獨立式超限重載塔式起重機加固優化分析

魏世輝，姚 剛，曾 強，任釗明

(1.重慶大學土木工程學院，重慶400045;2.重慶建工工業有限公司，重慶401122)

塔式起重機由于其可以提供較大的起升高度和工作幅度，實現對物料的垂直和水平運輸，在建筑施工中得到了廣泛的應用。塔式起重機屬于危險型作業設備，因此對它的安全性和穩定性有很高的要求。通常附著式塔式起重機通過控制連墻件的數量和間距來保證穩定性;對于獨立式塔式起重機，則是限制其自由高度。而對于因受使用環境的限制，而超出限定的獨立式塔吊，則需要采取必要的加固措施。傳統的加固措施，只是考慮塔吊的安全性，而往往忽略其經濟性，借助有限元計算軟件SAP2000，對獨立式塔吊的加固方式進行優化，從而為加固提供受力合理、結構形式最優化的方式。

1 工程概況

國泰藝術中心位于重慶解放碑CBD核心地帶，集國泰大劇院及美術館為一體，為重慶市標志性文化工程之一。國泰藝術中心(圖1)建筑造型新穎，設計理念獨具一格，外部采用獨特的“題湊”結構為世界首創。

圖1 國泰藝術中心效果圖

題湊結構外形上大下小，覆蓋穿行于整個建筑，外部懸挑長度達25 m之多，使得建筑周圍空間不能完全利用。同時又受困于場地內無已有建筑物利用，所以必須采用獨立式塔式起重機。施工要求起吊高度大于55m，高于獨立式塔吊的起吊高度，因此造成塔吊的自由高度超出設計規范的限定高度。為了保證獨立式起重機的安全性，需要對獨立式塔式起重機進行加固處理。

2 方案的優選

塔吊加固的樣式很多。從本工程加固現場實施加固的可行性和時效性出發，并結合加固的經濟性，對其加固方案綜合分析。比較了以下三種方案。

2.1 方案一

對塔身加設單向支撐。利用小題湊的端部支承胎架，在胎架和塔身之間加設桁架梁以及搭設腳手架，使胎架與塔身形成“一”字形支撐形式。此加固方式的材料用量和加固費用最節省，但僅能有效約束塔身單個方向的側移。

2.2 方案二

對塔身加設雙向支撐。利用小題湊的端部支承胎架，在胎架和塔身之間加設桁架梁并搭設雙向的腳手架支撐，使胎架與塔身形成“十”字形支撐形式。此加固方式能有效地約束塔身兩個方向的側移，但材料用量和加固費用耗費大。

2.3 方案三

利用小題湊的端部支承胎架，在胎架和塔身之間加設桁架梁，使胎架與塔身形成“L”字形支撐形式。此加固方式能夠同時約束塔身兩個方向的側移，且具有很好的經濟性。

圖2 方案三塔吊加固模型及節點處理示意

通過對上述三種加固方案的對比分析，認為方案三不僅有很好的約束效果;同時又具有良好的經濟性指標，故選為最終的加固方案。在此僅對方案三進行分析。

3 塔式起重機的模型分析

在胎架和塔身之間加設兩個桁架梁，使兩根桁架梁成90°角。同時在胎架與塔身之間區域搭設腳手架支撐桁架梁，防止桁架的剪切變形。為了保證不對塔身造成損壞，在塔身高度為20 m左右的直腹桿位置設置鋼板抱箍，然后將加固梁一端焊接在鋼板上，另一端焊接在胎架抱箍上，形成了加固梁和塔身之間的鉸接。根據塔身結構受力，整個塔身簡化為空間桁架結構，如圖2所示。

3.1 力學模型建立

本文分析采用三維有限元彈性應力法，借助大型有限元計算軟件SAP2000。塔式起重機的金屬結構主要包括:塔身標準節、爬升架、塔頂、起重臂、平衡臂、回轉塔身以及附著裝置等部分，其主要有角鋼、圓管等型鋼拼焊而成，故采用梁單元生成有限元分析模型。本文所需的型鋼規格均可從SAP2000軟件中的標準截面庫中調取。塔吊的幾何數據均來自某塔吊生產廠家提供的圖紙。

