塔机附着杆内力的影响因素分析

塔机附着杆内力的影响因素分析

严春明范树会黄林敏杨志昆

浙江省建设机械集团有限公司浙江省杭州市310000

摘要：本文针对实际工作中塔机附着布置方案的科学性、可靠性多停留在经验阶段的问题，结合工程实践，分析了附着间距、悬臂端高度、平面布置型式和杆件角度等因素对附着杆内力的影响，提出了多条有效减少附着杆内力的措施，供实际工程使用和借鉴。

关键词：塔机；附着；影响因素

引言

塔式起重机（简称塔机）是高层建筑施工中必备的垂直运输机械。塔机安装到独立高度后，要完成塔机独立高度以上的作业，必须进行附着升高。近年来，因塔机附着撑杆失稳而造成塔机整体倒塌事故时有发生，如2017年3月1日江苏盐城阜宁塔机附着撑杆失稳倒塌事故，造成2死22伤的重大伤亡。塔机附着问题必须引起高度重视。造成塔机附着撑杆失稳倒塌事故的很大一部分原因是附着撑杆的实际受力远大于设计值而造成附着撑杆失稳，进而造成塔机整体失稳倒塌。塔机的附着间距、附着角度以及附着撑杆平面布置形式等对附着撑杆的内力影响非常大，因此国家标准规定，塔机和建筑物相对位置、附着撑杆的布置形式、附着角度等与塔机厂家说明书的发生较大变化时，必须重新校核附着撑杆的强度和刚度。但笔者在塔机检查中常有发现，很多塔机附着方案设计只是流于形式，塔机附着布置随意性非常大，附着撑杆随意超长，附着角度过大或过小，附着间距不合理等常有发生，很有可能使附着撑杆的实际受力远大于设计值，存在严重安全隐患。本文通过对附着间距以及附着撑杆平面布置形式、附着角度对塔机附着撑杆内力的影响分析，提出塔机附着最佳的附着间距、附着角度范围，合理的平面布置形式选择，使得塔机附着撑杆内力较小，以避免因附着间距、附着角度和平面布置形式不合理造成附着撑杆受力超限失稳而引发倒塌事故.

1计算模型

为了准确计算附着杆的内力，计算采用结构有限元分析软件。计算模型把塔身、附着框与附着杆合为一体进行内力计算，塔身用内设交叉杆的平面方型框架进行模拟，四角通过短杆与附着框铰接。塔身在中心点受到水平力R及回转扭矩Mn作用。R和Mn取值以常用的QTZ80塔机为依据，按工作状态和非工作状态分别取值，工作状态取R＝150kN，Mn＝200kNm；非工作状态取R＝250kN，Mn＝0kNm。图1、图2分别是三杆和四杆体系附着装置的计算模型，塔身平行于建筑物，两侧附着杆与塔身夹角分别为、，塔身与建筑物距离为B。

