基于Ansys 的台风下塔式起重机应急措施分析及预案*

王 毅

南京铁道职业技术学院 南京 210031

0 引言

HSE 体系健康安全实验室做出的全球范围内的塔式起重机（以下简称塔机）事故统计报告显示，有15%的塔机事故是由于恶劣天气（主要是台风）造成的。台风导致的塔机事故引起了建设行政主管部门、制造厂商、建筑施工企业以及建筑机械行业组织的重视[1]。为规范沿海地区塔机防台风工作，促进工作有序、高效、科学地展开，提升防御台风灾害能力和管理水平，保障人民的生命财产安全，本文针对塔机受灾特点提出沿海地区塔机防御抵抗台风的应急管理思路和措施，主要阐述3个方面的内容：1）研制塔机防台风地方标准；2）塔机防台应对措施及分析；3）研制塔机抗台应急预案。

1 研制塔机防台风地方标准

1.1 制定标准的目的及意义

目前，进入沿海地区的塔机的设计与制造尚无法达到沿海地区的使用要求。塔机在风载作用下的运动规律和相关研究成果并未贯彻落实到标准中，塔机防台风的要求和方法没有以规程的形式表现出来，未形成统一的塔机防台风应急指导预案，从而导致各使用单位管理混乱，台风多发地区的塔机维护和保养无明确的标准参照。

美国、中国东南沿海地区都是台风、飓风的多发地，在遭受强台风侵袭时，并未出现塔机成片倒塌和受损的现象。例如美国，因其地理位置、气候条件以及大气环流特征，年均1 000 ～2 000 次龙卷风，数量多且强度大，但很少有塔机大面积的倒塌，究其原因是其根据自身特殊的气候环境提出了恰当的塔机防风标准，且严格执行这些标准。

制定沿海地区的塔机防风地方标准对塔机的设计、制造、准入、安拆、使用、维保、报废评估处理和应急措施等具有重要意义，能从根本上提高台风高发地区塔机防风抗风的能力，降低风致塔机事故发生的频率。

1.2 塔机防台风地方标准

塔机防台风地方标准的主要内容包括总则、基本规定和技术规程。

1）总则

总则是表述本标准的序言，阐明标准的原则是贯彻安全第一、预防为主、综合管理，提高沿海地区塔机抗风能力并降低塔机事故隐患，适用范围是房屋建筑与市政工程所用的塔式起重机。塔机除了要满足地方标准外，还需满足国家颁布的现行相关标准。

2）基本规定

基本规定是对于塔机安全使用进行定性的信息规定，主要包括塔机重点防控期和重点防控区、塔机产品地方准入条件、塔机地方维护保养制度、塔机安全评估和处理标准等的规定。

①规定塔机重点防控期和重点防控区 根据往年塔机遭台风侵袭的频次及程度规定沿海地区划分为3 类台风防控区：1 级防控区、2 级防控区和3 级防控区，列出各等级防控区所包括的省市地区，并将每年7 ～9 月规定为塔机防风的重点防控期[2]。

②规定塔机产品地方准入条件 我国海南、广东、福建等地均是台风频发省份，这些地区的风力情况大于GB/T 13752-1992《塔式起重机设计规范》的设计标准，忽视了沿海与内陆地区的风力差异，租赁单位未与制造厂协议规定更高计算风压，使用单位未重视台风对塔机造成的重要危害，制定的塔机安全方案没有充分考虑台风的影响[3]。

当塔机处于工作状态时，计算风压应由150 Pa 提高到500 Pa；当塔机处于非工作状态时，计算风压由800 Pa 调整到1 000 ～1 500 Pa。基于此，塔机制造商应在使用说明书中给出塔机在使用过程中的具体防台风细则，指导用户进行抗台风措施。

当根据塔机使用说明书设计制作的地基无法达到当地使用要求时，则应对塔机地基进行二次设计，报请技术负责人审批后才可进行操作。安装单位在安装过程中应考虑当地抗台风需要，合理地选择安装位置，以规避建筑物环境带来的副作用。

③规定塔机地方维护保养制度 由于沿海地区气候环境特殊，塔机常经受风雨侵袭，腐蚀的速度较内陆快，故需在维护和保养方面提出相应的规定。应以《特种设备安全监察条例》和《建筑施工塔式起重机安装、使用、拆卸安全技术规程》等法规、章程要求为基础，重点考虑沿海地区特殊的气候特征，建立完备的沿海地区塔式起机维护保养制度。规定塔机维护保养分为机械设备维护与保养，液压爬升系统维护和保养，金属结构的维护和保养，电器系统的维护保养和塔机定时维修[4]。

