淺析建筑用塔式起重機靜態(tài)剛度與穩(wěn)定性

柏濤

（安徽省銅陵市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗中心，安徽 銅陵 244000）

作為危險性比較大的特種設(shè)備，隨著高強度鋼材的廣泛使用，結(jié)構(gòu)件的強度及穩(wěn)定性的要求已經(jīng)很難滿足使用要求，還有鋼結(jié)構(gòu)在極端溫度下適應(yīng)能力，對剛度要求則非常突出。因此塔式起重機結(jié)構(gòu)件的設(shè)計時就應(yīng)考慮剛性的要求。靜態(tài)剛性是在規(guī)定的作用與特定位置時所產(chǎn)生彈性變形的結(jié)構(gòu)在一處位置的靜位移動值來表示。

1 塔式起重機結(jié)構(gòu)靜態(tài)剛度控制

塔式起重機結(jié)構(gòu)件靜剛度控制主要原因。

（1）塔式起重機鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形塔機改變了原有起升高度，造成起升高度的變化。

（2）塔式起重機鋼結(jié)構(gòu)變形增大了相應(yīng)起重量作用處的工作幅度，造成超載或使塔機性能下降。鋼結(jié)構(gòu)變形較大時，鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力與作用力不再一致。

（3）塔式起重機鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降時，鋼結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性計算中必須考慮結(jié)構(gòu)件變形的影響。鋼結(jié)構(gòu)變形直接影響到起重機的使用能力。

（4）塔式起重機鋼結(jié)構(gòu)安裝定位困難，加大小車變幅機構(gòu)臂架的位移，使小車爬坡阻力增加。

根據(jù)我國編制的GB3811-2008《起重機設(shè)計規(guī)范》中專家對塔機塔身結(jié)構(gòu)靜剛度提出了塔身結(jié)構(gòu)靜態(tài)剛度控制要求，以及相應(yīng)條款的制定給控制要求提供了科學依據(jù)。塔機的靜態(tài)剛度要求直接影響到塔機的整機穩(wěn)定性，可見在設(shè)計時剛度的控制很有必要。

塔式起重機結(jié)構(gòu)的剛性不能直接地確定著結(jié)構(gòu)的承載能力，但剛性太差會直接影響塔機的使用能力和極端工作條件下的穩(wěn)定性，不斷的影響到結(jié)構(gòu)的承載能力，及極端條件下整機穩(wěn)定性。因此結(jié)構(gòu)的剛度問題對塔機及其結(jié)構(gòu)的正常使用與安全作業(yè)也是十分重要的。塔機在使用過程中安全狀況，應(yīng)考慮固定載荷、變動載荷、風載荷或動載的影響而產(chǎn)生顯著彈性變形，在設(shè)計時對剛度的控制，從而加大整機的穩(wěn)定性。

2 塔機的結(jié)構(gòu)件輕量化發(fā)展

隨著社會的不斷發(fā)展，國家提倡節(jié)能，塔式起重機的結(jié)構(gòu)件輕量化的設(shè)計是趨勢，節(jié)省鋼材，減塔式起重機的結(jié)構(gòu)件自重，提升經(jīng)濟效益。合理的地設(shè)計金屬結(jié)構(gòu)是降低金屬用量、減少構(gòu)件自身質(zhì)量、改善其工作性能、簡化工藝和降低成本的主要途徑。根據(jù)塔式起重機使用工況和使用時的要求，塔式起重機結(jié)構(gòu)件必須滿足強度、剛度及穩(wěn)定性等種種條件的要求，要通過正確的選擇鋼材和合理的設(shè)計要求來保證。設(shè)計過程中應(yīng)選擇有很大慣性矩的截面作為塔機結(jié)構(gòu)的整體截面和但肢截面，以提高塔式起重機結(jié)構(gòu)件的強度及剛度的要求。根據(jù)計算，材料實體截面積相等的各種截面中以正方形箱型截面、圓環(huán)形截面的綜合剛性為最好，既有較好的抗彎剛度，又有較好的抗扭剛度。因此塔身標準節(jié)通常采用整體截面正方形的桁架結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)件優(yōu)化組合壓桿穩(wěn)定性改變塔身腹桿布置形式也是降低塔身自重節(jié)約成本的關(guān)鍵之一。

