基于Ansys 的臺風(fēng)下塔式起重機應(yīng)急措施分析及預(yù)案*

王 毅

南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 南京 210031

0 引言

HSE 體系健康安全實驗室做出的全球范圍內(nèi)的塔式起重機（以下簡稱塔機）事故統(tǒng)計報告顯示，有15%的塔機事故是由于惡劣天氣（主要是臺風(fēng)）造成的。臺風(fēng)導(dǎo)致的塔機事故引起了建設(shè)行政主管部門、制造廠商、建筑施工企業(yè)以及建筑機械行業(yè)組織的重視[1]。為規(guī)范沿海地區(qū)塔機防臺風(fēng)工作，促進工作有序、高效、科學(xué)地展開，提升防御臺風(fēng)災(zāi)害能力和管理水平，保障人民的生命財產(chǎn)安全，本文針對塔機受災(zāi)特點提出沿海地區(qū)塔機防御抵抗臺風(fēng)的應(yīng)急管理思路和措施，主要闡述3個方面的內(nèi)容：1）研制塔機防臺風(fēng)地方標(biāo)準(zhǔn)；2）塔機防臺應(yīng)對措施及分析；3）研制塔機抗臺應(yīng)急預(yù)案。

1 研制塔機防臺風(fēng)地方標(biāo)準(zhǔn)

1.1 制定標(biāo)準(zhǔn)的目的及意義

目前，進入沿海地區(qū)的塔機的設(shè)計與制造尚無法達到沿海地區(qū)的使用要求。塔機在風(fēng)載作用下的運動規(guī)律和相關(guān)研究成果并未貫徹落實到標(biāo)準(zhǔn)中，塔機防臺風(fēng)的要求和方法沒有以規(guī)程的形式表現(xiàn)出來，未形成統(tǒng)一的塔機防臺風(fēng)應(yīng)急指導(dǎo)預(yù)案，從而導(dǎo)致各使用單位管理混亂，臺風(fēng)多發(fā)地區(qū)的塔機維護和保養(yǎng)無明確的標(biāo)準(zhǔn)參照。

美國、中國東南沿海地區(qū)都是臺風(fēng)、颶風(fēng)的多發(fā)地，在遭受強臺風(fēng)侵襲時，并未出現(xiàn)塔機成片倒塌和受損的現(xiàn)象。例如美國，因其地理位置、氣候條件以及大氣環(huán)流特征，年均1 000 ～2 000 次龍卷風(fēng)，數(shù)量多且強度大，但很少有塔機大面積的倒塌，究其原因是其根據(jù)自身特殊的氣候環(huán)境提出了恰當(dāng)?shù)乃C防風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)，且嚴格執(zhí)行這些標(biāo)準(zhǔn)。

制定沿海地區(qū)的塔機防風(fēng)地方標(biāo)準(zhǔn)對塔機的設(shè)計、制造、準(zhǔn)入、安拆、使用、維保、報廢評估處理和應(yīng)急措施等具有重要意義，能從根本上提高臺風(fēng)高發(fā)地區(qū)塔機防風(fēng)抗風(fēng)的能力，降低風(fēng)致塔機事故發(fā)生的頻率。

1.2 塔機防臺風(fēng)地方標(biāo)準(zhǔn)

塔機防臺風(fēng)地方標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容包括總則、基本規(guī)定和技術(shù)規(guī)程。

1）總則

總則是表述本標(biāo)準(zhǔn)的序言，闡明標(biāo)準(zhǔn)的原則是貫徹安全第一、預(yù)防為主、綜合管理，提高沿海地區(qū)塔機抗風(fēng)能力并降低塔機事故隱患，適用范圍是房屋建筑與市政工程所用的塔式起重機。塔機除了要滿足地方標(biāo)準(zhǔn)外，還需滿足國家頒布的現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2）基本規(guī)定

基本規(guī)定是對于塔機安全使用進行定性的信息規(guī)定，主要包括塔機重點防控期和重點防控區(qū)、塔機產(chǎn)品地方準(zhǔn)入條件、塔機地方維護保養(yǎng)制度、塔機安全評估和處理標(biāo)準(zhǔn)等的規(guī)定。

①規(guī)定塔機重點防控期和重點防控區(qū) 根據(jù)往年塔機遭臺風(fēng)侵襲的頻次及程度規(guī)定沿海地區(qū)劃分為3 類臺風(fēng)防控區(qū)：1 級防控區(qū)、2 級防控區(qū)和3 級防控區(qū)，列出各等級防控區(qū)所包括的省市地區(qū)，并將每年7 ～9 月規(guī)定為塔機防風(fēng)的重點防控期[2]。

