基于頂升工況下的塔機風載荷分析

陳波　任光華（新疆維吾爾自治區特種設備檢驗研究院，新疆烏魯木齊 830000）

基于頂升工況下的塔機風載荷分析

陳波任光華
（新疆維吾爾自治區特種設備檢驗研究院，新疆烏魯木齊 830000）

本文利于UG建立塔機的三維模型，模擬出不同風載荷的大小，對出頂升過程中關鍵部件的受力情況，探究塔式起重機在施工頂升過程中遇到的風荷載時的載荷特性，為塔式起重機的使用部門、檢測部門及行業管理部門提供了理論指導，降低在頂升過程中塔式起重機遇到風荷載狀態下發生的安全事故機率，保障相關部門的財產及人身安全。

塔式起重機 風載荷 三維模型

1　引言

塔式起重機常用于工業、建筑等設施建設，具有工作效率高，工作幅度大，起升高度大的特點，而塔式起重機的頂升環節中是其施工出現事故頻率最高的過程，危險性極大，確保其安全性是非常必要的研究，塔式起重機的構件主要是桁架結構形式的，維持起重機的主要工作原理是力矩平衡原理［2］，工作狀況受限于外界自然條件，尤其是風荷載因素，因此在塔式起重機的設計、安裝和使用時及拆卸階段都要加以考慮。

2　QTZ800塔機的三維建模

塔式起重機的三維建模建立的關鍵是精確的數據，各個特征的個體組合成一個完整的一體，以保證在工程圖剖視圖中的不同材料的不同方向的剖面符號。因此，三維建模不是簡單的特征組合，而是一個完整的三維幾何體，利用UG的三維模型板塊創建塔式起重機的三維數字樣機。如圖1。

由于塔機的獨立高度受限，高層建筑施工中需要設置附著裝置以防止失穩，則塔機必須隨建筑物升高而升高，不能一次吊裝完成至最高高度，而頂升加節的方法如圖2所示。

在頂升的過程中回轉平臺以上的司機室、大臂、塔帽等結構與塔身完全分開，則其頂升速度等條件受到嚴格的限制，頂升過程出現風載荷是不可避免的，本文研究頂升工況有風時，結構受力情況以及平衡參數調整，以及頂升工況時風載荷特性。

3　QTZ800塔機風載荷分析與仿真

在頂升過程中，風力破壞了起重系統的平衡而容易發生塔機傾翻事故，因此分析在頂升過程中塔機受到風載荷的特性是尤其重要的。對于小車變幅式塔機，上部結構所受水平風載荷包括固定部件風載及可動部件吊臂風載，由起重機設計規范（GB3811-2008），風載計算式為：

Fw=CKhpA

公式中：

C表示風力系數

Kh風 壓高度變化系數

p表示非工作狀態計算風壓

A起重機構件垂直于風向的實際面積

從平衡力學角度來講，其起重力矩一定時，力臂越大，起重量越小。根據勾股定理計算，垂直聳立的塔式起重機偏差1°，對于30m的獨立高度塔機而言，其起重力臂偏差0.525m。如此大的偏差是因為塔機的高度達，即力臂長。當風載荷為1N時，對于30m高的塔機基礎則受到風的抗傾覆力矩為30N·m。根據圖1設定塔機吊臂方向為X軸，塔機垂直方向為Z，與X、Z都垂直方向為Y軸。

3.1平衡臂的風載荷計算

平衡臂所受的風載荷包括配重塊、鋼絲繩卷筒、配電柜等所承受的風載。設計規范查得，大臂金屬結構主體的風力系數為1.7，其余的風力系數為1.1。同理計算平衡臂的風載荷力為：

配電柜、配重塊等其余部件風載荷力為yp76.23。

3.2塔帽的風載荷計算

塔帽是一個變截面的金屬結構，同理查閱規范根據力學的矢量相加法計算其受風載荷的大小：

則根據以上計算可得塔身在X、Y、Z方向受到的風載力矩的大小，利用UG的力學仿真模塊加載荷對頂升系統關鍵部件的受力分析，塔機頂升過程頂升套架是支撐上部結構重力及承受風載荷的主要結構。

4　結語

本文研究了塔式起重機施工頂升過程中遇到的風荷載時的載荷特性，通過研究，對塔式起重機整體建模方法進行了初探，完成了在非工作狀態下四種工況的塔式起重機整體分析，并就其中出現塔機鋼結構材料強度不足的工況提出了預防措施，通過建模加載驗證了該預防措施的可行性與可靠性，為塔機在頂升過程中受到風載荷作用下，安全作業提供了理論計算依據。

［1］孔屹剛，王杰，顧浩，王志新，徐大林.基于風剪切和塔影效應的風力機風速動態建模［J］.太陽能學報，2011（08）.

［2］賀德馨等編著.風工程與工業空氣動力學［M］.國防工業出版社，2006.

［3］李洪.淺談塔式起重機在使用中的安全問題及預控措施［J］.科技風，2008，3：24.

［4］萬春風，黃磊，汪江，朱虹.脈動風作用下塔架結構的風振響應分析［J］.科技導報.2012（01）.