塔式起重机腹杆布置及其影响的研究

2014-04-13杨海青

中国特种设备安全 2014年8期

杨海青

(辽宁省安全科学研究院沈阳 110000)

塔式起重机（以下简称塔机）是房屋建筑工地和市政工程工地上常见的一种起重机械，属于起重臂型起重机。因其多用于户外施工建设使用，受风力影响较大，所以塔机的主要受力金属结构大多采用格构式桁架结构。这种结构的优势比较明显，在保证塔机本身起重能力不降低的情况下，降低了金属结构的自重，最重要的是使得风的通过性改善进而大大降低了风载荷，增强了设备的作业能力。但是，伴之而来问题也比较突出，格构式桁架的制造工艺复杂，节点处的应力集中较大。塔机的塔身、回转塔身、起重臂、平衡臂和塔顶等主要受力构件均为格构式桁架，其腹杆的布置在设计上复杂多样，且在实际生产加工中不宜准确操作，极易出现腹杆布置方案发生变化的情况，常见的有腹杆布置顺序变化和位置偏移等问题。更改的布置方案，不仅仅影响了外形的美观和协调，而且改变了桁架结构的受力走向，影响了结构的承载性能，甚至可能因此导致严重的安全事故。

1 塔机的腹杆布置情况

塔机上采用格构式桁架的主要受力构件包括塔身、回转塔身、起重臂、平衡臂和塔顶等[1]。

塔身和回转塔身多采用四条主弦杆平行的方形桁架结构。此处结构受力状态较为复杂，主弦杆主要承受轴向的压力和上部载荷的不平衡弯矩，而腹杆结构则要承受上部载荷旋转产生的扭矩，上部结构可以360°旋转，桁架结构的四个面具有各向一致性，均采用图1（a）所示的腹杆布置形式。

起重臂多采用三条主弦杆平行的三角形桁架结构，是塔机结构设计分析中的重要环节。其中双吊点的起重臂为超静定结构，受力分析复杂，主要外力包括径向的起升载荷和自重、侧向的惯性载荷和风载荷以及两个吊点和根部铰点的过约束。主弦杆承受各向的弯矩，而腹杆则对结构的稳定性起着重要作用。起重臂桁架结构侧面一般采用图1（b）所示的腹杆布置形式，拉杆吊点位置应与两腹杆相交位置重合，腹杆布置在与吊点位置协调配合的设计和制造过程中就容易出现问题。起重臂桁架结构底面一般采用图1（c）所示的腹杆布置形式，但是，在实际生产过程中常出现相邻腹杆平行布置的情况。

塔顶多为两条或四条主弦杆不平行的梯形桁架结构，如图1（d）所示。塔顶结构受力明确，平面桁架的塔顶结构只承载起重臂和平衡臂拉杆施加的轴向力，而空间桁架结构的塔顶还受到不平衡弯矩的作用。

图1 塔机腹杆布置形式

2 腹杆布置位置偏移及影响

目前，大多数塔机制造都没有对腹杆布置设计工装，在实际的制造过程中，工人需要划线定位，然后将上道工序下料完成的腹杆与主弦杆拼焊。这一过程受到人为因素和环境条件的影响较大，新型产品的设计图纸尺寸缺失、工人的责任心和专业技能以及制造条件限制等都有可能使得布置方案出现偏离设计的情况，而腹杆布置位置偏移就是其中较为严重的一种。

如图2（a）所示，为一种QTZ40塔机起重臂斜腹杆布置方案，腹杆分布均匀，相邻节点尺寸为1250mm。但如果在定位尺寸上控制不严就会出现图2（b）、图2（c）的结果，图2（b）中腹杆布置位置偏移较大，第二节间距偏移量达到了200mm，此后每个节间距缩小40mm，图2（c）中腹杆布置位置偏移较小，第二节间距偏移量为50mm，此后每个节间距缩小10mm。杆1为正常侧主弦杆，杆2为偏移侧主弦杆，杆3、杆4为正常腹杆，杆5、杆6为偏移腹杆，杆7、杆8为下弦杆。

图2 起重臂腹杆布置位置偏移

本文利用有限元软件计算的方法[2-3]，对上述三种腹杆布置的起重臂进行结构分析。塔机起重力矩40t·m，最大额定起重量4t，最大幅度45m，最大幅度处额定载荷0.8t，工作级别A5，拉索上铰点距下弦杆中心线垂直距离5170mm，拉索上铰点距下弦杆的左端销轴中心水平距离300mm，拉索吊点距下弦杆左端销轴中心水平距离分别为11.875m和31.875m。起重臂结构采用beam188单元类型，拉索采用link8单元类型，材料为Q235B,弹性模量为210GPa,密度为7.85g/cm3。约束位置为起重臂根部和拉索上铰点。计算工况为起重臂端部起升最大载荷，幅度为45m，起升动载荷10kN，均布风载荷3.5kN，起重臂水平惯性载荷0.97kN，起升载荷水平惯性载荷0.4kN。分析研究不包括塔机其他结构（起重臂拉杆除外），且除前吊点处腹杆位置偏移外，其余部分的结构及整体受力状态均未改变[4]。

有限元结构分析结果见表1，其中σ1、σ2和σ3分别为图2（a）、图2（b）和图2（c）所示的腹杆布置结构应力[5]。由表中的数据分析得出，杆1、杆2、杆7和杆8均为主弦杆，不同腹杆布置所对应的主弦杆应力变化不大，且相对差值最大仅为2.38%；其余杆件均为腹杆，杆6的应力值相对差值最大为12.5%。可见，腹杆所受影响较主弦杆要大很多；并且，随着腹杆布置偏差值增大，应力结构所受影响也越大。

表1 起重臂腹杆布置位置偏移的影响

3 腹杆布置顺序变化及影响

除腹杆布置位置发生偏移外，腹杆布置顺序也是制造过程中较多出现的问题，也极容易被忽视，本文针对不同腹杆布置顺序及其位置进行具体分析。

采用同一台塔机起重臂作为分析对象，如图3所示，两种不同的腹杆布置方案的区别为杆5的不同布置，（a）为原设计图纸，而（b）中杆5则与前后两个节间的腹杆呈平行状。杆1、杆2为主弦杆，杆3、杆4为直腹杆，杆5为斜腹杆。

图3 起重臂腹杆布置顺序变化

同样使用有限元法进行分析计算，外部载荷及约束施加不变。结构模型共有三个，除正常的腹杆布置外，分别对臂根和臂端处腹杆布置顺序变化也进行了模型构建，以比较不同位置受腹杆布置变化的影响。臂根计算工况为起重臂起升最大载荷，幅度11.6m，起升动载荷50kN，其余载荷及约束施加条件不变。

有限元结构分析结果见表2和表3，其中σ4和σ5分别为臂根和臂端处腹杆变化后的结构应力。由表中的数据分析得出，杆1和杆2为主弦杆，在上述三种布置结构中的应力基本一致；其余均为腹杆，应力较主弦杆变化明显，且出现了应力状态发生改变的情况；根据表2和表3对比结果可以看出，腹杆布置顺序的变化在起重臂臂根的影响较在臂端大。