②規(guī)定塔機產(chǎn)品地方準(zhǔn)入條件 我國海南、廣東、福建等地均是臺風(fēng)頻發(fā)省份，這些地區(qū)的風(fēng)力情況大于GB/T 13752-1992《塔式起重機設(shè)計規(guī)范》的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，忽視了沿海與內(nèi)陸地區(qū)的風(fēng)力差異，租賃單位未與制造廠協(xié)議規(guī)定更高計算風(fēng)壓，使用單位未重視臺風(fēng)對塔機造成的重要危害，制定的塔機安全方案沒有充分考慮臺風(fēng)的影響[3]。

當(dāng)塔機處于工作狀態(tài)時，計算風(fēng)壓應(yīng)由150 Pa 提高到500 Pa；當(dāng)塔機處于非工作狀態(tài)時，計算風(fēng)壓由800 Pa 調(diào)整到1 000 ～1 500 Pa?；诖?，塔機制造商應(yīng)在使用說明書中給出塔機在使用過程中的具體防臺風(fēng)細則，指導(dǎo)用戶進行抗臺風(fēng)措施。

當(dāng)根據(jù)塔機使用說明書設(shè)計制作的地基無法達到當(dāng)?shù)厥褂靡髸r，則應(yīng)對塔機地基進行二次設(shè)計，報請技術(shù)負責(zé)人審批后才可進行操作。安裝單位在安裝過程中應(yīng)考慮當(dāng)?shù)乜古_風(fēng)需要，合理地選擇安裝位置，以規(guī)避建筑物環(huán)境帶來的副作用。

③規(guī)定塔機地方維護保養(yǎng)制度 由于沿海地區(qū)氣候環(huán)境特殊，塔機常經(jīng)受風(fēng)雨侵襲，腐蝕的速度較內(nèi)陸快，故需在維護和保養(yǎng)方面提出相應(yīng)的規(guī)定。應(yīng)以《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》和《建筑施工塔式起重機安裝、使用、拆卸安全技術(shù)規(guī)程》等法規(guī)、章程要求為基礎(chǔ)，重點考慮沿海地區(qū)特殊的氣候特征，建立完備的沿海地區(qū)塔式起機維護保養(yǎng)制度。規(guī)定塔機維護保養(yǎng)分為機械設(shè)備維護與保養(yǎng)，液壓爬升系統(tǒng)維護和保養(yǎng)，金屬結(jié)構(gòu)的維護和保養(yǎng)，電器系統(tǒng)的維護保養(yǎng)和塔機定時維修[4]。

④規(guī)定塔機安全評估和處理標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)定受損塔機應(yīng)接受具有評估資質(zhì)的專業(yè)評估機構(gòu)進行評估，評估結(jié)果主要應(yīng)分為拆卸處理和修復(fù)后繼續(xù)使用2 類[5]。

3）技術(shù)規(guī)程

技術(shù)規(guī)程包括安裝地基的設(shè)計與制作規(guī)程，塔機的選址規(guī)程，附著裝置的設(shè)計、制作和安裝規(guī)程，塔機的安裝拆卸規(guī)程等。

①地基的設(shè)計與制作規(guī)程 塔機基礎(chǔ)的形式應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)、載荷大小與塔機穩(wěn)定性要求、現(xiàn)場條件，并結(jié)合塔機制造商提供的塔機使用說明書的要求確定。塔機基礎(chǔ)工作狀態(tài)的載荷應(yīng)包括塔機和基礎(chǔ)的自重載荷、起重載荷、風(fēng)載荷，并應(yīng)計入可變載荷的組合系數(shù)；非工作狀態(tài)下的載荷應(yīng)包括塔機和基礎(chǔ)的自重載荷、風(fēng)載荷[6]。

②塔機的選址規(guī)程 塔機的安裝位置應(yīng)考慮鈍體建筑物帶來的穿堂風(fēng)副作用，塔機應(yīng)避免處于建筑物的負壓區(qū)內(nèi)，需對塔機的安裝位置周圍環(huán)境進行風(fēng)場計算流體力學(xué)分析。

③附著裝置的設(shè)計、制作和安裝規(guī)程 在安裝附墻架后，塔身縱軸線對支撐面的側(cè)垂直度應(yīng)小于2‰。在附墻裝置設(shè)計時，必須對附墻裝置（桿件及連接件）進行強度和穩(wěn)定性校核。附墻架與塔機及建筑物間采用的是剛性連接，構(gòu)成了穩(wěn)定結(jié)構(gòu)[7]。

④塔機的安裝拆卸規(guī)程 塔機安裝、拆卸單位必須具有從事塔機安裝、拆卸業(yè)務(wù)的資質(zhì)，必須擁有安全管理保證體系和制度。安裝、拆卸作業(yè)人員必須持有建筑施工特種作業(yè)操作資格證書[8]。

