塔式起重機腹桿布置及其影響的研究

楊海青

(遼寧省安全科學研究院 沈陽 110000)

塔式起重機（以下簡稱塔機）是房屋建筑工地和市政工程工地上常見的一種起重機械，屬于起重臂型起重機。因其多用于戶外施工建設使用，受風力影響較大，所以塔機的主要受力金屬結構大多采用格構式桁架結構。這種結構的優勢比較明顯，在保證塔機本身起重能力不降低的情況下，降低了金屬結構的自重，最重要的是使得風的通過性改善進而大大降低了風載荷，增強了設備的作業能力。但是，伴之而來問題也比較突出，格構式桁架的制造工藝復雜，節點處的應力集中較大。塔機的塔身、回轉塔身、起重臂、平衡臂和塔頂等主要受力構件均為格構式桁架，其腹桿的布置在設計上復雜多樣，且在實際生產加工中不宜準確操作，極易出現腹桿布置方案發生變化的情況，常見的有腹桿布置順序變化和位置偏移等問題。更改的布置方案，不僅僅影響了外形的美觀和協調，而且改變了桁架結構的受力走向，影響了結構的承載性能，甚至可能因此導致嚴重的安全事故。

1 塔機的腹桿布置情況

塔機上采用格構式桁架的主要受力構件包括塔身、回轉塔身、起重臂、平衡臂和塔頂等[1]。

塔身和回轉塔身多采用四條主弦桿平行的方形桁架結構。此處結構受力狀態較為復雜，主弦桿主要承受軸向的壓力和上部載荷的不平衡彎矩，而腹桿結構則要承受上部載荷旋轉產生的扭矩，上部結構可以360°旋轉，桁架結構的四個面具有各向一致性，均采用圖1（a）所示的腹桿布置形式。

起重臂多采用三條主弦桿平行的三角形桁架結構，是塔機結構設計分析中的重要環節。其中雙吊點的起重臂為超靜定結構，受力分析復雜，主要外力包括徑向的起升載荷和自重、側向的慣性載荷和風載荷以及兩個吊點和根部鉸點的過約束。主弦桿承受各向的彎矩，而腹桿則對結構的穩定性起著重要作用。起重臂桁架結構側面一般采用圖1（b）所示的腹桿布置形式，拉桿吊點位置應與兩腹桿相交位置重合，腹桿布置在與吊點位置協調配合的設計和制造過程中就容易出現問題。起重臂桁架結構底面一般采用圖1（c）所示的腹桿布置形式，但是，在實際生產過程中常出現相鄰腹桿平行布置的情況。

塔頂多為兩條或四條主弦桿不平行的梯形桁架結構，如圖1（d）所示。塔頂結構受力明確，平面桁架的塔頂結構只承載起重臂和平衡臂拉桿施加的軸向力，而空間桁架結構的塔頂還受到不平衡彎矩的作用。

圖1 塔機腹桿布置形式

2 腹桿布置位置偏移及影響

目前，大多數塔機制造都沒有對腹桿布置設計工裝，在實際的制造過程中，工人需要劃線定位，然后將上道工序下料完成的腹桿與主弦桿拼焊。這一過程受到人為因素和環境條件的影響較大，新型產品的設計圖紙尺寸缺失、工人的責任心和專業技能以及制造條件限制等都有可能使得布置方案出現偏離設計的情況，而腹桿布置位置偏移就是其中較為嚴重的一種。

如圖2（a）所示，為一種QTZ40塔機起重臂斜腹桿布置方案，腹桿分布均勻，相鄰節點尺寸為1250mm。但如果在定位尺寸上控制不嚴就會出現圖2（b）、圖2（c）的結果，圖2（b）中腹桿布置位置偏移較大，第二節間距偏移量達到了200mm，此后每個節間距縮小40mm，圖2（c）中腹桿布置位置偏移較小，第二節間距偏移量為50mm，此后每個節間距縮小10mm。桿1為正常側主弦桿，桿2為偏移側主弦桿，桿3、桿4為正常腹桿，桿5、桿6為偏移腹桿，桿7、桿8為下弦桿。