④规定塔机安全评估和处理标准 规定受损塔机应接受具有评估资质的专业评估机构进行评估，评估结果主要应分为拆卸处理和修复后继续使用2 类[5]。

3）技术规程

技术规程包括安装地基的设计与制作规程，塔机的选址规程，附着装置的设计、制作和安装规程，塔机的安装拆卸规程等。

①地基的设计与制作规程 塔机基础的形式应根据工程地质、载荷大小与塔机稳定性要求、现场条件，并结合塔机制造商提供的塔机使用说明书的要求确定。塔机基础工作状态的载荷应包括塔机和基础的自重载荷、起重载荷、风载荷，并应计入可变载荷的组合系数；非工作状态下的载荷应包括塔机和基础的自重载荷、风载荷[6]。

②塔机的选址规程 塔机的安装位置应考虑钝体建筑物带来的穿堂风副作用，塔机应避免处于建筑物的负压区内，需对塔机的安装位置周围环境进行风场计算流体力学分析。

③附着装置的设计、制作和安装规程 在安装附墙架后，塔身纵轴线对支撑面的侧垂直度应小于2‰。在附墙装置设计时，必须对附墙装置（杆件及连接件）进行强度和稳定性校核。附墙架与塔机及建筑物间采用的是刚性连接，构成了稳定结构[7]。

④塔机的安装拆卸规程 塔机安装、拆卸单位必须具有从事塔机安装、拆卸业务的资质，必须拥有安全管理保证体系和制度。安装、拆卸作业人员必须持有建筑施工特种作业操作资格证书[8]。

2 塔机防风应对措施及分析

2.1 降低塔机高度

为精确模拟塔机在真实风场中的风载分布情况，按比例1∶1 在Pro E 中建立简易QTZ5010 塔机几何模型，模型省略驾驶室、拉杆、法兰、螺栓和回转支承系统等部件，塔机模型高度为35 m，标准节为1.4 m×1.4 m×2.4 m，标准节主肢选用135 mm×10 mm 的方钢，标准节斜腹杆采用60 mm×4 mm 方钢，起重臂长为28 m，上弦杆采用Φ80 mm×8 mm 的圆管，下弦杆采用100 mm×10 mm 的方钢，起重臂斜腹杆采用Φ60 mm×4 mm 的圆管。

风场计算域设置为125 m×120 m×50 m。 将塔机Pro E 模型保存为.iges 格式，将几何模型导入Workbench 软件设计模块（DM），并构建风场环境，建筑物尺寸为8 m×8 m×20 m，将塔机放在计算域风流动方向的三分之一处，计算模型图如图1 所示。网格采用ICEM CFD 自动划分网格，网格质量达到0.02 m以上，网格节点总数为3 668 152，网格单元总数量为21 813 652，计算模型网格如图2 所示。在计算域模型中，流体质量密度（空气）取值为1.29 kg/m3，粘度系数取值为1.79×10-5kg/（m·s）。

图1 计算模型图

图2 计算模型网格图

本文通过降低标准节的方法降低塔机整机和自由端高度，建立图3 所示25.4 m、27.8 m、30.2 m、32.6 m高度的4 组塔机模型，其余模型参数和设置参数均不变，在Workbench CFX 中进行数字风洞试验。

图3 各高度计算模型

根据Workbench 进行分析计算，各塔机高度模型下的塔机根部倾覆力矩如图4 所示。当塔机高度为35 m时，塔机根部倾覆力矩为M＝1.418×106N·m；塔机高度为32.6 m 时，塔机根部倾覆力矩为M＝1.289×106N·m；塔机高度为30.2 m 时，塔机根部倾覆力矩为M＝1.262×106N·m；塔机高度为27.8 m 时，塔机根部倾覆力矩为M＝9.688×105N·m；塔机高度为25.4 m 时，塔机根部倾覆力矩为M＝6.341×105N·m。

图4 塔机根部倾覆力矩与高度关系图

通过降节处理，使塔机的整体高度降低，在风载条件相同的环境，塔机结构的迎风面积不断减小，风载作用导致的根部倾覆力矩不断下降，安全性能提高，从而降低了塔机的高度，有效地提高了塔机抗风能力。因此，在台风来临前，降低塔机高度是一项有效的应对措施。

