關(guān)鍵詞 塔式起重機(jī)；有限元；風(fēng)載荷 

　　引言： 

　　近年來，隨著建筑行業(yè)快速發(fā)展，塔式起重機(jī)得到廣泛的推廣。塔式起重機(jī)的推廣使用，較大提高了工作效率，為施工創(chuàng)造了安全的工作環(huán)境。然而，工作效率提高的同時(shí)，塔式起重機(jī)也帶來了一定的機(jī)械危險(xiǎn)。為此，國內(nèi)已開始重視在使用新型材料、新型工藝和新型技術(shù)的同時(shí)，研究安全穩(wěn)定技術(shù)，減少不安全因素，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。 

　　目前，塔機(jī)不斷向大型化發(fā)展，且主要以工作經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主，雖滿足基本工作要求，但自重大和穩(wěn)定性差。本文通過對(duì)塔式起重機(jī)建模分析，得出其穩(wěn)定性及安全性的結(jié)論。 

　　一、塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 

　　起重機(jī)的底架被固于專用的混凝土基礎(chǔ)上，其上部與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連結(jié)，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)最上端與回轉(zhuǎn)中心的下轉(zhuǎn)臺(tái)連接，下轉(zhuǎn)臺(tái)與回轉(zhuǎn)支承外圈連接�；剞D(zhuǎn)支承內(nèi)圈上的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，包括回轉(zhuǎn)上轉(zhuǎn)臺(tái)、平衡臂、起重臂、塔帽、變幅小車與吊鉤、起升機(jī)構(gòu)、平衡重、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及操縱室等，這些部件均通過回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以在水平面內(nèi)作500度的全回轉(zhuǎn)。 

　　起重臂根部與上轉(zhuǎn)臺(tái)用鉸鏈連接，且兩根起重臂拉桿與塔帽連接。平衡臂根部與上轉(zhuǎn)臺(tái)用銷軸連接，也用兩根拉桿與塔帽相連。 

　　塔式起重機(jī)是一種常見的施工起重結(jié)構(gòu)，按結(jié)構(gòu)類型可分為動(dòng)臂式和靜臂式。由于塔式起重機(jī)塔身較高，受到風(fēng)載荷作用較大，因此對(duì)其安全性和可靠性的分析和評(píng)價(jià)是確保其在服役年限內(nèi)正常使用的重要環(huán)節(jié)。 

　　二、起重機(jī)仿真建模 

　　塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)部分主要有底架、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、下轉(zhuǎn)臺(tái)、回轉(zhuǎn)支承、上轉(zhuǎn)臺(tái)、塔帽、平衡臂、司機(jī)室、起重臂、變幅小車、拉桿等。 

　�。�1）塔身由標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組成。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)呈長(zhǎng)方形空間桁架結(jié)構(gòu)，是由角鋼組焊而成，四周為主角鋼，其余角鋼為副角鋼。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)內(nèi)部都設(shè)有與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)等長(zhǎng)的爬梯，因不受力，模型中忽略爬梯。 

　�。�2）起重臂橫截面為等腰三角形平面桁架結(jié)構(gòu)，斜腹桿和水平斜腹桿為無縫鋼管。上弦桿為鋼管，兩根下弦桿為實(shí)心方管，下弦桿的上表面及側(cè)面，安裝使用時(shí)須保證分別平整，以使變幅小車平穩(wěn)移動(dòng)。起重臂整體分為內(nèi)跨、外跨和外伸段三部分。 

　�。�3）回轉(zhuǎn)臺(tái)由上轉(zhuǎn)臺(tái)和下轉(zhuǎn)臺(tái)兩部分組成。下轉(zhuǎn)臺(tái)與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)材料相同，上轉(zhuǎn)臺(tái)的上部分由實(shí)心方管等組焊而成，其頂部四角用銷軸與塔帽連接，兩側(cè)分別與起重臂和平衡臂用鉸鏈連接。對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略回轉(zhuǎn)支撐。 

　�。�4）塔帽是由角鋼組焊而成的空間桁架結(jié)構(gòu)，且與塔身角鋼材料相同，底部與回轉(zhuǎn)塔身連接，頂部設(shè)有鉸支座，分別與平衡臂拉桿、起重臂拉桿鉸接。 