圖2 起重臂腹桿布置位置偏移

本文利用有限元軟件計算的方法[2-3]，對上述三種腹桿布置的起重臂進行結構分析。塔機起重力矩40t·m，最大額定起重量4t，最大幅度45m，最大幅度處額定載荷0.8t，工作級別A5，拉索上鉸點距下弦桿中心線垂直距離5170mm，拉索上鉸點距下弦桿的左端銷軸中心水平距離300mm，拉索吊點距下弦桿左端銷軸中心水平距離分別為11.875m和31.875m。起重臂結構采用beam188單元類型，拉索采用link8單元類型，材料為Q235B,彈性模量為210GPa,密度為7.85g/cm3。約束位置為起重臂根部和拉索上鉸點。計算工況為起重臂端部起升最大載荷，幅度為45m，起升動載荷10kN，均布風載荷3.5kN，起重臂水平慣性載荷0.97kN，起升載荷水平慣性載荷0.4kN。分析研究不包括塔機其他結構（起重臂拉桿除外），且除前吊點處腹桿位置偏移外，其余部分的結構及整體受力狀態均未改變[4]。

有限元結構分析結果見表1，其中σ1、σ2和σ3分別為圖2（a）、圖2（b）和圖2（c）所示的腹桿布置結構應力[5]。由表中的數據分析得出，桿1、桿2、桿7和桿8均為主弦桿，不同腹桿布置所對應的主弦桿應力變化不大，且相對差值最大僅為2.38%；其余桿件均為腹桿，桿6的應力值相對差值最大為12.5%?？梢?，腹桿所受影響較主弦桿要大很多；并且，隨著腹桿布置偏差值增大，應力結構所受影響也越大。

表1 起重臂腹桿布置位置偏移的影響

3 腹桿布置順序變化及影響

除腹桿布置位置發生偏移外，腹桿布置順序也是制造過程中較多出現的問題，也極容易被忽視，本文針對不同腹桿布置順序及其位置進行具體分析。

采用同一臺塔機起重臂作為分析對象，如圖3所示，兩種不同的腹桿布置方案的區別為桿5的不同布置，（a）為原設計圖紙，而（b）中桿5則與前后兩個節間的腹桿呈平行狀。桿1、桿2為主弦桿，桿3、桿4為直腹桿，桿5為斜腹桿。

圖3 起重臂腹桿布置順序變化

同樣使用有限元法進行分析計算，外部載荷及約束施加不變。結構模型共有三個，除正常的腹桿布置外，分別對臂根和臂端處腹桿布置順序變化也進行了模型構建，以比較不同位置受腹桿布置變化的影響。臂根計算工況為起重臂起升最大載荷，幅度11.6m，起升動載荷50kN，其余載荷及約束施加條件不變。

有限元結構分析結果見表2和表3，其中σ4和σ5分別為臂根和臂端處腹桿變化后的結構應力。由表中的數據分析得出，桿1和桿2為主弦桿，在上述三種布置結構中的應力基本一致；其余均為腹桿，應力較主弦桿變化明顯，且出現了應力狀態發生改變的情況；根據表2和表3對比結果可以看出，腹桿布置順序的變化在起重臂臂根的影響較在臂端大。

表2 起重臂臂根腹桿布置順序的影響

表3 起重臂臂端腹桿布置順序的影響

4 結論

本文就塔機結構中的桁架腹桿布置問題做了簡單介紹，并針對其制造過程中常出現的兩種與設計不符的起重臂腹桿布置方案進行了具體算例的分析，得出以下幾點結論：

1）兩種起重臂腹桿布置方案的變化對主弦桿受力狀態影響不大，但對腹桿結構受力影響較大；

2）起重臂腹桿布置位置偏移對結構影響較大，并且隨偏移量的增加而變大；

3）起重臂腹桿布置順序變化發生在臂根處影響比在臂端處更大。

因此，實際制造中發現與設計不符的腹桿布置方案應及時予以糾正，必要時應對已經完成制造的結構重新進行分析校核。

1 GB/T 5031-2008.塔式起重機.

2 尚小江，邱峰,等.ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用[M].北京,中國水利水電出版社,2008.

3 張朝暉.ANSYS12.0結構分析工程應用實例解析[M].北京，機械工業出版社，2010.1.

4 左一凡，高誠，黃維志.利用ANSYS對QTZ40型塔式起重機起重臂的應力分析[J].品牌與標準化，2012.6.

5 王守新.材料力學[M].大連，大連理工大學出版社，2004.2.

6 張世平，等.塔式起重機安全評估系統的應用與展望[J].中國特種設備安全.2013.29（12）：30～32.

7 趙西城，等.起重機桿式操縱聯動控制臺的檢驗[J].中國特種設備安全.2010.26（4）：34～35.