塔式起重機塔身八桿增強結(jié)構(gòu)的設(shè)計

李 輝，李鵬舉

（山東豐匯設(shè)備技術(shù)有限公司，山東 濟南 250100）

隨著海運業(yè)務(wù)的不斷拓展，特別是海上風電裝備的吊裝需求，對起重機的起升高度要求越來越高，通常達百米以上，門座起重機的起升高度不夠，流動式起重機的作業(yè)效率低，且岸邊抗風能力差，這類起重設(shè)備都難以滿足安裝要求。

帶行走門架的塔式起重機（以下簡稱塔機）相對門座起重機、流動式起重機，其起升高度更大、抗風能力更強。為提高塔身自身剛性，塔身和門架之間通常設(shè)置八桿結(jié)構(gòu)[1-3]，本文介紹此類塔機的八桿構(gòu)造特點和拆分制造工藝。

1 結(jié)構(gòu)簡介

八桿增強結(jié)構(gòu)的塔機下部主要由運行機構(gòu)、門架、八桿、塔身基礎(chǔ)節(jié)、塔身過渡節(jié)和塔身標準節(jié)組成。其主要特點是在傳統(tǒng)塔機基礎(chǔ)上設(shè)置的八桿結(jié)構(gòu)，八桿結(jié)構(gòu)下部四角分別固定在門架的四角上，八桿上部固定在塔身過渡節(jié)的下部，塔身過渡節(jié)上下分別連接塔身標準節(jié)和基礎(chǔ)節(jié)（圖1）。

圖1 起重機門架簡圖

2 八桿設(shè)計

2.1 構(gòu)造設(shè)計

由于八桿結(jié)構(gòu)的整體高度較大，將其支撐桿結(jié)構(gòu)分為上、下2 層，下層由12 根桿件組成，包括4根下層弦桿和8根下層腹桿；上層由8根弦桿組成，上下層之間設(shè)置水平橫桿和水平斜桿，用于側(cè)向連接和支承，整體上簡稱“八桿結(jié)構(gòu)”，如圖2 所示。

圖2 八桿結(jié)構(gòu)拆分方案

為便于起重機的運輸和轉(zhuǎn)場作業(yè)，八桿結(jié)構(gòu)采用可拆分式設(shè)計。提出2 種拆分方案。

1）全部拆分式 將每根桿兩端設(shè)置橫法蘭并采用螺栓連接。

2）分片拆分式 將上層的8 根弦桿拆為獨立構(gòu)件，下層拆分為4 片框架結(jié)構(gòu)。此種方式接頭較少，安拆方便，但是有運輸超限部件，這里介紹第二種拆分方式（圖3）。

圖3 分片拆分式八桿結(jié)構(gòu)圖

2.2 實例介紹

根據(jù)以上構(gòu)造特點，給出額定起重量100t、工作級別A5 的起機，其主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖1 所示，基本參數(shù)見表1。

表1 起重機基本參數(shù)

結(jié)構(gòu)計算采用桿系模型計算和實體模型計算2種方式，桿系模型計算采用SAP84 有限元軟件。桿件計算模型如圖4 所示，計算載荷包括塔身標準節(jié)4 根弦桿傳遞給過渡節(jié)的軸向力和水平力，門架上部壓重和自身風載荷等，桿系模型計算可以得到桿件內(nèi)力和應(yīng)力，并依此優(yōu)化桿件截面。

圖4 門架桿系計算

設(shè)置八桿后，在八桿連接部位，塔身由受彎構(gòu)件變?yōu)榭臻g剛架結(jié)構(gòu)，剛架的內(nèi)部桿系在減小塔身受彎的同時，也限制了塔身的位移和轉(zhuǎn)動，大大提高了整機的獨立高度，如圖5 所示，圖5(a)為八桿、塔身和門架結(jié)構(gòu)的整體桿系布置方式，圖5(b)為簡化后的八桿和塔身結(jié)構(gòu)，圖5(c)為塔身對角線方向，八桿結(jié)構(gòu)和塔身的平面受力模型，圖5(d)為無八桿結(jié)構(gòu)時的塔身受力模型。在彎矩、豎直力和水平力作用下，塔身承受的載荷減小，載荷轉(zhuǎn)化為八桿內(nèi)部桿件的拉壓作用。

