塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性分析

劉學(xué)禮

摘要：塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性，對(duì)確保其在實(shí)際工程中的安全運(yùn)行以及提高工作效率至關(guān)重要。采用數(shù)值模擬方法，建立塔式起重機(jī)三維有限元數(shù)值模型，探究了在x、y、z方向上起重臂端部及塔身頂部節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)，并分析小車(chē)與起重機(jī)回轉(zhuǎn)中心不同距離及不同貨物質(zhì)量，對(duì)起重機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響。研究結(jié)果表明：在塔式起重機(jī)起升貨物過(guò)程中，起重臂端部節(jié)點(diǎn)和塔身頂部節(jié)點(diǎn)分別在y方向上和x方向上振動(dòng)響應(yīng)較為強(qiáng)烈。隨著小車(chē)與回轉(zhuǎn)中心距離和貨物質(zhì)量的增加，起重臂端部節(jié)點(diǎn)和塔身頂部節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)周期與振幅均增大。

關(guān)鍵詞：塔式起重機(jī)；結(jié)構(gòu)；振動(dòng)特性；數(shù)值模擬

0? ?引言

塔式起重機(jī)作為一種重要的建筑工程設(shè)備，在建筑工地、港口、碼頭等工業(yè)場(chǎng)所中得到了廣泛應(yīng)用[1]。然而，隨著起重機(jī)的規(guī)模不斷增大和工作條件的多樣化，在塔式起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，由風(fēng)荷載、操作誤差、負(fù)載變化等因素引起的振動(dòng)問(wèn)題，會(huì)對(duì)其性能、穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生不利影響[2-3]。因此，探究塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性具有重要的實(shí)際工程意義。

目前，已經(jīng)有多位學(xué)者針對(duì)塔式起重機(jī)振動(dòng)特性開(kāi)展了相關(guān)研究，王積永等[4]使用Ansys有限元軟件對(duì)塔式起重機(jī)塔身進(jìn)行建模，以實(shí)體模型為基準(zhǔn)，研究了變截面梁?jiǎn)卧Ｐ偷臏?zhǔn)確性和可行性，并分析了多節(jié)變截面梁?jiǎn)卧焦芩淼氖芰η闆r。任會(huì)禮等[5]通過(guò)通用編程語(yǔ)言編寫(xiě)程序，根據(jù)輸入?yún)?shù)自動(dòng)生成有限元建模和分析所需的參數(shù)化文件，以塔機(jī)臂架結(jié)構(gòu)為案例驗(yàn)證了該方法的可行性。賀尚紅等[6]開(kāi)發(fā)了基于ABAQUS二次開(kāi)發(fā)接口和Python腳本語(yǔ)言的參數(shù)化計(jì)算平臺(tái)軟件，通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)的比對(duì)，驗(yàn)證了該計(jì)算平臺(tái)的準(zhǔn)確性和可行性。

在現(xiàn)有研究中，針對(duì)塔式起重機(jī)在起重過(guò)程中的結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性研究較少，不同因素對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響尚不明確。鑒于此，本文對(duì)塔式起重機(jī)在起重過(guò)程中結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性開(kāi)展研究，研究成果可為降低振動(dòng)對(duì)塔式起重機(jī)的損耗，提高其使用壽命提供有益指導(dǎo)。

1? ?數(shù)值模型及材料參數(shù)

本研究依托某建筑工程項(xiàng)目，以塔式起重機(jī)為研究對(duì)象，基于塔式起重機(jī)各桿件實(shí)際尺寸，通過(guò)由點(diǎn)到面，由面至體的步驟自下而上建立該塔式起重機(jī)三維有限元數(shù)值模型，在建模過(guò)程中應(yīng)準(zhǔn)確地建立起重機(jī)主要的結(jié)構(gòu)部件，如塔身、吊臂、鋼絲繩等，模型網(wǎng)格由軟件自動(dòng)劃分。