2 塔機防風(fēng)應(yīng)對措施及分析

2.1 降低塔機高度

為精確模擬塔機在真實風(fēng)場中的風(fēng)載分布情況，按比例1∶1 在Pro E 中建立簡易QTZ5010 塔機幾何模型，模型省略駕駛室、拉桿、法蘭、螺栓和回轉(zhuǎn)支承系統(tǒng)等部件，塔機模型高度為35 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)為1.4 m×1.4 m×2.4 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢選用135 mm×10 mm 的方鋼，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)斜腹桿采用60 mm×4 mm 方鋼，起重臂長為28 m，上弦桿采用Φ80 mm×8 mm 的圓管，下弦桿采用100 mm×10 mm 的方鋼，起重臂斜腹桿采用Φ60 mm×4 mm 的圓管。

風(fēng)場計算域設(shè)置為125 m×120 m×50 m。 將塔機Pro E 模型保存為.iges 格式，將幾何模型導(dǎo)入Workbench 軟件設(shè)計模塊（DM），并構(gòu)建風(fēng)場環(huán)境，建筑物尺寸為8 m×8 m×20 m，將塔機放在計算域風(fēng)流動方向的三分之一處，計算模型圖如圖1 所示。網(wǎng)格采用ICEM CFD 自動劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量達到0.02 m以上，網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)為3 668 152，網(wǎng)格單元總數(shù)量為21 813 652，計算模型網(wǎng)格如圖2 所示。在計算域模型中，流體質(zhì)量密度（空氣）取值為1.29 kg/m3，粘度系數(shù)取值為1.79×10-5kg/（m·s）。

圖1 計算模型圖

圖2 計算模型網(wǎng)格圖

本文通過降低標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的方法降低塔機整機和自由端高度，建立圖3 所示25.4 m、27.8 m、30.2 m、32.6 m高度的4 組塔機模型，其余模型參數(shù)和設(shè)置參數(shù)均不變，在Workbench CFX 中進行數(shù)字風(fēng)洞試驗。

圖3 各高度計算模型

根據(jù)Workbench 進行分析計算，各塔機高度模型下的塔機根部傾覆力矩如圖4 所示。當(dāng)塔機高度為35 m時，塔機根部傾覆力矩為M＝1.418×106N·m；塔機高度為32.6 m 時，塔機根部傾覆力矩為M＝1.289×106N·m；塔機高度為30.2 m 時，塔機根部傾覆力矩為M＝1.262×106N·m；塔機高度為27.8 m 時，塔機根部傾覆力矩為M＝9.688×105N·m；塔機高度為25.4 m 時，塔機根部傾覆力矩為M＝6.341×105N·m。

圖4 塔機根部傾覆力矩與高度關(guān)系圖

通過降節(jié)處理，使塔機的整體高度降低，在風(fēng)載條件相同的環(huán)境，塔機結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面積不斷減小，風(fēng)載作用導(dǎo)致的根部傾覆力矩不斷下降，安全性能提高，從而降低了塔機的高度，有效地提高了塔機抗風(fēng)能力。因此，在臺風(fēng)來臨前，降低塔機高度是一項有效的應(yīng)對措施。

2.2 加裝纜風(fēng)繩

當(dāng)收到臺風(fēng)預(yù)警信息時，施工單位可在塔機上加裝纜風(fēng)繩，纜風(fēng)繩上端一般固定在塔身的水平腹桿處，纜風(fēng)繩下端固定在錨固地錨上。纜風(fēng)繩與地面的水平夾角盡量控制在45°左右，纜風(fēng)繩的固定方式類似塔身外附附著支撐的方式。纜風(fēng)繩的安裝可使用特殊制錨固標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，上端為普通塔機標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，而下端為纜風(fēng)繩錨固的特殊錨固節(jié)。

纜風(fēng)繩的初始張緊力的調(diào)試控制流程為：首先在防風(fēng)纜繩的固定端與2 調(diào)整螺桿上的牽引支架之間設(shè)置100 kN 的拉力器，將其調(diào)整到額定值后測量并記錄地錨固定端與拉纜風(fēng)繩固定端的2 銷軸中心尺寸L計。然后拆除拉力器，將拉纜風(fēng)繩固定支架重新裝入2 調(diào)整螺桿，調(diào)整2 調(diào)整螺桿使地錨固定端與拉纜風(fēng)繩固定端的2 銷軸中心距離與測量并記錄的L計一致即可[9]。