3 塔式起重機結(jié)構(gòu)件安全性

3.1 各種情況下塔式起重機鋼結(jié)構(gòu)所考慮的安全性

（1）塔機結(jié)構(gòu)件斷裂的臨界轉(zhuǎn)變時的溫度為-20℃。外界環(huán)境溫度在低于這個溫度時運行，在受到應(yīng)力集中、材質(zhì)變化不均勻的種種影響，可能導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)突然斷裂。這種斷裂危險性很高，運行前前無任何征兆。尤其是在嚴寒地區(qū)，更要防止事故的發(fā)生。為了避免這種破壞的產(chǎn)生，一定要嚴格遵守設(shè)計規(guī)范對使用環(huán)境溫度在-20 ～+40℃的要求。如果在低于-20℃環(huán)境溫度下作業(yè)，要向制造單位申明環(huán)境溫度的要求。

（2）如在設(shè)計規(guī)定的風力環(huán)境下作業(yè)，現(xiàn)用塔式起重機工作環(huán)境狀態(tài)風速規(guī)定一般為20m/s，應(yīng)該保證塔式起重機最終安裝高度時的風速不應(yīng)該超過此值。對塔式起重機安裝高度比較大的，大臂根部鉸點高度超過50m 時，使用單位應(yīng)在塔式起重機頂部安裝風速儀。對于在有預(yù)報的大風、地震塔機可采用拆卸放倒，或加裝纜風繩等等安全措施，保證塔式起重機在特殊環(huán)境下的安全性。

（3）塔式起重機在慣性載荷下主要包括2 種情況，在起動時與制動器制動過程中發(fā)生的慣性載荷，及起升貨物及塔式起重機各運轉(zhuǎn)部分在旋轉(zhuǎn)工作時的慣性載荷。塔式起重機司機沒有按照操作規(guī)程，起升或制動時過猛，跳級換擋，運行機構(gòu)調(diào)速失效。主要是回轉(zhuǎn)機構(gòu)、行走機構(gòu)運行時打反車或猛制動，都會造成塔式起重機在起動和制動時慣性力猛然增大，即引起鋼結(jié)構(gòu)變形或焊縫出現(xiàn)裂紋的破壞，導(dǎo)致塔機整體傾翻。因此，杜絕以上違章操作來保證塔式起重機鋼結(jié)構(gòu)安全性的重要條件。

由于設(shè)計時塔式起重機是彈性系統(tǒng)，在突然加大載荷或減小載荷時，都會引起系統(tǒng)的反復(fù)彈性振動，由此產(chǎn)生振動載荷加大鋼結(jié)構(gòu)的承載的能力。塔式起重機在吊運過程中貨物捆扎不規(guī)范，起吊過程中所吊貨物出現(xiàn)滑脫，必然會造成塔式起重機臂架的屈曲失穩(wěn)而遭受嚴重破壞。

（4）在塔式起重機起升機構(gòu)中，如果在起升鋼絲繩非常松弛的情況下猛然以高速起升貨物離開地面，會造成很大的動載荷存在，這樣的狀態(tài)也是一種沖擊載荷。如果塔式起重機塔身鋼結(jié)構(gòu)的垂直度偏差過大，重心移動過大，這時塔式起重機鋼結(jié)構(gòu)就會造成整體穩(wěn)定性的喪失，由此引發(fā)塔式起重機整體傾翻。因此，在起生貨物的初始階段時，操作應(yīng)該平穩(wěn)、緩慢，減小沖擊載荷，把這種載荷降到最小值。來保證塔機的整體穩(wěn)定性。

3.2 塔式起重機在設(shè)計時應(yīng)考慮工作級別對鋼結(jié)構(gòu)的影響

塔式起重機運行循環(huán)次數(shù)超過了利用等級的要求，由于交變載荷作用下，造成塔式起重機鋼結(jié)構(gòu)早期疲勞損壞，比如說焊縫和母材出現(xiàn)明顯裂紋。在塔式起重機實際運行使用中，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)把建筑工地使用的塔式起重機用于起升頻繁的運貨場所、等其他使用率極高的場所，兩種使用場所塔式起重機工作級別相差很遠。因此，使用單位在購買塔式起重機前應(yīng)考慮實際使用場所和用途，告知制造單位使用場所的要求，在塔式起重機設(shè)計時應(yīng)考慮整機以及主要機構(gòu)的工作級別（運行機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、起升機構(gòu)、變幅機構(gòu)），也應(yīng)包含塔機設(shè)計時利用等級和載荷利用率的大小值。并嚴格按照行業(yè)內(nèi)的相關(guān)制造標準對工作級別設(shè)計，減少因作業(yè)場所帶來工作級別不符，而造成塔式起重機鋼結(jié)構(gòu)疲勞產(chǎn)生的不安全性。