起重機(jī)機(jī)身鋼材型號(hào)為Q345B，其泊松比為0.3，密度為7.84×103kg/m3，彈性模量為2.07×105MPa，起重機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

2? ?塔式起重機(jī)載荷分析

塔式起重機(jī)自重主要源于結(jié)構(gòu)框架、配重、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電氣設(shè)備及附件和附加設(shè)備，在實(shí)際工程中，塔式起重機(jī)會(huì)受到動(dòng)載的影響，如吊鉤下降或物體吊起時(shí)的沖擊力。這將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力更加復(fù)雜，需要考慮沖擊系數(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)這種不穩(wěn)定性：

PG=Gφ1? ? ? ? ?（1）

式中：PG為自重載荷，φ1為沖擊系數(shù)，G為起重機(jī)自重。

起升動(dòng)載荷是指在起重機(jī)進(jìn)行吊運(yùn)操作時(shí)，被吊物的實(shí)際質(zhì)量以及與吊運(yùn)相關(guān)的動(dòng)態(tài)因素，如起升速度、加速度、慣性力等所組成的載荷。在工程中為了考慮起升動(dòng)載荷的影響，引入了起升動(dòng)載系數(shù)。起升動(dòng)載系數(shù)是一個(gè)修正系數(shù)，將該系數(shù)乘以吊物的靜態(tài)質(zhì)量，以分析起升過(guò)程中的動(dòng)態(tài)荷載效應(yīng)：

Pd=PQφ2? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：Pd和PQ分別為起升載荷和貨物總重，φ2為起升動(dòng)載系數(shù)。

風(fēng)載荷是重要的外部因素，嚴(yán)重影響塔式起重機(jī)的穩(wěn)定性和安全性，強(qiáng)風(fēng)可以導(dǎo)致起重機(jī)出現(xiàn)晃動(dòng)、傾斜甚至倒塌。風(fēng)載荷按下式計(jì)算：

PW=CWKhqA? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：PW和CW分別表示風(fēng)載荷與風(fēng)力系數(shù)，Kh為風(fēng)壓高度系數(shù)，A為迎風(fēng)面積，q為計(jì)算風(fēng)壓。

3? ?模擬結(jié)果分析

3.1? ?結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性分析

基于塔式起重機(jī)提升貨物力矩曲線，將移動(dòng)荷載施加在距離起重機(jī)回轉(zhuǎn)中心20m處，模擬小車(chē)在0.5m/s的速度下提升重3t的重物，探究起重機(jī)在提升貨物過(guò)程中x、y、z方向上起重臂端部與塔身頂部的振動(dòng)響應(yīng)。

3.1.1? ?塔身頂部位移

在提升貨物過(guò)程中，塔身頂部位移曲線如圖1所示。由圖1可知，在x、y、z方向上塔身頂部的振幅分別是44.4mm、4.08mm和0mm，在x、y方向上的振動(dòng)周期分別為2.2s和4.7s，表明起重機(jī)在提升貨物過(guò)程中塔身頂部在x方向上振動(dòng)最為強(qiáng)烈。

隨著貨物提升高度的增加，塔身頂部節(jié)點(diǎn)振動(dòng)周期逐漸增加，振幅逐漸降低。這是由于隨著貨物提升高度的增加，起重機(jī)的負(fù)載和慣性力增加，導(dǎo)致振動(dòng)系統(tǒng)的自然振動(dòng)頻率發(fā)生變化。當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，振動(dòng)周期增加，這是因?yàn)樨?fù)載的增加會(huì)使振動(dòng)系統(tǒng)的有效質(zhì)量增加，從而降低了振動(dòng)頻率。此外，振幅逐漸降低是因?yàn)轭~外的負(fù)載和慣性力吸收振動(dòng)能量，減小了振動(dòng)的振幅。

3.1.2? ?起重臂端部位移

貨物提升過(guò)程中，塔式起重機(jī)起重臂端部位移曲線如圖2所示。由圖2可知，起重臂端部在x、y、z向上的振動(dòng)幅度分別為61.2mm、451.8mm和0mm。在y方向上的振動(dòng)周期為2.2s，表明在塔式起重機(jī)提升貨物過(guò)程中在y方向上起重臂端振動(dòng)響應(yīng)最強(qiáng)烈。

