塔式起重機塔身接頭連接方式的研究

楊志林

摘 要：塔式起重機塔身標準節的施工質量直接影響了整機質量和工作可靠性。就塔式起重機塔身標準節的連接方式進行了研究，針對當前塔機生產企業普遍采用的幾種連接方式進行了結構分析，闡述了其結構特點及應用范圍，并對塔身標準節接頭的設計、制造和選型使用提出了建議，旨在為塔式起重機塔身接頭設計選型提供參考和依據。

關鍵詞：塔式起重機；塔身；標準節；高強度螺栓連接

中圖分類號：TH213.3 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.22.109

1 概述

塔式起重機（以下簡稱塔機）有很高的塔身和很長的臂架，可以提供一個很大的施工范圍，因此，廣泛應用于建筑施工和工業起重領域。塔身一般由很多個標準節組成。為了將新增加的標準節與原有塔身標準節可靠地連接在一起，標準節之間要進行連接。目前，標準節的連接主要有銷軸連接、螺栓連接兩種方式。在進行塔機標準節連接的過程中，除了接頭應互相匹配外，還應滿足一定的要求，比如連接方式必須可靠、操作簡單、經濟效益好等。從國內市場分析，螺栓連接型式在中小型塔式起重機中得到了廣泛應用，銷軸連接則主要應用于中大型塔式起重機，兩種連接方式各有優缺點。本文將對其常見的標準節連接接頭結構在設計、工藝、經濟性、使用等方面進行探討，從而為塔機塔身接頭的設計選型提供參考和依據。

2 標準節接頭典型結構

塔身標準節主要由主弦桿、腹桿、連接接頭及塔身通道等零件組成。主弦桿可直接采用各種軋制型鋼，也可由軋制型鋼或鋼板組合焊接而成。常用的型鋼有角鋼、圓管、實心圓鋼、方管、H形鋼等多種，某些時候因型鋼尺寸或截面特性不符合設計要求，也可采用焊接拼接截面，比如焊接方管、焊接H形鋼等，采用何種主肢截面取決于塔機的起重性能、供貨條件、經濟效益及開發系列產品的規劃和需要。

塔身各相鄰標準節通過主弦桿上的接頭相互連接，因此，主弦桿的截面類型在很大程度上決定了所能采用接頭的合理結構型式。根據組成標準節接頭連接件的不同，常見塔機標準節接頭一般可分為高強度螺栓連接、銷軸連接、瓦套連接三種連接方式。

2.1 高強度螺栓連接

高強度螺栓連接又可分為2種類型，即摩擦型螺栓連接和承壓型螺栓連接。其中，摩擦型螺栓連接的制造工藝簡單、工作性能可靠、成本低廉，頗為生產廠家和廣大用戶所青睞，特別是在中小型塔機中應用最為廣泛。

摩擦型螺栓連接有以下優點：①連接螺栓采用較大的預緊力，能保證相鄰標準節間的端面能緊密接觸，最大程度地消除了節間的間隙，保證了塔身的整體剛度；②能減小或消除標準節因制造原因產生的誤差，進而消除對塔身的影響；③加工簡單，工藝要求不高，安裝方便快捷；④被連接零件通過焊接與主弦桿母材相連接，對母材無削弱，無需對連接部位進行特殊加強處理。這些特點恰恰是某些銷軸連接所不具備的。

摩擦型螺栓連接的缺點為：①在使用M30以上高強度螺栓時，人力擰緊有一定困難，需借助專用工具才能擰緊；②多個螺栓連接必須考慮連接時螺栓受力不均以及高空安裝作業空間有限等。

因接頭具體結構型式的差異，摩擦型高強度螺栓連接接頭方式有各自適合的適用范圍，按目前實際使用情況說明如下。

圖1所示的接頭結構由單角鋼、螺栓套焊接而成。由于主肢為單角鋼，一般可布置2個螺栓，通過合理布置螺栓位置，可使螺栓承拉時對主肢產生的局部彎矩較小；受角鋼型號大小的限制，采用這種接頭型式的塔機時，其起重力矩通常不會很大，一般在100 t·m以下為宜。

2.2 銷軸連接

銷軸連接的原理是通過承壓和剪切來傳遞主弦桿內力，力的傳遞路線十分簡單。為了減少軸孔間隙對塔身的影響，配合精度要求較高。為了傳遞主弦桿內力，此類結構一般需有額外的魚尾板或榫頭等連接附件。有些連接結構銷軸貫穿母材，進而對母材造成了削弱，因此，在母材開孔部位必須補強。與螺栓連接結構比較，銷軸連接結構較為復雜，工藝要求高，成本相對較高。此外，對銷軸表面處理有較高的要求，否則一旦生銹，再次安裝、拆卸將非常困難。

