塔式起重机底架改造设计

张晓兵

（江苏省电力建设第三工程公司，江苏镇江 212003）

塔式起重机底架改造设计

张晓兵

（江苏省电力建设第三工程公司，江苏镇江 212003）

针对传统塔机固定式基础存在的较多弊端，采用钢梁式底架代替承台桩式基础对其进行改造。通过计算，改造后的底架一字梁和原有的环梁强度满足要求，整体刚度也满足要求。实践证明，钢梁式底架具有很多优点，改造具有较高的可行性和实用性。

塔式起重机；钢梁式底架；基础固定式底架；改造设计

0 引言

塔式起重机（以下简称塔机）不仅能垂直起吊重物，而且能水平移动重物，因此，在大型重物吊运中，塔机的应用最为广泛。塔机一般较高，需要在很大空间内升降和搬运物品，属于高空危险作业设备。底架承受着上部的所有载荷，在设计、制造、安装等环节上稍有疏忽，就可能造成人员伤亡和设备损毁，因此，底架显得至关重要［1-2］。

1 基础固定式钢筋混凝土塔机基础概述［3］

某公司FZQ2000II型自升塔机的底架基础为基础固定式（如图1所示），该塔机基础由基础台和数根基础桩共同组成，底架通过地脚螺栓与基础台连接。

图1 塔式起重机方形承台基础

1.1 固定式塔机基础安装方式

通常情况下，固定式塔机采用现浇式钢筋混凝土基础，体积较大，混凝土和钢筋用量较多，施工程序为：（1）打桩；（2）土方开挖；（3）破桩头；（4）浇筑和振捣混凝土垫层；（5）绑扎基础底部钢筋；（6）浇筑和振捣下部一半高度混凝土，安装塔机预埋脚；（7）浇筑和振捣上部一半高度混凝土；（8）养护至设计强度；（9）安装。

1.2 固定式塔机基础缺点

从上述基础安装方式可以看出，固定式塔机基础施工程序较多，过程较复杂，不足之处主要有以下3个方面。

（1）浪费资源。据统计，普通的塔机基础使用不足半年就要被拆除，大量消耗钢筋混凝土，不仅造成资源浪费，也需要更多经费投入。

（2）污染环境。拆除塔机时，往往将上部基础凿掉，取出预埋脚，而留下下部基础成为永久性地下障碍物，会对地下管线架设、植物生长等造成不利影响。

（3）耗时较长。据统计，塔机基础浇捣的施工周期大约为1个月，如果受到恶劣天气影响则会更长，混凝土浇捣完毕后按标准温度（20℃）养护约28 d才能达到设计强度，耗费了大量时间，不利于加快工程进度，增加了工程成本。

鉴于固定式塔机基础存在的不足，作者拟对其进行技术改造，采用钢梁式底架替代承台桩式基础。

2 钢梁式塔机底架技术改造设计计算

如图2所示，将传统的承台桩基础去掉，保持底架中心环梁不动，采用钢梁式一字梁和支腿代替固定式基础及其底架一字梁，通过螺栓将原来的环梁与4个改造后的一字梁及其支腿进行连接，一字梁与支腿通过球铰连接，底架下平面即4个支腿置于坚实平整的混凝土基础或路基板上，支腿的接地面积可以根据接地比压进行调整。

2.1 钢梁式底架强度和刚度校核［4］

2.1.1 一字梁强度计算

为了增加底架抗倾覆能力，塔机底架跨度由原来的L1＝10.86m增加到L2＝16.97m，一字梁上放置4个压重块，辅以抵抗倾覆力矩。由于底架环梁及以上部分不发生变动，因此上部载荷保持不变。在塔机自立状况下，底架处于最危险工况，此时竖向力Fsx＝5340kN，不平衡力矩M＝19500kN·m，水平载荷Fsp＝800kN，一字梁上的总压力为720kN。

图2 钢梁式塔机底架

取静定外伸梁简图，约束环梁中心位置处（I和J），载荷施加在一字梁与球铰连接处两点（A和D），B和C处为压重作用点处，垂直和水平载荷作用下计算简图如图3和图4所示。

图3 垂直载荷作用下计算简图

图4 水平载荷作用下计算简图

当起重臂与一字梁平行时，为底架最不利工况，计算得F1＝2665kN，F2＝365kN，F3＝F4＝-180 kN，F5＝F6＝200kN。

经计算，在垂直和水平载荷作用下I截面为最危险截面，I截面应力计算如下：

2.1.2 环梁强度计算［5］

由于环梁手算比较复杂，因此采用有限元软件计算其内力，如图5～8所示。

图5 整体结构弯矩（N·mm）

图6 垂直载荷作用下环梁弯矩（N·mm）

垂直载荷作用下环梁最大弯矩为1.04×1010N·mm，水平载荷作用下环梁最大弯矩为4.37× 108N·mm，剪力为3.26×106N，出于安全考虑，计算均取最大弯矩计算环梁的强度。

图7 水平载荷作用下环梁弯矩（N.mm）

图8 环梁剪力（N）

式中：σh为环梁弯曲应力；MF1为环梁截面垂直方向的弯矩；MF2为环梁截面水平方向的弯矩；Wxh为环梁垂直方向截面抗弯模量；Wyh为环梁水平方向截面抗弯模量；τh为剪切应力；Fp为环梁垂直方向的剪力；Szh为环梁截面静矩；Izh为环梁截面惯性矩；Σδh为环梁截面腹板厚度总和。

由以上计算可知，环梁强度满足要求。

2.1.3 刚度计算

由有限元计算得：底架变形最大部位在环梁与一字梁连接部位，其值为16.96mm，有限元计算结果如图9所示。

由有限元软件计算相同跨度的，且正在使用的FZQ2000型塔机的底架挠度为18.6mm，因此，改造后的塔机底架刚度满足要求。

综上所述，改造后的塔机底架一字梁和原有的环梁强度满足要求，底架整体刚度也满足要求，因此改造具有可行性。

2.2 钢梁式底架优点

（1）适用范围广。从构造角度考虑，钢梁式底架在安装时是直接放置在平整的地面上，根据地面

所能承受的压强调整支腿尺寸，适用大部分地基。

图9 底架刚度计算结果

（2）节省成本多。首先，这种结构能节约大量水泥、大沙、石料、钢筋；其次，受气象条件影响小，工序简单，缩短了安装时间，加快了施工进度，从而有效降低了建设总成本。

（3）社会影响好。对比固定式基础，底架拆除操作非常简单、快捷，施工操作人员劳动强度小，消除了传统混凝土塔机基础所需的爆破等工序，危险系数低，施工现场不会残留障碍物，有利于环保。

3 结束语

采用钢梁式底架代替承台桩式基础，节省了开支、减少了污染，且改造后的底架接地比压小，更能适应不同的场地要求，因此，改造设计钢梁式底架有很大的必要性和可行性。

［1］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.

［2］GB／T3811—2008起重机设计规范［S］.

［3］曾新云.塔吊基础研究综述［J］.工程设计，2009，23（5）：662-664.

［4］陈大军.钢十字梁装配式塔吊基础理论分析和应用研究［D］.合肥：合肥工业大学，2010.

［5］刘国庆，杨庆东.ANSYS工程应用教程——机械篇［M］.北京：中国铁道出版社，2003.

（本文责编：白银雷）

TH218

A

1674-1951（2015）09-0005-03

张晓兵（1969—），男，江苏如皋人，工程师，从事电力工程建设方面的工作（E-mail：zhangxiaobing＠powneer.com）。

2014-12-29；

2015-08-11