塔式起重機拼裝式超長附著桿設計與應用

徐云新，李 剛

(江蘇中建達豐機械工程有限公司，北京 100012)

塔機在超過獨立高度后需要進行附著才能繼續工作，不同的塔機型號、塔機平面布置其附著桿件長度、截面以及桿件內力基本不同。

通過閱讀相關文件，梳理了塔機拼裝式超長附著桿件設計相關因素，從設計上最大程度降低超長附著桿件產生的風險成本，保證施工安全，以此為其它類似工程提供參考和借鑒。

1 四桿單側式附著受力模型

由于附著桿件的剛度遠遠小于附著框的剛度，在計算過程中將附著框整體視為剛體并忽略附著框摩擦、安裝、制造等因素。

塔機附著桿件設計一般按工作狀態和非工作狀態兩個工況考慮，工作狀態下塔機附著框受到荷載為水平力以及扭矩，其受力模型如圖1 所示。

圖1 工作狀態塔機附著裝置力學模型

非工作狀態下，為了減小塔機回轉以上風荷載，將塔機回轉限位打開，塔機回轉以上結構可隨風360°自由旋轉，塔機附著框所受荷載僅為水平力，其受力模型如圖2 所示。

圖2 非工作狀態塔機附著裝置力學模型

2 附著桿件內力確定

四桿單側式附著裝置為一次超靜定結構，附著桿件內力通過有限元求解，也可通過其他方法確定。

2.1 荷載施加

工作狀態下塔機附著框受到荷載為水平力以及扭矩，非工作狀態下塔機附著框受到荷載為水平力，將水平力分解為Fx、Fy。以T7527 塔機為例，采用Midas Gen 有限元分析軟件進行計算。

2.2 建立有限元模型分析計算

以下列參數為例，建立有限元模型進行計算，b=2.4m，d=2.4m，a1=2.88m，a2=11.5m，a3=10.2m，c1=14.3m，c2=14,6m，c3=15.6m，l1=14.9m，l2=14.4m，l3=17.8m，l4=18.1m，附著計算有限元模型如圖3 所示，計算結果表1 所示。從表2 計算結果可知桿件4 在非工作狀態下最大內力為540.0kN，本文以桿件4 為例進行設計。

圖3 附著桿件內力計算限元模型

表1 塔機附著主動荷載

表2 桿件內力計算結果 （單位：kN）

3 附著桿件自重及風荷載產生的彎矩

3.1 附著桿件自重產生的彎矩

附著桿4 長度18.1m，自重16kN，桿件自重按均布荷載考慮為0.88kN/m，桿件最大彎矩為36kNm；

3.2 附著桿件風載計算

T7527 塔機最大使用高度243m,最危險工況為非工作狀態，計算風壓按上海地區取值。

PWN=KhpnCA

式中 PWN——非工作狀態垂直作用在所指構件軸線上的風荷載；

C——所指構件空氣動力學系數，與構件特征面積一起使用，取2.43；

A——所指構件特征面積，取2.83m2；

μz——風壓等效高度變化系數，取1.97；

pn——基本風壓，以上海為例取800N/m2；帶入數據計算可得：PWN=10.8kN。

風載產生的風壓力為10.8kN；桿件風壓按均布荷載考慮為0.6kN/m，附著桿件最大彎矩為24.6kNm。

4 附著桿件設計

附著桿件設計時應考慮桿件變截面、自重、風荷載桿件內力以及內力引起的附加彎矩對桿件產生的影響。

4.1 附著桿件組成

附著桿件組成如圖4 所示，由方箱、絲杠、桿件頭以及桿件中間節等構件拼裝而成的格構式桿件（桿件中間節有0.4m、0.8m、1.6m、3.2m等不同長度）。

圖4 附著拉桿結構圖

桿件中間節是由4 根L80×8 角鋼組成450mm×450mm 截面的格構柱，綴 條L40×4 角鋼；桿件頭節為變截面設計，截面由450mm×450mm 縮小至205mm×205mm，縮小后的截面內設置方形絲杠螺母；附著桿件頭節調節絲杠規格為M80×6，單個桿件頭調節絲杠可調節長度為20cm；附著桿件構件使用材料均為Q345B，附著桿件截面特性如表3 所示。

表3 桿件截面特性

4.2 附著桿件拼裝與調節

附著桿件頭節與附著桿件中間節之間采用銷軸連接，連接銷軸4×?40mm；附著桿件頭節與調節絲杠以及方箱通過絲杠螺母連接。

附著桿件可通過不同長度的桿件中間節拼裝成不同長度的附著桿件，附著桿件只需在地面拼裝為合適長度的整個構件，整體進行吊裝即可。

4.3 附著桿件臨界荷載

考慮附著桿件是變截面構件，采用有限元分析軟件建立桿件有限元模型，通過屈曲分析確定桿件臨界力，附著桿件有限元模型以及臨界力如圖5 所示，桿件臨界荷載為1 156.1kN。

