风载对塔式起重机安全性能影响的有限元分析

何君儒，江五贵，刘志云，闵旭光­

风载对塔式起重机安全性能影响的有限元分析

何君儒1，*江五贵1，刘志云2，闵旭光­3

(1. 南昌航空大学航空制造工程学院，江西，南昌 330063;2. 江西省特种设备检验检测研究院，江西，南昌 330046; 3.江西科技师范大学机械电子工程系，江西，南昌 330038）

塔式起重机由于其高效、便捷的工作特点，在建筑领域得到了广泛的应用，已经成为建筑业的重要工具。由于塔式起重机大多数都是在室外环境中工作，因此外部环境尤其是风荷载的影响就显得特别重要。为此，本文通过对无风和不同风级工作环境下的塔式起重机进行了有限元分析，结果表明风载荷对塔式起重机械的安全性能具有重要的影响。当风速达到五级后，塔机处于危险状态，必须做好预防工作，而当风速为六级及六级以上时，塔机处于极不不安全的工作状态，必须停止作业。

塔式起重机；风载荷；安全性能；有限元

塔式起重机（简称塔机）因具有工作效率高、操作方便以及便于拆卸、安装和运输等优点在建筑行业中得到了广泛的应用，成为一种必不可少的机械装备。随着国家基础设施建设的大发展，塔机的使用也越来越多。为保证生产建设的正常和安全运行，塔机在使用过程中的钢结构的安全性的评估就更加必不可少。而根据塔式起重机安全操作规程标准规定，塔机在六级及六级以上大风塔机必须要停止工作[1]，因此对于在江河上施工的塔机来说，风荷载是一个非常重要的安全影响因素。

目前，针对塔式起重机的结构安全分析涌现了不少实验和研究。肖晓晖等[2]利用雨流计数法和实际统计编制了塔机各部件的载荷谱。郑海斌等[3]通过对塔机起重臂进行有限元分析得到了起重臂的振型和位移响应时间历程。翟甲昌等对塔式起重机整体结构进行静力分析获得了整体应力分布。孟宪颐和侯沂等对塔式起重机钢结构进行了疲劳寿命研究。这些研究主要集中在疲劳寿命估算和金属结构疲劳等方面，并没有涉及到风荷载的影响。基于此，本文采用有限元软件ABAQUS建立塔机的有限元模型，预测塔机在不同风级和工况下的应力分布情况，为塔机在大风环境下的安全性操作提供理论基础。

1 有限元建模

本文基于ABAQUS/CAE，以江河上最常见的工作塔机QTZ630为原型，建立塔机的有限元模型。根据设计规范的规定，塔机必须在材料的弹性范围内工作，所以一般情况下对塔机的分析只要求对其进行线性分析，不考虑非线性因素。建立模型时研究对象要能够全面和准确地反映塔机金属结构在工作状态下的应力和变形特点[4-6]。由于本文主要分析塔机机构的整体应力变化，在用有限元建模时采用二维梁杆单元来建立塔式起重机的模型，在建模时对其机构进行如下简化：（1）由于回转支承机构的等部件相对整个塔机来说比较小，而刚度比较大且质量集中，所以当对塔机进行整体分析时，可以将回转机构等实体部件采用梁单元进行等效替代，使整个塔机只含有梁单元，避免了梁单元和板壳单元的因自由度不同而造成的连接问题。（2）根据塔机结构的特征，把塔身、平衡臂、及起重臂主要机构处理为梁单元，起重臂拉杆和平衡臂拉杆主要是承受拉力，在有限元分析中可选用三维杆件单元进行模拟。塔身的底部加固定约束，约束六个方向的自由度。在回转机构处采用运动耦合约束，使被约束区域内的节点不会发生相对位移。表1列出了塔机各部件所使用的材料，相应的材料参数如表2所示。

表1 塔机各部件型材参数

表2 材料参数

2 结果与讨论

2.1 无风环境下工作的塔机安全性能分析

由塔机的起升性能曲线[7]可知，在对塔机机构进行分析时不可能将所有的起升工况进行分析计算。考虑到塔机的实际工作情况，本文选择三种常用的工况作为结构静态分析工况，如表3所示，具体的加载部位参见图1。

表3 三种典型代表工况

图1分别给出了三种工况下塔机整体机构的应力分布图。由图1可知，各种工况下的最大应力依次分别为:59.78、71.36和128.3 MPa, 三种工况下的最大工作应力均小于Q235碳钢的许用应力 156 MPa（如表2）, 这说明该塔式起重机在无风环境下服役的原始强度设计是满足要求的。

3.2 风载下工作的塔机安全性能分析

对于在江河上作业的起重机来说，由于气候条件变化的不确定性，各种大风时有发生，而风载荷可以导致起重机发生疲劳破坏、大位移或者变形，容易引发安全事故，所以有必要对这种极限大风状态下工作的起重机进行力学分析，确定其安全性能。

在江面上六七级大风时有发生，为了保证分析的适用性，取六级大风为代表风载进行分析。风荷载的计算公式如下[8]：

按照载荷规范(GBJ 9-87)，风荷载标准值的计算公式为：

本文进行线载荷进行加载，先进行面载荷计算然后转换成线载荷进行加载。6级风的风速为11 m/s，风压为0.2 kN/m2，通过公式(1)(2)(3)计算可得到塔机在六级大风下的载荷。本文主要考虑在工作时天气突然发生变化时塔机的应力变化情况，所以将表3所述的三种典型代表工况作为分析对象，通过有限元分析得到塔机的应力分布云图，如图2所示。

