独立式超限重载塔式起重机加固优化分析

魏世辉，姚 刚，曾 强，任钊明

(1.重庆大学土木工程学院，重庆400045;2.重庆建工工业有限公司，重庆401122)

塔式起重机由于其可以提供较大的起升高度和工作幅度，实现对物料的垂直和水平运输，在建筑施工中得到了广泛的应用。塔式起重机属于危险型作业设备，因此对它的安全性和稳定性有很高的要求。通常附着式塔式起重机通过控制连墙件的数量和间距来保证稳定性;对于独立式塔式起重机，则是限制其自由高度。而对于因受使用环境的限制，而超出限定的独立式塔吊，则需要采取必要的加固措施。传统的加固措施，只是考虑塔吊的安全性，而往往忽略其经济性，借助有限元计算软件SAP2000，对独立式塔吊的加固方式进行优化，从而为加固提供受力合理、结构形式最优化的方式。

1 工程概况

国泰艺术中心位于重庆解放碑CBD核心地带，集国泰大剧院及美术馆为一体，为重庆市标志性文化工程之一。国泰艺术中心(图1)建筑造型新颖，设计理念独具一格，外部采用独特的“题凑”结构为世界首创。

图1 国泰艺术中心效果图

题凑结构外形上大下小，覆盖穿行于整个建筑，外部悬挑长度达25 m之多，使得建筑周围空间不能完全利用。同时又受困于场地内无已有建筑物利用，所以必须采用独立式塔式起重机。施工要求起吊高度大于55m，高于独立式塔吊的起吊高度，因此造成塔吊的自由高度超出设计规范的限定高度。为了保证独立式起重机的安全性，需要对独立式塔式起重机进行加固处理。

2 方案的优选

塔吊加固的样式很多。从本工程加固现场实施加固的可行性和时效性出发，并结合加固的经济性，对其加固方案综合分析。比较了以下三种方案。

2.1 方案一

对塔身加设单向支撑。利用小题凑的端部支承胎架，在胎架和塔身之间加设桁架梁以及搭设脚手架，使胎架与塔身形成“一”字形支撑形式。此加固方式的材料用量和加固费用最节省，但仅能有效约束塔身单个方向的侧移。

2.2 方案二

对塔身加设双向支撑。利用小题凑的端部支承胎架，在胎架和塔身之间加设桁架梁并搭设双向的脚手架支撑，使胎架与塔身形成“十”字形支撑形式。此加固方式能有效地约束塔身两个方向的侧移，但材料用量和加固费用耗费大。

2.3 方案三

利用小题凑的端部支承胎架，在胎架和塔身之间加设桁架梁，使胎架与塔身形成“L”字形支撑形式。此加固方式能够同时约束塔身两个方向的侧移，且具有很好的经济性。

图2 方案三塔吊加固模型及节点处理示意

通过对上述三种加固方案的对比分析，认为方案三不仅有很好的约束效果;同时又具有良好的经济性指标，故选为最终的加固方案。在此仅对方案三进行分析。

3 塔式起重机的模型分析

在胎架和塔身之间加设两个桁架梁，使两根桁架梁成90°角。同时在胎架与塔身之间区域搭设脚手架支撑桁架梁，防止桁架的剪切变形。为了保证不对塔身造成损坏，在塔身高度为20 m左右的直腹杆位置设置钢板抱箍，然后将加固梁一端焊接在钢板上，另一端焊接在胎架抱箍上，形成了加固梁和塔身之间的铰接。根据塔身结构受力，整个塔身简化为空间桁架结构，如图2所示。

3.1 力学模型建立

本文分析采用三维有限元弹性应力法，借助大型有限元计算软件SAP2000。塔式起重机的金属结构主要包括:塔身标准节、爬升架、塔顶、起重臂、平衡臂、回转塔身以及附着装置等部分，其主要有角钢、圆管等型钢拼焊而成，故采用梁单元生成有限元分析模型。本文所需的型钢规格均可从SAP2000软件中的标准截面库中调取。塔吊的几何数据均来自某塔吊生产厂家提供的图纸。

3.2 材料属性

塔身主弦及臂架材质采用Q345钢材，其余均为Q235。弹性模量 Ex=206 GPa、泊松比 μ=0.3、密度 ρ=7840 kg/m3。

3.3 边界条件的处理

根据塔式起重机的实际受力情况，将配重、吊重、惯性荷载等以等效节点荷载施加于相应的节点;对于风荷载等效为均布线荷载施加于相应的单元。塔身与侧向支撑桁架间简化为铰接，等效为单自由度的节点约束。塔身与固定基础联结节点视为固定支座，将其六个自由度全部约束(图3)。

图3 塔吊的有限元模型

4 工况分析

4.1 工况选择

塔身在工作过程中，由于吊臂的旋转，引起塔身受力状态的变化，其受力状况如图4所示。本文主要对工作状态下的塔吊进行受力分析，在工作状态下，取下面3种工况作为计算工况，对塔身进行有限元计算分析。

工况1:起重臂平行于y轴，风从吊臂吹向配重;

工况2:起重臂平行于x轴，与风向垂直;

工况3:起重臂与x、y轴为45°夹角，风向平行于起重臂。

4.2 荷载统计

塔身所受载荷主要有，塔机本身的自重G、起升吊重Q、风荷载Fw以及塔机回转和小车运行产生的惯性载荷FD。其中起升吊重为8 t，基本风压为250 Pa，对于惯性载荷和风载荷按照《起重机设计规范》、《起重机设计手册》中相关公式计算。根据《起重机设计规范》的设计要求，荷载组合应为:

图4 荷载工况

4.3 分析结果

塔身在3种载荷工况作用下的位移计算结果见表1及图5～图8。

表1 位移计算结果/mm

由表1可知，各工况塔身的变形均小于塔身高度的1/100，满足塔式起重机设计规范的刚度要求。因此，塔式起重机在进行了有效加固后，使起重机的刚度得到了很大的提高，其理论计算的稳定性和安全性得到了有效地保证。

图5 加固前最大位移

图6 工况1下位移

图7 工况2下位移

图8 工况3下位移

4.4 塔吊工作状态实测结果

随机选取塔式起重机的某个工作时间段，利用全站仪对塔身顶端的侧向位移进行跟踪监测。首先在塔身顶部两个平面分别设置激光反光片，将全站仪设置于距离塔吊50 m处的位置，同时保证全站仪在测量过程中不受到干扰。在监测过程中，对塔吊起吊载荷、起吊位置进行记录。塔吊实时跟踪监测结果如表2。

表2 塔身顶端位移监测结果

由实时跟踪监测数据可见，塔吊在加固后，其侧向位移受到了有效地约束。根据理论分析和现场实时监测，此种加固方式起到很好的约束效果，是比较理想的加固方式。

5 结论

由于支撑桁架梁具有很好的刚性支撑效果，结合以上的对比分析可见，塔机在采用刚性杆件做支撑加固后，其顶部侧移过大的问题得到了很好的改善，设置刚性支撑的加固方式效果很好。因此，在进行独立式塔式起重机的加固时，应优先采用设置刚性支撑。同时，此种方案具有很好的经济效果，有效的节省财力、人力和物力，在以后的独立式塔式起重机的加固设计中有借鉴作用。

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