2附着间距、附着角度、附着布置形式

对附着撑杆内力的影响分析本文以某厂的QTZ80（TC5613-6）型塔机为例进行附着撑杆的内力计算分析。假设塔机附着安装高度为120m，塔身标准节中心线距离建筑物附着点的垂直距离h为5m，塔机工作状态时塔身荷载：水平均布风载荷q=0.5kN/m，上部水平力F=18.5kN，上部不平衡力矩M=1693kNm，扭矩Mn=300kNm。通过三弯矩方程分别计算不同附着间距布置情况下，塔身最上一道附着点支承反力Ri值，计算结果见表1。以表1中序号1的附着间距为例进行附着杆内力计算。根据表1计算结果，塔身最上一道附着点支承反力R=141.3kN。三杆附着体系，附着撑杆两侧边杆对称布置，当附着撑杆与建筑物的水平夹角α分别为45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°时，各附着撑杆的内力最大值计算结果汇总详见表2。四杆附着体系时，两侧边杆对称布置，侧边附着杆与建筑外水平夹角β分别为50°、60°、70°、80°时，各附着撑杆的内力值计算结果汇总详见表3。根据以上计算结果分析可得出不同附着间距、附着角度和附着布置形式对附着杆内力的影响规律如下。1）附着间距对附着杆内力的影响。从表1可以得出，随着附着间距减小，特别是最后一道附着间距减小，支承反力Ri值将随之增大。支承反力Ri值是作为附着装置及建筑物支承装置的计算荷载，因此Ri值越大，附着撑杆内力也必然越大。因此在塔机附着方案设计时，必须合理设计每道附着之间的间距。附着间距越大，塔身的长细比将越大，塔身刚度减弱，塔机附着间距设计不得超过塔机说明书允许的最大附着间距，否则会造成塔身刚度不足而失稳倒塌。而塔机附着间距减小，可增强塔身刚度，但因此附着间距不宜过小，附着间距小到一定限制时，附着点的支承反力Ri值将急剧增大，必将造成附着撑杆受力过大。塔机附着时的合理附着间距范围：最小间距不宜小于15m，最大不应大于塔机说明书允许的最大附着间距。目前，国内大部分的塔机生产厂家对附着最小间距没有限制，只限制最大间距，只有一些少数企业塔机说明书有限制附着最小间距。如中联重科的TC5613-6型塔机说明书中有限制附着最小间距要求，规定：第一道附着以下的塔身高度18m≤h1≤31m；第一道附着以上的两道附着之间的塔身间距15m≤h2≤25.2m。2）附着撑杆的附着角度对附着内力影响。从表2和表3可以得出，附着撑杆的附着角度不宜过大，也不宜过小。在附着平面布置条件允许范围内，附着撑杆两侧对称布置最佳，附着撑杆与建筑物是平夹角宜控制在55～70°之间，最佳附着角度是在65°左右。附着角度越小，附着撑杆受力反而越大，同时附着杆长度越长，在附着杆强度刚度验算时是按轴心受压杆件进行验算，附着杆长度越长，长细比越大，刚度越弱，对附着杆强度验算也非常不利。3）附着布置形式对附着内力影响。从表2和表3对比可知，四杆附着体系的撑杆内力明显要小于三杆附着体系。同一塔机型号，采用四杆附着体系的附着撑杆内力将比三杆附着体小约50%左右。对于QTZ80的中型塔机，采用三杆附着体系附着撑杆的内力基本在250kN以上，对于大型塔机，内力将更大，因此建议QTZ100型以上（含QTZ100）塔机附着应采用四杆附着体系，中小型塔机可采用三杆附着体系。

表1不同附着间距的塔身最上一道附着点支承反力Ri值

表2三杆附着体系不同附着角度时各附着撑杆的内力最大值汇总表

表3四杆附着体系不同附着角度时各附着撑杆的内力最大值汇总表

结语

（1）最上面2道附着的支座反力最大，且附着装置刚性大，扭矩多由最上一道附着装置承受，工程中可仅对最上道附着进行验算。（2）支座反力大小与悬臂端高度成正比，与附着间距成反比，降低悬臂端高度和加大附着间距将有效降低附着装置受力，但整体上附着间距对支座反力影响较大。工程应用中应优先考虑加大附着间距。（3）三点四杆式的平面布置形式受力最小。当杆件角度较小时（≤60°左右），宜优先选用两点四杆式结构；当杆件角度较大时（≥60°左右），则宜优先选用两点三杆式结构。（4）两点三杆式的平面布置形式中，双杆侧的杆件受力较大，且双杆侧的附着点横向距离越远，杆件受力越大。工程应用中应尽量保证两附着点横向距离相等或双杆侧附着点横向距离小于单杆侧。（5）两点四杆式的平面布置形式中，横向距离远的一侧受力较大，应尽量对称布置。（6）对于非对称两点四杆式布置形式，其杆件内力极值介于横向距离取大值和取小值的两种对称结构体系中间，为便于计算可采用横向距离为小值的对称布置模型进行快速验算。

参考文献：

［1］吕建星.塔机附着杆内力影响因素的分析［J］.建筑机械化，2013，6.

［2］GB/T13752-2017.塔式起重机设计规范［S］.

［3］董智力，李金光，陈业鹏.塔式起重机四附着杆的计算［J］.建筑机械，2015，10.