分析認(rèn)為，這主要是由于y方向是起重臂的主要受力方向，起重臂受到的荷載最大，y方向上的振動(dòng)容易受到懸掛系統(tǒng)的不平衡和貨物運(yùn)動(dòng)引起的沖擊力的影響，增加了振幅。相反，在x和z方向上，受力較少且較均勻，因此振動(dòng)響應(yīng)較弱。與塔身頂部振動(dòng)響應(yīng)相同，在貨物提升高度不斷增加的過(guò)程中，起重臂端部振動(dòng)周期增加，振幅降低。

由上述分析可知，塔身頂部節(jié)點(diǎn)和起重臂端部節(jié)點(diǎn)分別在x方向、y方向上振動(dòng)響應(yīng)較為強(qiáng)烈，因此下文以起重臂端部節(jié)點(diǎn)在y方向及在x方向上塔身頂部節(jié)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)為研究對(duì)象，探究小車(chē)位置及貨物質(zhì)量對(duì)起重機(jī)振動(dòng)響應(yīng)特性的影響。

3.2? ?小車(chē)位置對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響

3.2.1? ?不同小車(chē)位置時(shí)塔身頂部節(jié)點(diǎn)位移

圖3是小車(chē)距離起重機(jī)回轉(zhuǎn)中心20m和30m時(shí)在x方向上塔身頂部節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)。由圖3可知，小車(chē)與回轉(zhuǎn)中心距離為20m和30m時(shí)，塔身頂部的振動(dòng)周期分別為2.1s和2.2s，振幅分別為44mm和74.66mm，表明隨著小車(chē)距離回轉(zhuǎn)中心距離的增加，塔身頂部節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)周期與振幅增大。

分析認(rèn)為，這是由于隨著小車(chē)與回轉(zhuǎn)中心距離的增加，塔身受到的桿件彎曲力矩增大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度降低，使得振動(dòng)周期變長(zhǎng)。振動(dòng)周期增加，使得結(jié)構(gòu)在單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)減少，從而導(dǎo)致振幅增大。

3.2.2? ?不同小車(chē)位置時(shí)起重臂端部節(jié)點(diǎn)位移

不同小車(chē)位置起重臂端部節(jié)點(diǎn)位移曲線如圖4所示。觀察圖4可知，在貨物提升過(guò)程中，在y方向上起重臂端部節(jié)點(diǎn)在小車(chē)距離起重機(jī)回轉(zhuǎn)中心20m和30m時(shí)，振幅分別為459.93mm和868.95mm，振動(dòng)周期分別為2.1s和2.2s。隨著小車(chē)與起重機(jī)回轉(zhuǎn)中心距離的增加，起重臂端部節(jié)點(diǎn)在y方向上的振動(dòng)周期和振幅同樣呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。

分析認(rèn)為，當(dāng)小車(chē)與回轉(zhuǎn)中心距離增加時(shí)，起重臂端部所承受的離心力矩增大，使得振動(dòng)周期延長(zhǎng)，同時(shí)增大了振幅，較長(zhǎng)的桿臂放大了結(jié)構(gòu)中的力和振動(dòng)。

3.3? ?貨物質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響

3.3.1? ?不同貨物質(zhì)量時(shí)塔身頂部節(jié)點(diǎn)位移

塔式起重機(jī)提升不同質(zhì)量貨物過(guò)程中，在x方向上塔身頂部節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)如圖5所示。從圖5可以看出，隨著貨物質(zhì)量的增加，塔身頂部節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)周期及振幅增大。其中，在3t貨物質(zhì)量下，塔身頂部節(jié)點(diǎn)的振幅和振動(dòng)周期分別為43.95mm和2.1s。在4t貨物質(zhì)量下，塔身頂部節(jié)點(diǎn)的振幅和振動(dòng)周期分別為64.76mm和2.2s。