　�。�5）平衡臂是由工字鋼和鋼棒組焊而成的平面桁架結(jié)構(gòu)，臂的尾端放置混凝土平衡重，臂的上平面設(shè)有行走平臺(tái)，用于檢修和安裝，行走平臺(tái)的兩側(cè)設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)護(hù)欄，材料為鋼棒。后端通過兩根鋼索與塔帽連接，前端用銷軸與上轉(zhuǎn)臺(tái)連接。 

　　（6）司機(jī)室設(shè)置在回轉(zhuǎn)塔身的左前方，它的右前方為起重臂，右后方為平衡臂，操縱室內(nèi)寬敞明亮，視野開闊，便于對(duì)地面實(shí)施操作。因?yàn)樗緳C(jī)室重量遠(yuǎn)小于自重，所以忽略其對(duì)整體模型的影響。 

　�。�7）測(cè)拉桿的目的為提高塔身的穩(wěn)定性，將塔身固定在建筑物上，本模型假設(shè)側(cè)拉桿為固定約束。 

　�。�8）塔架下端、斜撐桿與地面混凝土為固定約束。 

　　三、風(fēng)載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng) 

　�。ㄒ唬╋L(fēng)載荷計(jì)算 

　　塔機(jī)一般在露天環(huán)境下工作，且塔身較高，受風(fēng)荷載影響較大，所以必須考慮風(fēng)荷載的作用。風(fēng)載為任意方向作用的水平力，假設(shè)風(fēng)載作用于塔機(jī)的一面。風(fēng)載分為工作狀態(tài)風(fēng)載和非工作狀態(tài)風(fēng)載，工作狀態(tài)風(fēng)載是指塔式起重機(jī)在正常工作情況下所能承受的最大計(jì)算風(fēng)力。本文手動(dòng)計(jì)算風(fēng)載荷，根據(jù)構(gòu)件側(cè)面積計(jì)算出所受風(fēng)力，然后按最不利方向平均施加在節(jié)點(diǎn)上。最大風(fēng)載荷計(jì)算如下表： 

　�。ǘ�）施加荷載求解 

　　在起重臂端點(diǎn)位置加2t的重物，由于移動(dòng)小車有四個(gè)輪，根據(jù)圣維南原理和虛功原理可得，由于臂長(zhǎng)遠(yuǎn)大于小車長(zhǎng)度，因此將外載荷平均分配到小車附近的4個(gè)節(jié)點(diǎn)上，這樣僅對(duì)作用點(diǎn)臨近的應(yīng)力有影響，對(duì)整體結(jié)構(gòu)受力情況沒有影響所以將20000N力近似作用在四個(gè)節(jié)點(diǎn)上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)承受5000N。 

　　（三）結(jié)果分析 

　　在最大風(fēng)載作用下，起重臂端點(diǎn)處位移最大為43cm，通過計(jì)算，轉(zhuǎn)角約0.5度，滿足使用要求。最大應(yīng)力發(fā)生在起重臂根部，且最大為95MPa，比自重下大5MPa，與實(shí)際情況相符合。所以該結(jié)構(gòu)在最大風(fēng)載作用下是安全可靠的。 

　　分析塔身和塔頂應(yīng)力分布圖可得，塔頂靠近起重臂方向處應(yīng)力較大，但遠(yuǎn)小于極限強(qiáng)度，所以結(jié)構(gòu)安全且應(yīng)該加強(qiáng)塔頂與塔身靠近起重臂方向的主撐桿的剛度。 

　　四、結(jié)論 

　�。�1）綜合以上分析，QTZ40塔機(jī)各項(xiàng)參數(shù)均滿足極限要求。最大應(yīng)力為110兆帕，低于極限強(qiáng)度。最大位移42cm，小于極限位移。該機(jī)性能優(yōu)良可靠，造型美觀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，是先進(jìn)的安全起重機(jī)。 

　�。�2）有限元分析模型的優(yōu)點(diǎn)是可以更精確的建立仿真建模，該軟件由靈活的、多個(gè)可擴(kuò)展的模塊組成，因此可以滿足各行業(yè)的工程計(jì)算需要。 

　　參考文獻(xiàn)： 

　　[1]谷禮新， 鄭海斌， 彭衛(wèi)平等. 塔式起重機(jī)起重臂結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性有限元分析 [J]機(jī)電工程技術(shù)， 2005， 34（8）：27-28. 

　　[2]張毅.基于ANSYS塔式起重機(jī)起重臂 多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].中南林業(yè)科技大學(xué)， 2010.5.