圖2所示的結構由角鋼、內外魚尾板或厚板、銷軸等共同組成，適合于單角鋼結構。由于受角鋼型號限制，單角鋼主弦桿承載能力有限。為了保證兩銷軸承載均勻和安裝方便，魚尾板及孔等尺寸、位置精度要求較高，工藝成本較高。該結構適合于中等以上噸位塔機，一般在60～300 t·m為宜。

2.3 瓦套連接

瓦套連接其實也是螺栓連接的一種，但因其連接構造特殊，與其他螺栓連接有很大的區別，所以單獨列出分類。瓦套連接亦稱之為瓦套法蘭盤連接，也形象地稱為哈夫抱瓦連接，最早見于Linden8000系列平頭塔機。該系列塔身標準節均采用無縫鋼管焊接而成，標準節之間的連接構造頗為獨特，如圖3所示。該連接每兩節塔身標準節主弦桿接頭之間上下相對，相對的主弦桿接頭之間通過法蘭盤式端頭的端面相對接，外圍用2個半圓、帶有臺階式子口的抱瓦卡固，并用4個直徑較小的普通螺栓緊固。接頭螺栓采用內六方扳手即可安裝，安裝簡單、方便，但抱瓦和接頭體的加工精度要求高。這種塔身接頭連接的特點是：上、下兩端構造完全相同，通過法蘭盤端面和抱瓦子口構造傳力。據試驗結果，采用這種連接構造最大可傳遞多達200 t的軸力，因此，采用該類接頭的塔機通常為大型或超大型塔機。

3 標準節接頭結構設計及選型注意事項

在結構有限元軟件十分普及的今天，與以往傳統的手算相比，對塔機整機結構進行電算分析也并非是困難、復雜的工作。眾所周知，節點設計是鋼結構計算中的重點和難點，而塔機塔身接頭結構復雜，且活動可拆卸，更是節點設計中的重中之重。塔身整體結構的電算可選擇適合、相對簡單的梁桿單元進行有限元簡化計算，而要進一步對接頭進行更加詳細、深入的細部計算，需建立較為復雜的三維實體單元模型，加之目前在螺栓連接、銷軸連接等方面的理論研究仍存在較大的爭議，完善計算的方法還在不斷摸索中，進而無法驗證有限元計算結果的正確性。因此，在接頭設計中，應在不斷總結以往成熟經驗的基礎上，采取手算與電算相結合的方法進行對比分析。

塔身標準節主弦桿及接頭承受載荷的大小及方向是變化的，產生的應力為交變應力，直接影響到塔身及整機的疲勞壽命；在標準節主弦桿與接頭過渡連接處，其截面變化明顯，必然存在應力集中現象，按照相關規范要求，對包括接頭在內的塔身進行疲勞強度計算顯得尤為重要。為了防止結構疲勞破壞，在一些關鍵部位應采取適當的構造措施，盡可能地減小甚至消除應力集中。

塔機塔身標準節的安裝和拆卸為高空作業，且較為頻繁。統計數據表明，安裝和拆卸時發生的事故在塔機事故中占有很大比例，且絕大多發生在增加或拆卸塔身標準節前后。因此，接頭的設計選型應在保證受力符合規范的前提下，把安全放在第一位。在結構的構造設計上，應注意精打細算、精益求精，節點構造力求簡潔，盡可能地減少零部件的數量和質量；在外觀處理上，不應強求對稱美觀和工藝方便。

4 結束語

總之，作為塔機基礎部件的標準節，它的施工質量將直接影響塔機的質量及安全性。標準節的連接方式有很多，在對塔機塔身標準節進行連接時，要根據塔機的類型、用途、起重性能、產品定位及遠景規劃，綜合考慮連接方式以及結構的選擇，以合理利用其各項優點。本文就上述問題進行了研究和分析，以期為塔式起重機在今后更好地制造、選擇和使用奠定基礎。

參考文獻

[1]張朋，王凱暉.塔式起重機塔身標準節接頭應力集中分析[J].建筑機械，2009（19）.

[2]林華，王圣，趙毅.塔式起重機標準節斜腹桿開裂事故分析[J].建筑安全，2011（10）.

〔編輯：張思楠〕