塔吊模型的结构分析及其优化

林涌锋 陈玉骥 刘善晴 麦毅康 梁嘉伟 包亮明

摘 要：本文对塔吊模型进行研究，以竹皮为材料，从结构比选论证、材料及方案选择、设计计算、施工制作、荷载试验到优化模型等过程，对塔吊模型进行优化分析。通过模型制作與加载试验，考察塔吊结构模型的受力特征和承载能力，以观察到特征分析模型的破坏特点，针对薄弱环节对模型加以优化。此外，利用Midas Civil对模型进行模拟加载受力分析，并验证试验加载结果。最后，得出最优荷重比的塔吊模型选型及其截面尺寸。

关键词：塔吊模型；迈达斯建模；结构分析

中图分类号：TU318 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）17-0043-04

Structural Analysis and Optimization of Tower Crane Model

LIN Yongfeng CHEN Yuji LIU Shanqing MAI Yikang LIANG Jiawei BAO Liangming

Abstract： In this paper， the tower crane model was studied. With bamboo skin as the material， the tower crane model was optimized and analyzed from the process of structural comparison and selection， material and scheme selection， design calculation， construction production， load test and optimization model. Through the model making and loading test， the stress characteristics and bearing capacity of the tower crane structure model were investigated in order to observe the damage characteristics of the characteristic analysis model， and the model was optimized according to the single link. In addition， Midas Civil was used to simulate the loading of the model， and the loading results were verified. Finally， the model selection and section size of tower crane with optimal load ratio were obtained.

Keywords： tower crane model；MIDAS modeling；structural analysis

1 项目研究的目的

塔式起重机是高层建筑物施工不可或缺的设备，在土木工程建设中占有重要地位。本项目基于2017年广东省结构设计大赛，以塔吊模型为对象，开展这种结构模型的结构分析及其优化设计，该研究具有重要的现实意义和工程价值。通过结构设计创新，按照最优荷重比的目标，在塔吊结构方案设计中，培养了相关人员的开拓创新精神及塔吊结构分析优化能力；在一次次结构优化和荷载试验中不断提高观察分析结构响应现象和解决实际问题的能力，加深对专业知识的理解，培养团队协作的精神，为今后从事土木工建设工作打下坚实的基础。

2 方案比选

通过传力路径等结构概念对模型体系进行定性分析，了解各个体系的主要受力特征，讨论设计塔吊结构方案，选出3个较优的方案。具体方案如下。

2.1 方案一

方案一的结构如图1所示。

该塔吊结构高700mm，宽130mm，吊臂长度420mm，平衡臂长255mm。塔身是一个矩形，截面为140mm×130mm，总共分为4层，其中最上层高160mm。

本模型在吊臂及平衡臂上采用下承式悬臂构造，利用拉条控制其下沉挠度；塔身采用桁架式结构，中间用拉条进行防失稳加固，增强了模型的稳定性。

2.2 方案二

方案二的结构如图2所示。

本方案采用斜拉平衡臂和吊臂的方式，使得自重比单纯桁架结构轻，也更好地利用了竹皮抗拉性能强的特点。塔身采用常规的桁架结构，充分利用杆件受压和竹拉条受拉，以提高塔身的稳定性。此外，用斜杆固定竖杆，不让其失稳[1]。

模型底座约束了竖直、水平和转动的自由度，所以底座是固定支座，平衡臂和吊臂的竹拉条相当于铰结点，充分利用了拉条的灵活性，也增大了抵抗弯矩的能力。

2.3 方案三

方案三的结构如图3至图6所示。

第三个方案选型基本与方案二相同，不同的是，此方案中的平衡臂稍微往上翘起，有利于一级加载时避免平衡臂受力过大而被破坏。

通过讨论分析，我们决定对方案三进行模型优化。

3 模型优化

3.1 模型特色

本模型的特色在于模型的上部分平衡臂和吊臂处的拉条及塔尖的设计。在拉条的作用下，将平衡臂和吊臂处的竖向荷载通过塔尖的斜撑杆和竖撑杆很好地传递到模型下部的支撑部分，形成一个完整的传力体系。此外，拉条的使用而使平衡臂和吊臂处的杆件均受轴力作用。竖向荷载通过斜撑杆和拉条直接传到塔身再传到基础，故模型具有传力路径短的优势。