分析認(rèn)為，當(dāng)提升的貨物質(zhì)量增加時(shí)，塔身受到更大的靜態(tài)載荷作用，導(dǎo)致其發(fā)生彎曲，從而增加了振動(dòng)周期。此外，貨物的質(zhì)量也會(huì)引起塔身的慣性力增加，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)振幅增大。

3.3.2? ?不同貨物質(zhì)量時(shí)起重臂端部節(jié)點(diǎn)位移

圖6是不同貨物質(zhì)量時(shí)起重臂端部節(jié)點(diǎn)位移曲線。從圖6可以看出，隨著起重機(jī)提升貨物質(zhì)量的增大，起重臂端部的振動(dòng)周期及振幅增大，在3t貨物質(zhì)量下，起重臂端部節(jié)點(diǎn)的振幅及振動(dòng)周期分別為477.2mm和2.1s。在4t貨物質(zhì)量下，起重臂端部節(jié)點(diǎn)的振幅及振動(dòng)周期分別為683.65mm和2.2s。

分析認(rèn)為，隨著貨物質(zhì)量的增大，所需的力矩也隨之增加，導(dǎo)致起重臂端部節(jié)點(diǎn)受到的力矩作用增大，引起起重臂的彎曲變形，從而增大了在y方向上的振動(dòng)周期和振幅。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

本研究采用數(shù)值模擬方法，對(duì)塔式起重機(jī)在起升貨物過(guò)程中的結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性開(kāi)展研究，并探究了小車(chē)位置及貨物質(zhì)量的影響，得出以下結(jié)論：

在塔式起重機(jī)起升貨物過(guò)程中，起重臂端部節(jié)點(diǎn)和塔身頂部節(jié)點(diǎn)分別在x方向上和y方向上振動(dòng)響應(yīng)較為強(qiáng)烈。隨著貨物提升高度的增加，起重臂端部節(jié)點(diǎn)和塔身頂部節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)周期均逐漸增加，振幅逐漸降低。

隨著小車(chē)距離回轉(zhuǎn)中心距離的增加，塔身頂部節(jié)點(diǎn)和起重臂端部節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)周期與振幅均增大。在小車(chē)距離起重機(jī)回轉(zhuǎn)中30m時(shí)塔身頂部節(jié)點(diǎn)和起重臂端部節(jié)點(diǎn)振動(dòng)周期均為2.2s，振幅分別為74.66mm和868.95mm。

隨著貨物質(zhì)量的增加，起重臂端部節(jié)點(diǎn)在y方向和在x方向塔身頂部節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)周期及振幅均增大。在4t貨物質(zhì)量下，塔身頂部節(jié)點(diǎn)和起重臂端部節(jié)點(diǎn)振動(dòng)周期均為2.2s，振幅分別為64.76mm和683.65mm。

參考文獻(xiàn)

[1] 姜德強(qiáng).建筑施工塔吊倒塌安全事故分析與安全管理探究

[J].珠江水運(yùn)，2021（15）：29-30.

[2] 陸念力，夏擁軍，劍明思.塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析的兩種

有限元模型及比較[J].建筑機(jī)械，2002（11）：49-51+4.

[3] 王駿，韋磊.基于APDL的纜車(chē)架參數(shù)化建模與仿真[J].機(jī)

電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2022，35（3）：51-53+73.

[4] 王積永，謝昌省，王忠雷，等.變截面梁?jiǎn)卧焦芩碛邢?/p>

元參數(shù)化建模與分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2021（18）：41-46.

[5] 任會(huì)禮，李江波，高崇仁.基于ANSYS的塔式起重機(jī)臂架

有限元參數(shù)化建模與分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2006（9）：11-13.

[6] 賀尚紅，劉小恒，歐陽(yáng)旭，等.塔式起重機(jī)臂架參數(shù)化建模

與應(yīng)力分析[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2020，33（6）：123-128.