浅析建筑用塔式起重机静态刚度与稳定性

柏涛

（安徽省铜陵市特种设备监督检验中心，安徽 铜陵 244000）

作为危险性比较大的特种设备，随着高强度钢材的广泛使用，结构件的强度及稳定性的要求已经很难满足使用要求，还有钢结构在极端温度下适应能力，对刚度要求则非常突出。因此塔式起重机结构件的设计时就应考虑刚性的要求。静态刚性是在规定的作用与特定位置时所产生弹性变形的结构在一处位置的静位移动值来表示。

1 塔式起重机结构静态刚度控制

塔式起重机结构件静刚度控制主要原因。

（1）塔式起重机钢结构产生变形塔机改变了原有起升高度，造成起升高度的变化。

（2）塔式起重机钢结构变形增大了相应起重量作用处的工作幅度，造成超载或使塔机性能下降。钢结构变形较大时，钢结构中的应力与作用力不再一致。

（3）塔式起重机钢结构稳定性下降时，钢结构强度和稳定性计算中必须考虑结构件变形的影响。钢结构变形直接影响到起重机的使用能力。

（4）塔式起重机钢结构安装定位困难，加大小车变幅机构臂架的位移，使小车爬坡阻力增加。

根据我国编制的GB3811-2008《起重机设计规范》中专家对塔机塔身结构静刚度提出了塔身结构静态刚度控制要求，以及相应条款的制定给控制要求提供了科学依据。塔机的静态刚度要求直接影响到塔机的整机稳定性，可见在设计时刚度的控制很有必要。

塔式起重机结构的刚性不能直接地确定着结构的承载能力，但刚性太差会直接影响塔机的使用能力和极端工作条件下的稳定性，不断的影响到结构的承载能力，及极端条件下整机稳定性。因此结构的刚度问题对塔机及其结构的正常使用与安全作业也是十分重要的。塔机在使用过程中安全状况，应考虑固定载荷、变动载荷、风载荷或动载的影响而产生显著弹性变形，在设计时对刚度的控制，从而加大整机的稳定性。

2 塔机的结构件轻量化发展

随着社会的不断发展，国家提倡节能，塔式起重机的结构件轻量化的设计是趋势，节省钢材，减塔式起重机的结构件自重，提升经济效益。合理的地设计金属结构是降低金属用量、减少构件自身质量、改善其工作性能、简化工艺和降低成本的主要途径。根据塔式起重机使用工况和使用时的要求，塔式起重机结构件必须满足强度、刚度及稳定性等种种条件的要求，要通过正确的选择钢材和合理的设计要求来保证。设计过程中应选择有很大惯性矩的截面作为塔机结构的整体截面和但肢截面，以提高塔式起重机结构件的强度及刚度的要求。根据计算，材料实体截面积相等的各种截面中以正方形箱型截面、圆环形截面的综合刚性为最好，既有较好的抗弯刚度，又有较好的抗扭刚度。因此塔身标准节通常采用整体截面正方形的桁架结构。结构件优化组合压杆稳定性改变塔身腹杆布置形式也是降低塔身自重节约成本的关键之一。

3 塔式起重机结构件安全性

3.1 各种情况下塔式起重机钢结构所考虑的安全性

（1）塔机结构件断裂的临界转变时的温度为-20℃。外界环境温度在低于这个温度时运行，在受到应力集中、材质变化不均匀的种种影响，可能导致钢结构突然断裂。这种断裂危险性很高，运行前前无任何征兆。尤其是在严寒地区，更要防止事故的发生。为了避免这种破坏的产生，一定要严格遵守设计规范对使用环境温度在-20 ～+40℃的要求。如果在低于-20℃环境温度下作业，要向制造单位申明环境温度的要求。

（2）如在设计规定的风力环境下作业，现用塔式起重机工作环境状态风速规定一般为20m/s，应该保证塔式起重机最终安装高度时的风速不应该超过此值。对塔式起重机安装高度比较大的，大臂根部铰点高度超过50m 时，使用单位应在塔式起重机顶部安装风速仪。对于在有预报的大风、地震塔机可采用拆卸放倒，或加装缆风绳等等安全措施，保证塔式起重机在特殊环境下的安全性。

（3）塔式起重机在惯性载荷下主要包括2 种情况，在起动时与制动器制动过程中发生的惯性载荷，及起升货物及塔式起重机各运转部分在旋转工作时的惯性载荷。塔式起重机司机没有按照操作规程，起升或制动时过猛，跳级换挡，运行机构调速失效。主要是回转机构、行走机构运行时打反车或猛制动，都会造成塔式起重机在起动和制动时惯性力猛然增大，即引起钢结构变形或焊缝出现裂纹的破坏，导致塔机整体倾翻。因此，杜绝以上违章操作来保证塔式起重机钢结构安全性的重要条件。