由图(2)可知各种工况下的最大应力依次分别为：256.5、271.2和292.6 Mpa，三种工况下的最大工作应力均大于Q235碳钢的许用应力 156 MPa(如表2), 这说明该塔式起重机在六级风环境下服役的原始强度设计，三种典型工况均不满足要求。

由此可知六级风载下，塔机若继续工作，是极不安全的。为了进一步确保生产的安全，找出安全工作情况下的风级，有必要进一步对四、五级风速情况下工作的塔式起重机进行应力分析。取四、五级风风速分别为 5.5 m/s、8 m/s，由公式(1)(2)(3)可得出四、五级风载下塔机的加载情况。

为了保证能够取的符合实际工作情况的结果，本文采用上面所述的三种工况进行有限元分析，分析结果如表4所示。

表4 四级、五级风载下塔机的最大应力

由表4可以看出当风速为四级时，三种工况，塔机的最大应力均在材料的许用应力范围之内，而当风速为五级时工况二和工况三下的最大应力超过了材料的许用应力。由前面的分析结果我们可以得到当风荷载为六级时，大风给正在工作中的塔式起重机带来了巨大的破坏作用。通过对塔机的工作规律进行统计，发现最大工作频率的位置为两拉杆之间，即工况2下，而当风速为五级的时候，工况2的最大应力超过了材料许用应力，因此在五级风情况下工作的塔机也是不安全的，而当风速为四级的时候塔机属于安全工作范围之内。因此为了保证生产安全，在六级及六级以上的大风下塔式起重机必须停止作业，在五级风时须做好预防工作。

3 结论

本文建立塔机的有限元模型，在此基础上通过对无风和有风级下工作的塔机进行有限元模拟，并进一步对不同风级荷载下塔机的受力情况进行了研究。研究结果表明：

（1）风荷载对塔式起重机起了巨大的破坏作用，对在江河上工作的起重机一定要做好预防工作，防止因大风等因素造成人员伤亡事故，应采取措施做好塔机的保护工作。

（2）当风速为五级时要尽量避免工作；当风速在六级及六级以上时风载对塔机的工作有很大的威胁作用，塔式起重机要避免在这种恶劣的环境中开展工作，确保生产安全。

[1] “现代企业安全操作规程标准与技术丛书”编委会，塔式起重机安全操作规程标准与技术[S].北京：中国劳动社会保障出版社,2009

[2] 肖晓晖，吴功平.塔式起重机疲劳载荷谱的编制[J].应用力学学报,2003(4): 86-88.

[3] 郑海斌,张大可.塔式起重机起重臂有限元模态及动态分析[J].建筑机械化,2004,25(5): 64-67.

[4] Levin R I, Lieven N A J. Dynamic finite element model updating using neural networks[J]. Journal of Sound and Vibration, 1998, 210(5):593-607.

[5] Brooks P C, Sharp R S. A Computational procedure based on eigenvalue sensitivity theory applicable to linear system design[J]. Journal of Sound and Vibration, 1987, 114(1): 13-18.

[6] Homaifar A, Qi C X, Lai S H. Constrained optimization via genetic algorithms [J]. Simulation , 1994, 62(4): 242-254.

[7] GB/T13752.1992，塔式起重机设计规范[S]. 北京：国家技术监督局，1992.

吕明. 基于特殊风载的非工作状态塔式起重机安全性分析[D]. 重庆:重庆大学,2008.

FINITE ELEMENT ANALYSIS OF WIND EFFECT ON SAFETY PERFORMANCE OF TOWER CRANE

HE Jun-ru,*JIANG Wu-gui, LIU Zhi-yun, MIN Xu-guang

(1.Nanchang Hangkong University, Nanchang, jiangxi 330063,China；2.Jiangxi Special Equipment Inspection and Research Institute, Nanchang, jiangxi 330046,China；3.Jiangxi Science and Technology Normal University,Nanchang, jiangxi 330038,China)

Tower crane, due to its high efficiency and convenience, has been widely used in the field of architecture. It is very necessary to take account the wind effect into analysis of the safety performance for tower crane operation because the tower crane usually serves under an atrocious weather. In this paper, finite element (FE) analyses of the tower crane under windless and wind-load are performed to investigate the influence of the wind load on the safety performance. The simulated results show that the wind load pays an important role on the prediction of the safety performance for the tower crane. The tower cranes, which are still working, are under a dangerous state and need guarding against accidents when the wind reaches 8 miles per second. Our FE results also suggests that it is very unsafe for the tower cranes which are still working when the wind is greater 11 miles per second, and the tower crane operation must be stopped.

tower crane; wind load; safety performance; finite element

TH213.3

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2012.04.017

1674-8085(2012)04-0074-04

2012-03-28；

2012-05-03

何君儒(1985-)，湖北黄冈人，硕士生，主要从事塑性成形力学模拟研究(E-mail：jrhe126@gmail.com);

*江五贵(1975-)，江西婺源人，教授，博士，硕士生导师，主要从事材料与工程力学研究(E-mail：jiangwugui@nchu.edu.cn);

刘志云(1962-)，浙江杭州人，高级工程师，博士，主要从事特种设备检测(E-mail：liuzhiyun@163.com);

闵旭光(1963-)，江西靖安人，教授，硕士生导师，主要从事机械设计理论、材料加工工程研究(E-mail:minxuguang@163.com).