建立QTZ5010 塔機Ansys 簡易模型，采用Ansys施加靜力風(fēng)載荷，對比有無纜風(fēng)繩下塔機的變形及應(yīng)力情況。圖5 為未安裝纜風(fēng)繩時安裝塔機變形和應(yīng)力圖，當(dāng)無纜風(fēng)繩時，塔機最大變形為3.641 4 m，最大應(yīng)力為156 MPa。圖6 為安裝纜風(fēng)繩時塔機變形和應(yīng)力圖，當(dāng)安裝了4 根纜風(fēng)繩后，塔機最大變形為0.556 m，最大應(yīng)力為117 MPa。在加裝纜風(fēng)繩后，塔機變形下降了3.085 4 m，下降了84.73%，最大應(yīng)力下降了39 MPa，下降了25%。因此，在臺風(fēng)來臨前，加裝纜風(fēng)繩是一項有效的應(yīng)對措施。

推薦理由:這是作家張平時隔十四年，繼《十面埋伏》《抉擇》《國家干部》之后向廣大讀者奉獻的又一現(xiàn)實主義力作，他將對人最深切的關(guān)懷用飽滿的藝術(shù)激情表達得文理自然，姿態(tài)橫生。

圖5 無纜風(fēng)繩時塔機變形與應(yīng)力

圖6 有纜風(fēng)繩時塔機變形與應(yīng)力

2.3 其他有效措施

當(dāng)塔機未安裝附墻裝置或獨立高度過大時，應(yīng)加裝附墻裝置。已安裝附墻裝置的塔機，應(yīng)對附墻裝置進行全面檢查，確保無松動、無開焊、無變形，同時加裝附墻框十字撐桿。應(yīng)立即對塔機上設(shè)有的標(biāo)牌、橫幅等懸掛物和易墜物進行清除，消除墜落隱患并減小了塔機結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面積。檢查塔機標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的連接螺栓，避免出現(xiàn)斷裂、螺母脫落和連接套焊縫脫落等螺栓失效形式；錯開交叉塔機的安裝高度，以避免塔機碰撞失效。若塔機使用說明書中包含防臺風(fēng)細則，塔機施工單位則需嚴格按照使用說明書落實防風(fēng)措施。

3 研制塔機抗臺應(yīng)急預(yù)案

制定塔機抗臺應(yīng)急預(yù)案，應(yīng)急預(yù)案主要包括應(yīng)急組織機構(gòu)及成員和各應(yīng)急組織機構(gòu)的職責(zé)及分工。應(yīng)急組織機構(gòu)包括現(xiàn)場總指揮、現(xiàn)場傷員營救組、物資搶救組、保衛(wèi)疏導(dǎo)組和后勤保障組等，每組組長負責(zé)本組事物的統(tǒng)籌與安排。

1）總指揮負責(zé)事故現(xiàn)場全面事務(wù)，與指揮中心進行溝通，對安全事故進行評估，控制緊急情況，與消防、醫(yī)療、交通、搶險救災(zāi)等各公共救援部門保持聯(lián)系。

2）現(xiàn)場傷員營救組開辟安全通道，對受傷人員進行分類，指導(dǎo)輕微受傷人員進行自救，并對傷重人員進行緊急治理并送往醫(yī)院。

3）物資搶救組的職能和職責(zé)是搶救可以轉(zhuǎn)移的重要物資，將可能造成二次事故的危險物資運送至安全地點。

4）保衛(wèi)疏導(dǎo)組對事故現(xiàn)場進行有效的隔離措施，保障應(yīng)急通道暢通，引導(dǎo)人員安全撤離危險地帶。

救災(zāi)應(yīng)急工作具體的基本原則是：

1）分組負責(zé)，各小組協(xié)同原則 各小組對本組的職責(zé)負全部責(zé)任，團結(jié)協(xié)同其他小組，共同做好救災(zāi)工作。

2）快速反應(yīng)，果斷處理原則 根據(jù)災(zāi)情情況，迅速反應(yīng)，果斷處置，盡最大努力，減少災(zāi)害損失，盡快恢復(fù)生產(chǎn)生活秩序。

3）規(guī)范程序，提高效能原則 應(yīng)本著因地制宜、急事急辦的原則，努力提高應(yīng)急效能。

4 結(jié)束語

本文敘述了塔機防風(fēng)抗風(fēng)的措施，提出研制塔機防臺風(fēng)地方標(biāo)準(zhǔn)，并闡述該標(biāo)準(zhǔn)的目的意義和主要內(nèi)容。同時，提出了臺風(fēng)來臨前塔機的應(yīng)急措施，分析了降低塔機高度和安裝纜風(fēng)繩這2 種應(yīng)急措施。采用Ansys 有限元分析對比有無纜風(fēng)繩下塔機的變形及應(yīng)力情況，采用Workbench 分析塔機不同整機高度下根部傾覆力矩的變化，得出了降低塔機高度和安裝纜風(fēng)繩這2 種應(yīng)急措施的可行性和有效性，提出了塔機臺風(fēng)中應(yīng)對緊急情況的指導(dǎo)預(yù)案。