圖5 屈曲分析計算結果

4.4 計算長度系數及長細比的確定

附著桿件兩端鉸接，桿件兩端桿件頭節均為變截面構件，附著桿件整體計算長度系數需通過歐拉公式進行反推：

代入數據可得：μ=1.05

式中 μ——構件的計算長度系數；

E——鋼材的彈性模量，E=2.06×105N/mm2；

I——桿件截面慣性矩，mm4，見表3；

l——構件的計算長度，mm；

Pcr——構件臨界荷載，N。

桿件換算長細比

λhx=λhy=μl/i

代入數據可得：λ=93.2

式中 λhx——構件計算截面上對強軸（X 軸）換算長細比；

λhy——構件計算截面上對弱軸（Y 軸）換算長細比；

i——構件截面回轉半徑，mm，見表3。

4.5 桿件穩定性校核

在附著桿件自重以及風荷載影響下，附著桿件按兩端簡支雙向壓彎構件考慮，當N/NEx和N/NEy大于0.1 時，計算時需考慮軸力引起的附加彎矩。

式中 N——構件的軸向壓力，N；

A——構件的毛截面面積，A=4 920mm2；

Mx、My——構件計算截面上對強軸（X 軸）和對弱軸（Y 軸）的彎矩，Nmm；

Wx、Wy——構件計算截面上對強軸（X 軸）和對弱軸（Y 軸）的抗彎模量，mm3；

Ψf——軸心受壓穩定性系數f 和其修正系數Ψ 的乘積，有Ψxfx和Ψyfy之分，取其中最小值；

f——軸心受壓穩定性系數；

Ψ——軸心受壓穩定性系數的修正系數，有對（X 軸）軸的Ψx和對（Y 軸）的fy之分；

式中 σs——材料的屈服點，單位為N/mm2，當材料屈服點σs與抗拉強度σb的比值大于0.7時，式中σs用0.5σs+0.35σb代替；

fx、fy——查GB/T 13752-2017《塔式起重機設計規范》表H.2 取值為0.601；

NEx、NEy——分別為構件對強軸（x 軸）和對弱軸（y 軸）的名義歐拉臨界力，N；

式中 E——鋼材的彈性模量，E=2.06×105N/mm2；

λx、λy——構件對通過形心的強軸或弱軸的長細比,對格構式構件替換為確定的換算長細比λhx、λhy。

代入數據可得：

4.6 絲杠螺紋副擠壓強度

調節絲杠采用M90×6，材質采用Q345B 鋼材，[σ]=295N/mm2；

式中 N0——絲杠所受軸向力，N；

[σ]——螺紋許用擠壓應力，N/mm2；

[σp]——螺紋擠壓應力，N/mm2；

d2——螺紋中徑，取值86.1mm；

h——螺紋工作高度，取值3.248mm；

z——結合圈數，z=7。

4.7 附著桿件銷軸連接強度

連接銷采用?40，材料Q345B，許用剪切應力[τ]=170N/mm2，F 作用于連接處的剪力

式中 A——銷軸截面積，mm2。

5 拼裝式附著桿件的優點與應用

5.1 拼裝式附著桿件的優點

拼裝式附著桿件具有以下優勢。

1）可以重復使用，通用性、互換性。

2）桿件截面較大，構件拼裝調節范圍大（例如350mm×350mm 截面構件拼裝成整體附著桿件，桿件長度范圍為3.2～13m，桿件最大長細比小于120），調節絲杠微調范圍0.4m，可適應不同工程。

3）安裝效率高，可通過銷軸連接將附著桿件快速安裝，避免了現場焊接人員高空作業風險。

5.2 拼裝式附著桿件的應用

拼裝式附著桿件在施工現場安裝較為方便，只需提前測量出待安裝桿件的長度，利用不同的桿件構件在地面拼裝成整個桿件；通過塔機自身吊裝就位，利用調節絲杠進行微調，然后將其和建筑物以及附著框通過銷軸連接即可。

我司根據塔機型號以及附著桿件承載力設計了一系列拼裝式附著桿件，如QTZ250 系列塔機附著桿件截面為350mm×350mm 拼裝式附著桿件、QTZ500 塔機附著桿件截面為450mm×450mm 拼裝式附著桿件、QTZ1100 塔機附著桿件截面為500mm×500mm 拼裝式附著桿件，應用范圍涵蓋我司所有塔機，并在工程實際中取得了廣泛的應用，取得了良好的經濟效益。

6 結語

通過分析附著裝置受力，建立了四桿單側式附著裝置有限元模型，確定了塔機工作狀態與非工作狀態在不定荷載作用下附著桿件內力的準確值，對附著桿件的設計提供可靠依據。

超長附著桿件的穩定性校核考慮了桿件變截面、自重、風載、內力以及內力引起的附加彎矩等不利因素產生的影響，計算精度較高，對附著桿件的設計和改進具有積極的作用。