軸）的抗彎模量，mm3；

Ψf——軸心受壓穩(wěn)定性系數(shù)f 和其修正系數(shù)Ψ 的乘積，有Ψxfx和Ψyfy之分，取其中最小值；

f——軸心受壓穩(wěn)定性系數(shù)；

Ψ——軸心受壓穩(wěn)定性系數(shù)的修正系數(shù)，有對(duì)（X 軸）軸的Ψx和對(duì)（Y 軸）的fy之分；

式中 σs——材料的屈服點(diǎn)，單位為N/mm2，當(dāng)材料屈服點(diǎn)σs與抗拉強(qiáng)度σb的比值大于0.7時(shí)，式中σs用0.5σs+0.35σb代替；

fx、fy——查GB/T 13752-2017《塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》表H.2 取值為0.601；

NEx、NEy——分別為構(gòu)件對(duì)強(qiáng)軸（x 軸）和對(duì)弱軸（y 軸）的名義歐拉臨界力，N；

式中 E——鋼材的彈性模量，E=2.06×105N/mm2；

λx、λy——構(gòu)件對(duì)通過(guò)形心的強(qiáng)軸或弱軸的長(zhǎng)細(xì)比,對(duì)格構(gòu)式構(gòu)件替換為確定的換算長(zhǎng)細(xì)比λhx、λhy。

代入數(shù)據(jù)可得：

4.6 絲杠螺紋副擠壓強(qiáng)度

調(diào)節(jié)絲杠采用M90×6，材質(zhì)采用Q345B 鋼材，[σ]=295N/mm2；

式中 N0——絲杠所受軸向力，N；

[σ]——螺紋許用擠壓應(yīng)力，N/mm2；

[σp]——螺紋擠壓應(yīng)力，N/mm2；

d2——螺紋中徑，取值86.1mm；

h——螺紋工作高度，取值3.248mm；

z——結(jié)合圈數(shù)，z=7。

4.7 附著桿件銷(xiāo)軸連接強(qiáng)度

連接銷(xiāo)采用?40，材料Q345B，許用剪切應(yīng)力[τ]=170N/mm2，F(xiàn) 作用于連接處的剪力

式中 A——銷(xiāo)軸截面積，mm2。

5 拼裝式附著桿件的優(yōu)點(diǎn)與應(yīng)用

5.1 拼裝式附著桿件的優(yōu)點(diǎn)

拼裝式附著桿件具有以下優(yōu)勢(shì)。

1）可以重復(fù)使用，通用性、互換性。

2）桿件截面較大，構(gòu)件拼裝調(diào)節(jié)范圍大（例如350mm×350mm 截面構(gòu)件拼裝成整體附著桿件，桿件長(zhǎng)度范圍為3.2～13m，桿件最大長(zhǎng)細(xì)比小于120），調(diào)節(jié)絲杠微調(diào)范圍0.4m，可適應(yīng)不同工程。

3）安裝效率高，可通過(guò)銷(xiāo)軸連接將附著桿件快速安裝，避免了現(xiàn)場(chǎng)焊接人員高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

5.2 拼裝式附著桿件的應(yīng)用

拼裝式附著桿件在施工現(xiàn)場(chǎng)安裝較為方便，只需提前測(cè)量出待安裝桿件的長(zhǎng)度，利用不同的桿件構(gòu)件在地面拼裝成整個(gè)桿件；通過(guò)塔機(jī)自身吊裝就位，利用調(diào)節(jié)絲杠進(jìn)行微調(diào)，然后將其和建筑物以及附著框通過(guò)銷(xiāo)軸連接即可。

我司根據(jù)塔機(jī)型號(hào)以及附著桿件承載力設(shè)計(jì)了一系列拼裝式附著桿件，如QTZ250 系列塔機(jī)附著桿件截面為350mm×350mm 拼裝式附著桿件、QTZ500 塔機(jī)附著桿件截面為450mm×450mm 拼裝式附著桿件、QTZ1100 塔機(jī)附著桿件截面為500mm×500mm 拼裝式附著桿件，應(yīng)用范圍涵蓋我司所有塔機(jī)，并在工程實(shí)際中取得了廣泛的應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析附著裝置受力，建立了四桿單側(cè)式附著裝置有限元模型，確定了塔機(jī)工作狀態(tài)與非工作狀態(tài)在不定荷載作用下附著桿件內(nèi)力的準(zhǔn)確值，對(duì)附著桿件的設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

超長(zhǎng)附著桿件的穩(wěn)定性校核考慮了桿件變截面、自重、風(fēng)載、內(nèi)力以及內(nèi)力引起的附加彎矩等不利因素產(chǎn)生的影響，計(jì)算精度較高，對(duì)附著桿件的設(shè)計(jì)和改進(jìn)具有積極的作用。