塔式起重机塔身标准节接头结构型式分析

2015-07-29文朝辉王永新WENZhaohuiWANGYongxin湖北江汉建筑工程机械有限公司湖北荆州43400山东电力建设第一工程公司山东济南503

建筑机械化 2015年3期

关键词：塔式起重机塔身

文朝辉，王永新WEN Zhao-hui, WANG Yong-xin(.湖北江汉建筑工程机械有限公司，湖北荆州 43400；.山东电力建设第一工程公司，山东济南 503)

塔式起重机塔身标准节接头结构型式分析

文朝辉1，王永新2
WEN Zhao-hui, WANG Yong-xin
(1.湖北江汉建筑工程机械有限公司，湖北荆州 434020；2.山东电力建设第一工程公司，山东济南 250131)

[摘要]从结构设计、工艺性、经济性等方面着手，对塔式起重机常用塔身接头型式逐一进行全面对比分析，指出其连接方式的结构特点及应用范围，为塔式起重机塔身接头设计选型提供参考依据。

[关键词]塔式起重机；塔身；标准节；接头

1 概述

塔式起重机（以下简称塔机）是广泛应用于各类建筑、水利、电力、桥梁、造船等工程建设领域中最重要的物料提升设备。随着建构筑物的不断增高，物料的提升高度相应增加，这就要求塔机的起升高度必须随之增高，才能把物料吊运到相应作业面高度。起升高度的增高可通过在已有塔身基础上，逐渐增加标准节来实现的，这也体现了塔机不同于其他起重设备的突出优势。

为将新增加的标准节与原有塔身标准节可靠地连接在一起，标准节之间的连接，除接头应互相匹配外，还应满足一定的要求，如连接方式必须可靠、操作简单方便等，这是因为塔机的增高和降低十分频繁的缘故。从以上可以看出，塔身标准节是整个塔机上重要的结构部件，无论设计制造，还是安拆使用，接头的结构型式都占有极其重要的地位；与此同时，为控制接头的制造和使用成本，使其具有较好的经济性，还应兼顾接头具有较好的加工工艺性。为保证上述要求，现根据塔身标准节主弦杆的结构型式、整机起重力矩方面等多方面因素，对常见的标准节连接接头结构在设计、工艺性、经济性、使用等方面进行总结与探讨，为塔机塔身接头的设计选型提供参考依据。

2 标准节接头典型结构

国内外塔机生产厂家众多，产品规格及型号亦千差万别，其中最为典型的区别体现在塔身结构型式的多种多样，且各自独具特色。例如：Liebherr公司的HC系列塔机，均采用矩形断面钢管焊接结构塔身；Potain公司的TOPKIT系列塔机，其中包括我国引进技术大量生产，并为大家所熟知的F0/23B、H3/36B塔机，其塔身主弦杆、腹杆均采用角钢制成；Linden公司早期的8000系列塔机，其塔身标准节均采用圆钢管结构等。无论采用哪种型式的主肢截面，都是生产厂家根据自身条件，经过多年的更新换代，逐渐形成了自身的传统与优势，并传承至今，这也是塔机模块化设计发展的必然结果。

塔身标准节主要由主弦杆、腹杆、连接接头及塔身通道等零件组成。主弦杆可直接采用各种轧制型钢，也可由轧制型钢或钢板组合焊接而成。常用的型钢有角钢、圆管、实心圆钢、方管、H型钢等多种，有时由于型钢尺寸或截面特性不符合设计要求，也可采用焊接拼接截面，如焊接方管、焊接H型钢等，采用何种主肢截面取决于塔机的起重性能、供货条件、经济效益及开发系列产品的规划和需要。

塔身各相邻标准节通过主弦杆上的接头相互连接，因此主弦杆的截面类型在很大程度上决定了所能采用接头的合理结构型式。根据组成标准节接头连接件的不同，常见塔机标准节接头一般可分为高强度螺栓连接、销轴连接、瓦套连接3种连接方式。

2.1 高强度螺栓连接

高强度螺栓连接又可分为2种型式，即摩擦型螺栓连接和承压型螺栓连接，其中摩擦型螺栓连接制造工艺简单、工作性能可靠、成本低廉，颇为生产厂家和广大用户所青睐，特别以中小型塔机应用最为广泛。

摩擦型螺栓连接有以下优点：连接螺栓采用较大的预紧力，能保证相邻标准节间的端面能紧密接触，最大程度消除了节间的间隙，进而保证了塔身的整体刚度；能减小或消除标准节因制造原因产生的误差对塔身的影响；加工简单，工艺要求不高，安装方便快捷；被连接零件通过焊接与主弦杆母材相连接，对母材无削弱，无需对连接部位进行特殊加强处理。这些特点恰恰是某些销轴连接所不具备的。