3.2 设计思路

加载共分3级进行。第1级荷载，在塔吊的平衡臂（短段）及吊臂（长段）安置加载用的加载条及挂钩，平衡臂处的配重100N；第2级荷载，在吊臂端施加重量30N；第3级荷载，在吊臂端施加自选的重量80～120N（此重量已经包括之前的30N）。此外，还有挠度的要求（平衡臂和吊臂加载时的垂直向下挠度W）。为了满足设计要求，模型的长端和短端都会翘起一个角度，这主要是为了降低加载时的下降挠度。

对于模型塔顶，在竖向荷载作用时，两端的杆件受压，容易出现压杆失稳的现象。对于侧向的失稳，我们采用了贴条的方式；对于竖向失稳，短端杆件长度短，不易失稳，只采用分段的方式来增强短端压杆每段的刚度。而长端压杆长，竖向失稳现象严重（压杆中心处最明显），因此，我们在将压杆分段的前提下还增加了2根三角杆作用在2压杆的中心，且在连接时用贴条黏合，这样上下两个方向的失稳都可以控制[2]。

对于模型塔身，为满足设计要求，4根支撑杆（压杆）之间用小三角杆撑开。由于手工制作的误差，模型塔顶两处加载点很难对中，其长端和短端处两拉条的拉力不等，这就使模型整体不均匀扭转，故而在塔身采用侧向拉条来防止模型扭转过大而被破坏。以此思路设计了二维受力的塔吊模型。

3.3 材料截面选择

3.3.1 材料试验。为了使得结构能承载荷载目标值的同时，整个模型的自重相对较轻，又能提高试验效率，我们对不同尺寸和不同层数的杆件进行测试。杆件的尺寸及对应的荷载见表1。

3.3.2 截面优化。通过对模型不断加载试验后，得出较为合理的杆件尺寸，如表2所示。

由图7至图9可知，在加载时，长臂杆及平衡臂杆会产生弯矩；近平衡臂下竖杆在一级加载时承受较大压力，后由于二级加载平衡了一部分；近吊臂下竖杆在一级加载时主要承受拉力后在二、三级加载中变为压力；上竖杆承受的压力随着加载的进行而不断增加；斜撑杆主要承受压力。迈达斯建模模型受力情况与前面试验加载情况相符。

4 项目实施过程中存在的問题及原因分析

①实际加载的荷载有可能超出杆件模拟计算出来的值。因为在实际制作中，模型制作存在一定的手工工艺误差，加上材料存在偶然性，有些杆件所能承受的荷载值低于设计值。此时，就要在制作上要认真负责对待，细心制作好每一根杆件。此外，还要检查好材料的完整性，避免出现材料存在缺陷，导致模型应力过于集中。

②吊臂与塔身连接部分加载时弯曲较大。因为4条柱都要先后承受压力和拉力，所以必须贴片，从而使节点变成刚性节点，吊臂产生挠度，变形产生弯矩传到柱子，受压侧的柱子就会弯曲变形，承载力下降。

③节点处理不好发生节点破坏。手工拼接难免导致本应该是轴心受压有时发生偏心连接。在制作完成后，应该对模型的敏感部位或者重要受力点进行检查复核，减少不必要的错误。

④塔吊模型加载时有一定的挠度和变形，在节点处形成弯矩，对模型受力产生较大影响，所以要预先考虑模型的变形，在制作时就调整杆件的交汇点位置，确保在加载时模型变形后力交汇在一点，减小变形的影响，使受力合理。

5 项目实施过程中创新思维和实践能力方面的收获

①在研究方面，要勤于动脑。创新试验不是一个普通的试验，在创新的过程中，要依据书籍。本文的研究是一个新的领域，因此，笔者需要为自己寻找书籍，了解试验原理，确定创新方向。在创新过程中会遇到很多问题，这时就要认真思考。

②在创新方面，笔者必须首先确定创新的方向和目标。要始终关注创新，绝不能背离主题，也不能随意猜测。必须根据目的提出猜想，然后通过试验来验证猜想。

③对本文设计的塔吊模型而言，其是理论与实际的结合，当讨论模型选型时，要定出一个摸索方向，这个方向是设计人员思考、动脑、讨论和思想碰撞的结果。模型制作更是重中之重，要思考每一根杆件的相互拼接，每根杆件的细心制作都极大地锻炼了设计人员的毅力，使其思考问题更加全面。

④由于模型制作和试验需要花费大量的时间，所以必须要有一个高效率的实施方法。考虑到塔吊模型需要解决力臂这个大难题，设计人员将塔吊分为吊臂和塔身上下两部分，在保证上部结构实现理想方案后，再结合下半部分进行整体试验，避免反复试验时造成塔身被破坏。

参考文献：

[1]李廉锟.结构力学[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]孙训方.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2010.