2.2 加装缆风绳

当收到台风预警信息时，施工单位可在塔机上加装缆风绳，缆风绳上端一般固定在塔身的水平腹杆处，缆风绳下端固定在锚固地锚上。缆风绳与地面的水平夹角尽量控制在45°左右，缆风绳的固定方式类似塔身外附附着支撑的方式。缆风绳的安装可使用特殊制锚固标准节，上端为普通塔机标准节，而下端为缆风绳锚固的特殊锚固节。

缆风绳的初始张紧力的调试控制流程为：首先在防风缆绳的固定端与2 调整螺杆上的牵引支架之间设置100 kN 的拉力器，将其调整到额定值后测量并记录地锚固定端与拉缆风绳固定端的2 销轴中心尺寸L计。然后拆除拉力器，将拉缆风绳固定支架重新装入2 调整螺杆，调整2 调整螺杆使地锚固定端与拉缆风绳固定端的2 销轴中心距离与测量并记录的L计一致即可[9]。

建立QTZ5010 塔机Ansys 简易模型，采用Ansys施加静力风载荷，对比有无缆风绳下塔机的变形及应力情况。图5 为未安装缆风绳时安装塔机变形和应力图，当无缆风绳时，塔机最大变形为3.641 4 m，最大应力为156 MPa。图6 为安装缆风绳时塔机变形和应力图，当安装了4 根缆风绳后，塔机最大变形为0.556 m，最大应力为117 MPa。在加装缆风绳后，塔机变形下降了3.085 4 m，下降了84.73%，最大应力下降了39 MPa，下降了25%。因此，在台风来临前，加装缆风绳是一项有效的应对措施。

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图5 无缆风绳时塔机变形与应力

图6 有缆风绳时塔机变形与应力

2.3 其他有效措施

当塔机未安装附墙装置或独立高度过大时，应加装附墙装置。已安装附墙装置的塔机，应对附墙装置进行全面检查，确保无松动、无开焊、无变形，同时加装附墙框十字撑杆。应立即对塔机上设有的标牌、横幅等悬挂物和易坠物进行清除，消除坠落隐患并减小了塔机结构的迎风面积。检查塔机标准节的连接螺栓，避免出现断裂、螺母脱落和连接套焊缝脱落等螺栓失效形式；错开交叉塔机的安装高度，以避免塔机碰撞失效。若塔机使用说明书中包含防台风细则，塔机施工单位则需严格按照使用说明书落实防风措施。

3 研制塔机抗台应急预案

制定塔机抗台应急预案，应急预案主要包括应急组织机构及成员和各应急组织机构的职责及分工。应急组织机构包括现场总指挥、现场伤员营救组、物资抢救组、保卫疏导组和后勤保障组等，每组组长负责本组事物的统筹与安排。

1）总指挥负责事故现场全面事务，与指挥中心进行沟通，对安全事故进行评估，控制紧急情况，与消防、医疗、交通、抢险救灾等各公共救援部门保持联系。

2）现场伤员营救组开辟安全通道，对受伤人员进行分类，指导轻微受伤人员进行自救，并对伤重人员进行紧急治理并送往医院。

3）物资抢救组的职能和职责是抢救可以转移的重要物资，将可能造成二次事故的危险物资运送至安全地点。

4）保卫疏导组对事故现场进行有效的隔离措施，保障应急通道畅通，引导人员安全撤离危险地带。

救灾应急工作具体的基本原则是：

1）分组负责，各小组协同原则 各小组对本组的职责负全部责任，团结协同其他小组，共同做好救灾工作。

2）快速反应，果断处理原则 根据灾情情况，迅速反应，果断处置，尽最大努力，减少灾害损失，尽快恢复生产生活秩序。

3）规范程序，提高效能原则 应本着因地制宜、急事急办的原则，努力提高应急效能。

4 结束语

本文叙述了塔机防风抗风的措施，提出研制塔机防台风地方标准，并阐述该标准的目的意义和主要内容。同时，提出了台风来临前塔机的应急措施，分析了降低塔机高度和安装缆风绳这2 种应急措施。采用Ansys 有限元分析对比有无缆风绳下塔机的变形及应力情况，采用Workbench 分析塔机不同整机高度下根部倾覆力矩的变化，得出了降低塔机高度和安装缆风绳这2 种应急措施的可行性和有效性，提出了塔机台风中应对紧急情况的指导预案。