其缺点是：在使用M30以上高强度螺栓时，人力拧紧有一定困难，需借助专用工具才能拧紧；多个螺栓连接必须考虑连接时螺栓受力不均以及高空安装作业空间有限等。

因接头具体结构型式的差异，摩擦型高强度螺栓连接接头方式有各自适合的使用范围，按目前实际使用情况说明如下。

图1所示接头结构由单角钢、螺栓套焊接而成。因主肢为单角钢，一般可布置2个螺栓，通过合理布置螺栓位置，可使螺栓承拉时对主肢产生的局部弯矩较小；受角钢型号大小的限制，采用这种接头型式的塔机，其起重力矩通常不会很大，一般在100tm以下为宜。

图2接头结构由单角钢、厚板焊接而成。这种接头的螺栓布置在角钢内部，受结构本身的制约，不宜使用2个及以上的连接螺栓。这种接头在受拉时，会对主肢有较大的局部偏心弯矩，因此采用这种接头的塔机其起重力矩更小，一般在50tm以下为宜。

图3、图4及图5接头结构由方管或圆管、螺栓套焊接组成。主弦杆可为方形或圆形，在其外围可布置更多的螺栓套，连接的承载力可以更大，应用范围更广。考虑到主弦杆外缘一般作为顶升时的导向轨道，故一般最多能布置3～4个螺栓套，塔机起重力矩一般控制在250tm以下为宜。图3所示2个螺栓的合力作用线不在主弦杆截面形心位置，受载时会对主肢产生较大的局部偏心弯矩，因此，这种布置方式就显得不太合理，较合理的布置形式如图4及图5所示。

图1 螺栓连接接头一

图2 螺栓连接接头二

图3 螺栓连接接头三

图4 螺栓连接接头四

图5 螺栓连接接头五

图6 螺栓连接接头六

图6接头结构由H型钢和若干竖向筋板等组成，螺栓处于主弦杆的内部，不影响主弦杆外缘作为顶升套架轨道使用，另外当主弦杆受力较大时，要求的H型钢截面积也相应较大，主肢外形尺寸也随之增大，主肢内部可布置4个或6个甚至更多数量的螺栓，接头的承载力更大，但螺栓布置受拧紧螺栓时扳手所需空间的限制，因此该结构不适合小吨位塔机，应用在300tm以上的塔机较为合理。

图7接头结构由H型钢和厚板焊接组成，螺栓也处于主弦杆内部，可布置2个以上的螺栓，但如厚板与主肢之间没有加强措施，则接头的承载力有限，在同等情况下接头的承载力弱于图6接头，该结构适合200～500tm左右的塔机。

承压型螺栓连接方式见图8，这种结构承载的基本原理是通过螺杆剪切面来传递外力，螺杆与孔为较小间隙的精制孔配合。为传递较大的外力，则需采用数量较多的螺栓；但为使安装简单方便，则螺栓数量不宜过多，因为螺栓数量越多，螺栓之间的受力也越不均匀；螺栓孔的尺寸精度、位置精度要求也更高，这些特点决定了接头加工工艺复杂、烦琐；另外因承压螺栓数量多，安装也比较困难，故该结构一般建议用于200tm以内的塔机为宜。

图7 螺栓连接接头七

图8 螺栓连接接头八

2.2 销轴连接

销轴连接的原理是通过承压和剪切来传递主弦杆内力，力的传递路线十分简单明确。为减少轴孔间隙对塔身的影响，配合精度要求较高。为传递主弦杆内力，此类结构一般需有额外的鱼尾板或榫头等连接附件。有些连接结构销轴贯穿母材，会对母材造成削弱，因此，在母材开孔部位必须补强。与螺栓连接结构比较，销轴连接结构较为复杂，工艺要求高，成本自然也相对较高。另外，对销轴表面处理有较高要求，否则一旦生锈，再次安装、拆卸将非常困难。

图9所示结构由角钢、内外鱼尾板或厚板、销轴等共同组成，适合于单角钢结构，因受角钢型号限制，单角钢主弦杆承载能力有限。为保证两销轴承载均匀和安装方便，鱼尾板及孔等尺寸、位置精度要求较高，工艺成本较高。该结构适合于中等以上吨位塔机，一般在60～300tm左右为宜。