3.2 材料屬性

塔身主弦及臂架材質采用Q345鋼材，其余均為Q235。彈性模量 Ex=206 GPa、泊松比 μ=0.3、密度 ρ=7840 kg/m3。

3.3 邊界條件的處理

根據塔式起重機的實際受力情況，將配重、吊重、慣性荷載等以等效節點荷載施加于相應的節點;對于風荷載等效為均布線荷載施加于相應的單元。塔身與側向支撐桁架間簡化為鉸接，等效為單自由度的節點約束。塔身與固定基礎聯結節點視為固定支座，將其六個自由度全部約束(圖3)。

圖3 塔吊的有限元模型

4 工況分析

4.1 工況選擇

塔身在工作過程中，由于吊臂的旋轉，引起塔身受力狀態的變化，其受力狀況如圖4所示。本文主要對工作狀態下的塔吊進行受力分析，在工作狀態下，取下面3種工況作為計算工況，對塔身進行有限元計算分析。

工況1:起重臂平行于y軸，風從吊臂吹向配重;

工況2:起重臂平行于x軸，與風向垂直;

工況3:起重臂與x、y軸為45°夾角，風向平行于起重臂。

4.2 荷載統計

塔身所受載荷主要有，塔機本身的自重G、起升吊重Q、風荷載Fw以及塔機回轉和小車運行產生的慣性載荷FD。其中起升吊重為8 t，基本風壓為250 Pa，對于慣性載荷和風載荷按照《起重機設計規范》、《起重機設計手冊》中相關公式計算。根據《起重機設計規范》的設計要求，荷載組合應為:

圖4 荷載工況

4.3 分析結果

塔身在3種載荷工況作用下的位移計算結果見表1及圖5～圖8。

表1 位移計算結果/mm

由表1可知，各工況塔身的變形均小于塔身高度的1/100，滿足塔式起重機設計規范的剛度要求。因此，塔式起重機在進行了有效加固后，使起重機的剛度得到了很大的提高，其理論計算的穩定性和安全性得到了有效地保證。

圖5 加固前最大位移

圖6 工況1下位移

圖7 工況2下位移

圖8 工況3下位移

4.4 塔吊工作狀態實測結果

隨機選取塔式起重機的某個工作時間段，利用全站儀對塔身頂端的側向位移進行跟蹤監測。首先在塔身頂部兩個平面分別設置激光反光片，將全站儀設置于距離塔吊50 m處的位置，同時保證全站儀在測量過程中不受到干擾。在監測過程中，對塔吊起吊載荷、起吊位置進行記錄。塔吊實時跟蹤監測結果如表2。

表2 塔身頂端位移監測結果

由實時跟蹤監測數據可見，塔吊在加固后，其側向位移受到了有效地約束。根據理論分析和現場實時監測，此種加固方式起到很好的約束效果，是比較理想的加固方式。

5 結論

由于支撐桁架梁具有很好的剛性支撐效果，結合以上的對比分析可見，塔機在采用剛性桿件做支撐加固后，其頂部側移過大的問題得到了很好的改善，設置剛性支撐的加固方式效果很好。因此，在進行獨立式塔式起重機的加固時，應優先采用設置剛性支撐。同時，此種方案具有很好的經濟效果，有效的節省財力、人力和物力，在以后的獨立式塔式起重機的加固設計中有借鑒作用。

[1]胡宗武，徐履冰，石來德.非標準機械設計手冊[M].北京:機械工業出版社，2003

[2]GB/T 13752－92塔式起重機設計規范[S]

[3]趙峰.SAP2000在塔式起重機金屬結構設計中的應用[J].建設機械技術與管理，2005，8(12)

[4]王仿，高頂.塔式起重機整體結構的有限元分析[J].煤礦機械，2009，30(2)

[5]郭淑娟，孔祥軍.塔式起重機塔身有限元分析[J].科學技術與工程，2010(1)