FZQ600型附着自升塔式起重机塔身加高设计

李伟，张骞

(郑州科润机电工程有限公司，郑州 450015)

0 引言

FZQ系列自升塔式起重机(以下简称塔机)适用于电站、石化、冶金、交通等大型建筑的施工和设备安装，同时也适用于超高层民用钢结构建筑施工和桥梁建设。该塔机采用动臂变幅、上部回转、上顶升机构，具有起重量大、作业范围广、起升高度大、抗风能力强、自身质量小等特点。

为满足上海外高桥发电有限责任公司2×1 000 MW机组的施工需要，某电力公司委托郑州科润机电工程有限公司对其在用的FZQ600型自升塔机进行了塔身加高设计及新增塔身标准节、附着节、附着装置的制造。

1 附着式塔机塔身的计算

附着式塔机塔身主要承受的载荷有：塔身在臂根铰接截面受有回转部分全部质量产生的轴向力N，起重臂及物品与平衡臂及配重产生的不平衡弯矩M，回转部分产生的扭矩T，塔机回转产生的水平惯性力FH，风压pW。

1.1 强度计算

附着式塔身的强度一般按带悬臂的多跨连续梁计算，附着装置相当于一个刚性支点[1]。研究表明，在各附着点之间的杆件内力分布比较复杂，与附着装置的相对刚性密切相关。经理论分析与试验证明，不论支撑如何，对等截面塔身的最危险截面是在最高附着截面处，该处内力与支承情况无关，所以可以简化为只计算塔身最危险截面处的强度[2]。

1.2 稳定性计算

FZQ系列塔机为上回转的独立式塔身，可看作上端自由、下端固定的等截面柱，按压弯构件进行整体稳定性和单肢稳定性计算。附着式塔身的临界载荷值受附着装置的影响很大，与附着装置的数量、位置和刚性都有密切关系。在一般设计中，对附着式塔身的稳定性做了近似计算，即只考虑最上面一道附着装置的作用(图1中I-I截面)，这样计算结果较为安全。图1为附着式塔身稳定性计算简图，其计算长度为μl(μ是长度系数；l为塔身的实际长度)。

图1 塔身稳定性计算

1.3 刚性计算

根据GB/T 3811—2008《起重机设计规范》的要求，塔式起重机在额定起升载荷作用下，塔身在臂架连接处或臂架与转柱连接处的水平静位移应不大于1.34h/100 。其中h为塔身自由高度，对自行式塔式起重机而言，h为臂架连接处至轨道顶面的垂直距离；对附着式塔式起重机而言，h为臂架连接处至最高一个附着点的垂直距离[4]。

2 附着式塔机塔身有限元计算

2.1 FZQ600塔机的附着参数

FZQ600塔机原设计为3层附着，3层附着点高度(离地)依次为：32.29，53.09，75.09 m；加高设计后4层附着点高度(离地)依次为：22.49，49.49，70.49，100.49 m，各层附着点以上的最大悬臂尺寸如图2所示。

图2 塔身各层附着点参数

2.2 塔身强度的有限元计算

FZQ600塔机针对不同的附着状态，在承受上述载荷的情况下，都有一种对结构最不利的危险工况：1层附着状态最大应力发生在幅度16.5 m、起重量400 kN、臂架0°、平行风时工况；2层附着状态最大应力发生在幅度16.5 m、起重量400 kN、臂架45°、平行风时工况；3层附着状态最大应力发生在幅度16.5 m、起重量400 kN、臂架0°、平行风时工况；4层附着状态最大应力发生在幅度30 m、起重能力200 kN、臂架0°、垂直风时工况。各层附着状态下的最大应力见表1。

表1 各层附着状态下的最大应力

不同的附着状态下，使用ALGOR建立相对应的有限元模型，施加相应的载荷，经有限元分析计算后，各层附着状态下的复合应力如图3～图6所示。

图3 1层附着时塔身最大合成应力

图4 2层附着时塔身最大合成应力

图5 3层附着时塔身最大合成应力

图6 4层附着时塔身最大合成应力

由有限元计算结果可知，弦杆应力最大区域仅限于附着点处很小范围，并且计算应力沿弦杆长度方向迅速降低，这是由于计算时将附着框与塔身接触处简化为点接触，引起弦杆局部计算弯曲应力值较实际应力值偏大。因此，可认为塔身弦杆实际应力满足规范中许用应力要求。

2.3 塔身刚性的有限元计算

FZQ600塔机的塔身端部在不平衡弯矩、水平惯性力和风载荷的作用下产生水平方向的侧向位移，位移大小应满足GB/T 3811—2008《起重机设计规范》的要求，否则塔机有倾覆的危险。塔身端部最大变形的计算工况与强度计算工况相同，塔身端部在各工况下的最大位移统计见表2，各层附着状态下的塔身端部最大位移变形如图7～图10所示。

表2 塔身端部在各工况下的最大位移

图7 1层附着时塔身端部的最大位移

图8 2层附着时塔身端部的最大位移

图9 3层附着时塔身端部的最大位移

图10 4层附着时塔身端部的最大位移

3 附着式塔机塔身加高后的安装

由于塔机加高后第2层与第3层、第3层与第4层附着点间距过大(分别为27，30 m)，在安装第2层及第4层附着装置时，塔身的最大悬臂高度将达到10～11节，超过了原塔机允许的安装悬臂高度(9节)，所以在塔身顶升接高超出允许的高度时，超出的标准节不能用塔机自身吊装，而应将塔机上部顶升部分调整到平衡状态，辅以其他方式(如辅助卷扬机、辅助起重机等)吊装。塔身的接高程序及其他各部件的安装按原塔机图纸资料及安装使用说明书进行。

4 结论

(1)借助ALGOR软件对FZQ600塔机塔身加高的有限元分析，可知塔身弦杆的最大复合应力发生在最上层附着位置处，此处由于有限元模型的处理与结构实际受力状态有差异，引起弦杆局部应力较大。实际结构弦杆与附着框通过滑块连接，受力接触面积较大，因此可认为塔身弦杆实际应力满足规范中许用应力要求。

(2)塔身加高后，在保证整机各部件完好并严格按原设计参数及工况工作的情况下，能满足安全使用的要求。

(3)基于ALGOR的FZQ600塔机塔身加高有限元分析，为FZQ系列塔机加高分析提供了可靠的计算依据。鉴于ALGOR软件具有操作方便和计算准确的特点，可以参照此方法对其他形式的塔机结构加高设计进行有限元分析。

参考文献：

[1]徐格宁.机械装备金属结构设计[M].2版.北京:机械工业出版社，2009.

[2]张质文，王金诺，程文明.起重机设计手册[M].2版.北京:中国铁道出版社，2013.

[3]顾迪民.工程起重机[M].2版.北京:中国建筑工业出版社，1988.

[4]GB/T 3811—2008起重机设计规范[S].