由于设计时塔式起重机是弹性系统，在突然加大载荷或减小载荷时，都会引起系统的反复弹性振动，由此产生振动载荷加大钢结构的承载的能力。塔式起重机在吊运过程中货物捆扎不规范，起吊过程中所吊货物出现滑脱，必然会造成塔式起重机臂架的屈曲失稳而遭受严重破坏。

（4）在塔式起重机起升机构中，如果在起升钢丝绳非常松弛的情况下猛然以高速起升货物离开地面，会造成很大的动载荷存在，这样的状态也是一种冲击载荷。如果塔式起重机塔身钢结构的垂直度偏差过大，重心移动过大，这时塔式起重机钢结构就会造成整体稳定性的丧失，由此引发塔式起重机整体倾翻。因此，在起生货物的初始阶段时，操作应该平稳、缓慢，减小冲击载荷，把这种载荷降到最小值。来保证塔机的整体稳定性。

3.2 塔式起重机在设计时应考虑工作级别对钢结构的影响

塔式起重机运行循环次数超过了利用等级的要求，由于交变载荷作用下，造成塔式起重机钢结构早期疲劳损坏，比如说焊缝和母材出现明显裂纹。在塔式起重机实际运行使用中，经常会发现把建筑工地使用的塔式起重机用于起升频繁的运货场所、等其他使用率极高的场所，两种使用场所塔式起重机工作级别相差很远。因此，使用单位在购买塔式起重机前应考虑实际使用场所和用途，告知制造单位使用场所的要求，在塔式起重机设计时应考虑整机以及主要机构的工作级别（运行机构、旋转机构、起升机构、变幅机构），也应包含塔机设计时利用等级和载荷利用率的大小值。并严格按照行业内的相关制造标准对工作级别设计，减少因作业场所带来工作级别不符，而造成塔式起重机钢结构疲劳产生的不安全性。

3.3 塔式起重机在设计时考虑的安全性

（1）塔身标准节结构件及大臂结构件是塔式起重机的重要组成部分，一般情况下，机构件金属结构自重占塔式起重机整机总重量的1/2 以上，塔式起重机金属结构的设计方案合理，对塔式起重机自重减小、提高塔式起重机性能是非常重要的。塔式起重机结构件按构造可分为两种形式格构式和实腹式；按受力的特点又分为以承受轴向力为主的旋转式塔身结构件及受压弯扭转作用的不旋转塔身结构件。在各种工况下设计哪种型式的塔身结构件，都必须严格按照规定计算其结构件强度、刚度和稳定性等。

（2）现用塔式起重机应用较多的是格构式，其设计计算采用平面静力的方法或间隔空间杆系有限元方法来完成设计。在任何设计中采用空间杆系有限元分析，还是采用平面静力分析的方法的方法进行设计时计算，都应该考虑到塔式起重机结构件的确定和塔式起重机标准节受力分析这两个问题。先对标准节结构件进行分析，塔式起重机的结构件形式设计与塔式起重机的类型和所用的顶升形式相关，同时还应考虑到标准节结构中是否有基础机构件、加重结构件、加强结构件或过渡结构件。其次是标准节的受力点分析，标准节受力点可分为非工作和工作两种状态。

塔式起重机结构件上所承受的的载荷有：标准节自身重量，上部大臂架和平衡臂架上的种种载荷对塔身标准节产生的作用力；塔机正常运行、回转机构制动器制动时，由塔身标准节本身质量所产生的水平惯性载荷及作用在塔式起重机标准节上的风载荷等。

塔式起重机结构件在设计的时候，以上种种载荷下要按最不利的载荷方位和载荷组合进行严格的计算，作为塔式起重机结构件计算的基本依据。正常情况下应取结构件最不利的工况进行设计计算-正常工作运行状态变幅机构小车在最大幅度时，非工作状态下主要是考虑计算最大允许风压产生的风载荷作用。各种原因来考虑塔式起重机结构件在设计时的强度、刚度以及稳定性。

4 结语

以上内容讲述塔机结构静态刚度的控制。塔式起重机结构件在设计时应考虑特殊环境下使用。塔式起重机在操作时应避免各种危险载荷对钢结构的影响。设计时使用场所工作级别确定，设计时应考虑整机稳定性安全性以及节能的浅谈。塔式起重机在检验时对静刚度的限制大大制约了发展。所以设计时怎么合理的控制塔式起重机结构布置和结构静态刚度。即节能又提高塔机的稳定性还保证了塔机的使用安全性。这一系列的问题还需要专家对塔身结构静刚度课题进行研究。