圖5 八桿結(jié)構(gòu)模型簡化

對于八桿門架的靜態(tài)剛性，塔機相關(guān)規(guī)范[4]沒有相關(guān)要求，僅要求塔身頂部的水平位移，塔身處于獨立狀態(tài)的塔機，在額定起升載荷作用下，起重臂根部連接處的水平靜位移不大于1.34h/1 000，其中h為起重臂根部連接處至直接支撐這個塔身的平面的垂直距離。

根據(jù)門座起重機相關(guān)規(guī)范[5-7]的要求，為保證八桿門架有較大的垂直剛度，橫梁的跨中撓度不超過其跨度的1/1 500，八桿門架的正面（垂直軌道）和側(cè)面（平行軌道）水平位移δ1、δ2力求相當，且δ1=δ2≤(h1+h2)/1000，八桿門架的變形控制簡圖如圖6 所示，經(jīng)仿真分析和實際測試本例的塔機滿足了八桿門架的剛度控制要求，且該構(gòu)造形式的八桿門架結(jié)構(gòu)剛度控制較好。

圖6 八桿門架的變形控制示意圖

2.3 八桿接頭

八桿接頭和塔身接頭均采用圓盤橫法蘭+高強度螺栓連接，結(jié)合面采用凹凸臺定位，其中過渡節(jié)弦桿接頭的軸向拉壓力最大，接頭受壓時由橫法蘭承載，受拉時由高強度螺栓承載，接頭見圖7，除焊縫處有局部應(yīng)力集中情況外，其他部位符合強度要求，高強度螺栓群的計算不再贅述[8-11]。

圖7 八桿接頭

3 制造工藝

根據(jù)上述八桿結(jié)構(gòu)的拆分方式確定其制作工藝流程，八桿下部為4 片結(jié)構(gòu)，首先搭建水平基準面平臺，分片焊接均在該平臺上完成。

1）第一步 上下層弦桿之間的4 組接頭制作，對上下層之間四角處的接頭進行放樣、定位和焊接，參見圖8。

圖8 弦桿制作

2）第二步 單面焊接，八桿有4 個外立面，并將對應(yīng)的兩面結(jié)構(gòu)分別在平臺上焊接完成，每面包括2 根下層弦桿、2 根下層腹桿、1 根水平橫桿和2 根上層弦桿，參見圖9。

圖9 單面制作

3）第三步 將單面結(jié)構(gòu)一分為二后，在平臺上豎立起來，再定位相鄰的兩面結(jié)構(gòu)，焊接水平斜桿，至此八桿結(jié)構(gòu)的一半制作完成，并以相同的方法制作另一半八桿結(jié)構(gòu)，參見圖10。

圖10 相鄰面制作

4）第四步 將制作完成的4 片結(jié)構(gòu)豎立并進行組拼，焊接與門架相連的下支座，配裝與塔身過渡節(jié)連接的接口，參見圖11。

圖11 八桿結(jié)構(gòu)整體組裝

4 運輸安拆

分片拆分式八桿結(jié)構(gòu)相對全部拆分式，其運輸相對困難，這里采用2 片結(jié)構(gòu)穿插疊放后裝車運輸，如圖12 所示，八桿結(jié)構(gòu)及其門架的現(xiàn)場試裝如圖13 所示。

圖12 八桿結(jié)構(gòu)的運輸

圖13 八桿結(jié)構(gòu)試裝

5 結(jié)語

本文介紹塔機八桿增強結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點和設(shè)計方法，闡述其拆分方式及其制造工藝流程。相對門座起重機、流動式起重機，該塔機的起升高度更高，抗風能力更強，八桿增強結(jié)構(gòu)的剛度控制更好，且拆分轉(zhuǎn)場更加便捷。