图10所示结构由平行布置的双角钢、内外板和销轴等共同组成，因销轴剪切面比图1所示结构多，再加上双角钢的缘故，其承载能力比图9所示结构大，但该结构的缺点是：平行并列布置的双角钢被遮挡的内侧面防腐处理困难，各尺寸、位置精度要求更高。因此，出于成本上的考虑，此类结构一般用于较大吨位的塔机，如300～600tm。

图9 销轴连接接头一

图10 销轴连接接头二

图11所示结构由方管、方榫头和销轴等共同组成，适合于方管结构，因榫头处主肢开孔较多，截面削弱较大，母材局部必须补强；榫头通常采用高强度材料锻后加工，孔精度要求也高，因此这类接头的成本较高。采用该类接头的塔机通常吨位较大，一般在300tm以上。

图12所示结构由连接板或方榫头和销轴等共同组成，适合于H钢结构，连接板或榫头通常采用高强度材料锻后加工，与图11接头类似，成本也较高。另外，这种主弦杆不限于采用成型H型钢，也可以采用钢板焊接组成的H型钢，因此，采用该类接头的塔机更大，一般在400tm以上。

图11 销轴连接接头三

图12 销轴连接接头四

图13所示结构由连接耳板、连接板、销轴等共同组成，适合于圆钢截面主弦杆，连接板采用高强度材料锻后加工。因实心圆钢回转半径较小，为保证主弦杆的稳定性，必须采用较大直径的圆钢，以获得较大的单肢计算长度，因此采用该类接头的塔机通常起重力矩较大，一般在500tm以上。

2.3 瓦套连接

瓦套连接其实也是螺栓连接的一种，但因其连接构造特殊，与其他螺栓连接有很大的区别，所以单独列出分类。

瓦套连接亦称之为瓦套法兰盘连接，也形象地俗称为哈夫抱瓦连接，最早见于Linden 8000系列平头塔机。该系列塔身标准节均采用无缝钢管焊接而成，标准节之间的连接构造颇为独特（如图14）：每两节塔身标准节主弦杆接头之间上下相对，相对的主弦杆接头之间通过法兰盘式端头的端面相对接，其外围用2个半圆的、带有台阶式子口的抱瓦卡固，然后再用4个直径较小的普通螺栓加以紧固（哈夫，即英语half的音译，此即俗称的由来）。接头螺栓采用内六方扳手即可安装，故安装简单，且迅速方便，但抱瓦和接头体的加工精度要求高。这种塔身接头连接的特点是：上下两端构造完全相同，通过法兰盘端面和抱瓦子口构造传力，据试验，采用这种连接构造最大可传递多达200t的轴力，因此采用该类接头的塔机通常为大型或超大型塔机。

图13 销轴连接接头五

图14 瓦套连接接头

3 标准节接头结构设计及选型注意事项

在结构有限元软件十分普及的今天，和以往传统的手算相比，对塔机整机结构进行电算分析也并非是很困难复杂的工作。众所周知，节点设计是钢结构计算中的重点和难点，而塔机塔身接头结构复杂，且活动可拆卸，更是节点设计中的重中之重：塔身整体结构的电算可选择合适且相对简单的梁杆单元进行有限元简化计算，而要进一步对接头进行更为详细深入的细部计算，需建立较为复杂的三维实体单元模型，再加上目前在螺栓连接、销轴连接等方面的理论研究仍存在较大的争议，至今没有定论，完善的计算方法还在不断摸索中，从而无法验证有限元计算结果的正确性，因此在接头设计上，应在不断总结吸收以往成熟经验的基础上，采取手算和电算相结合的办法进行对比分析。

塔身标准节主弦杆及接头承受载荷的大小及方向是变化的，产生的应力为交变应力，直接影响到塔身及整机的疲劳寿命；在标准节主弦杆与接头过渡连接处，其截面变化明显，必然存在应力集中现象，按照相关规范的要求，对包括接头在内的塔身进行疲劳强度计算显得尤为重要。为了防止结构疲劳破坏，在一些关键部位应采取适当的构造措施，尽可能减小甚至消除应力集中。

塔机塔身标准节的安装与拆卸为高空作业，且较为频繁。统计数据表明，安装、拆卸时发生的事故在塔机事故中占有很大的比例，且绝大多发生在增加或拆卸塔身标准节前后，因此，接头的设计选型应在保证受力符合规范的前提下，把安全放在第一位。在结构的构造设计上，应注意精打细算，精益求精，节点构造力求更为简洁，尽可能减少零部件的数量及重量。在外观处理上，不应强求对称美观和工艺方便。