3.3 塔式起重機在設(shè)計時考慮的安全性

（1）塔身標準節(jié)結(jié)構(gòu)件及大臂結(jié)構(gòu)件是塔式起重機的重要組成部分，一般情況下，機構(gòu)件金屬結(jié)構(gòu)自重占塔式起重機整機總重量的1/2 以上，塔式起重機金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案合理，對塔式起重機自重減小、提高塔式起重機性能是非常重要的。塔式起重機結(jié)構(gòu)件按構(gòu)造可分為兩種形式格構(gòu)式和實腹式；按受力的特點又分為以承受軸向力為主的旋轉(zhuǎn)式塔身結(jié)構(gòu)件及受壓彎扭轉(zhuǎn)作用的不旋轉(zhuǎn)塔身結(jié)構(gòu)件。在各種工況下設(shè)計哪種型式的塔身結(jié)構(gòu)件，都必須嚴格按照規(guī)定計算其結(jié)構(gòu)件強度、剛度和穩(wěn)定性等。

（2）現(xiàn)用塔式起重機應(yīng)用較多的是格構(gòu)式，其設(shè)計計算采用平面靜力的方法或間隔空間桿系有限元方法來完成設(shè)計。在任何設(shè)計中采用空間桿系有限元分析，還是采用平面靜力分析的方法的方法進行設(shè)計時計算，都應(yīng)該考慮到塔式起重機結(jié)構(gòu)件的確定和塔式起重機標準節(jié)受力分析這兩個問題。先對標準節(jié)結(jié)構(gòu)件進行分析，塔式起重機的結(jié)構(gòu)件形式設(shè)計與塔式起重機的類型和所用的頂升形式相關(guān)，同時還應(yīng)考慮到標準節(jié)結(jié)構(gòu)中是否有基礎(chǔ)機構(gòu)件、加重結(jié)構(gòu)件、加強結(jié)構(gòu)件或過渡結(jié)構(gòu)件。其次是標準節(jié)的受力點分析，標準節(jié)受力點可分為非工作和工作兩種狀態(tài)。

塔式起重機結(jié)構(gòu)件上所承受的的載荷有：標準節(jié)自身重量，上部大臂架和平衡臂架上的種種載荷對塔身標準節(jié)產(chǎn)生的作用力；塔機正常運行、回轉(zhuǎn)機構(gòu)制動器制動時，由塔身標準節(jié)本身質(zhì)量所產(chǎn)生的水平慣性載荷及作用在塔式起重機標準節(jié)上的風載荷等。

塔式起重機結(jié)構(gòu)件在設(shè)計的時候，以上種種載荷下要按最不利的載荷方位和載荷組合進行嚴格的計算，作為塔式起重機結(jié)構(gòu)件計算的基本依據(jù)。正常情況下應(yīng)取結(jié)構(gòu)件最不利的工況進行設(shè)計計算-正常工作運行狀態(tài)變幅機構(gòu)小車在最大幅度時，非工作狀態(tài)下主要是考慮計算最大允許風壓產(chǎn)生的風載荷作用。各種原因來考慮塔式起重機結(jié)構(gòu)件在設(shè)計時的強度、剛度以及穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

以上內(nèi)容講述塔機結(jié)構(gòu)靜態(tài)剛度的控制。塔式起重機結(jié)構(gòu)件在設(shè)計時應(yīng)考慮特殊環(huán)境下使用。塔式起重機在操作時應(yīng)避免各種危險載荷對鋼結(jié)構(gòu)的影響。設(shè)計時使用場所工作級別確定，設(shè)計時應(yīng)考慮整機穩(wěn)定性安全性以及節(jié)能的淺談。塔式起重機在檢驗時對靜剛度的限制大大制約了發(fā)展。所以設(shè)計時怎么合理的控制塔式起重機結(jié)構(gòu)布置和結(jié)構(gòu)靜態(tài)剛度。即節(jié)能又提高塔機的穩(wěn)定性還保證了塔機的使用安全性。這一系列的問題還需要專家對塔身結(jié)構(gòu)靜剛度課題進行研究。