基于顶升工况下的塔机风载荷分析

陈波 任光华

【摘 要】本文利于UG建立塔机的三维模型，模拟出不同风载荷的大小，对出顶升过程中关键部件的受力情况，探究塔式起重机在施工顶升过程中遇到的风荷载时的载荷特性，为塔式起重机的使用部门、检测部门及行业管理部门提供了理论指导，降低在顶升过程中塔式起重机遇到风荷载状态下发生的安全事故机率，保障相关部门的财产及人身安全。

【关键词】 塔式起重机 风载荷 三维模型

1引言

塔式起重机常用于工业、建筑等设施建设，具有工作效率高，工作幅度大，起升高度大的特点，而塔式起重机的顶升环节中是其施工出现事故频率最高的过程，危险性极大，确保其安全性是非常必要的研究，塔式起重机的构件主要是桁架结构形式的，维持起重机的主要工作原理是力矩平衡原理[2]，工作状况受限于外界自然条件，尤其是风荷载因素，因此在塔式起重机的设计、安装和使用时及拆卸阶段都要加以考虑。

2 QTZ800塔机的三维建模

塔式起重机的三维建模建立的关键是精确的数据，各个特征的个体组合成一个完整的一体，以保证在工程图剖视图中的不同材料的不同方向的剖面符号。因此，三维建模不是简单的特征组合，而是一个完整的三维几何体，利用UG的三维模型板块创建塔式起重机的三维数字样机。如图1.

图1 顶升加节的方法三维图

由于塔机的独立高度受限，高层建筑施工中需要设置附着装置以防止失稳，则塔机必须随建筑物升高而升高，不能一次吊装完成至最高高度，而顶升加节的方法如图2所示。

图2顶升加节的方法三维图

在顶升的过程中回转平台以上的司机室、大臂、塔帽等结构与塔身完全分开，则其顶升速度等条件受到严格的限制，顶升过程出现风载荷是不可避免的，本文研究顶升工况有风时，结构受力情况以及平衡参数调整，以及顶升工况时风载荷特性。

3 QTZ800塔机风载荷分析与仿真

在顶升过程中，风力破坏了起重系统的平衡而容易发生塔机倾翻事故，因此分析在顶升过程中塔机受到风载荷的特性是尤其重要的。对于小车变幅式塔机，上部结构所受水平风载荷包括固定部件风载及可动部件吊臂风载，由起重机设计规范（GB3811-2008），风载计算式为：

公式中：

从平衡力学角度来讲，其起重力矩一定时，力臂越大，起重量越小。根据勾股定理计算，垂直耸立的塔式起重机偏差1°，对于30m的独立高度塔机而言，其起重力臂偏差0.525m。如此大的偏差是因为塔机的高度达，即力臂长。当风载荷为1N时，对于30m高的塔机基础则受到风的抗倾覆力矩为30N·m。根据图1设定塔机吊臂方向为X轴，塔机垂直方向为Z，与X、Z都垂直方向为Y轴。

3.1平衡臂的风载荷计算

平衡臂所受的风载荷包括配重块、钢丝绳卷筒、配电柜等所承受的风载。设计规范查得，大臂金属结构主体的风力系数为1.7，其余的风力系数为1.1。同理计算平衡臂的风载荷力为：

配电柜、配重块等其余部件风载荷力为 。

3.2塔帽的风载荷计算

塔帽是一个变截面的金属结构，同理查阅规范根据力学的矢量相加法计算其受风载荷的大小：

则根据以上计算可得塔身在X、Y、Z方向受到的风载力矩的大小，利用UG的力学仿真模块加载荷对顶升系统关键部件的受力分析，塔机顶升过程顶升套架是支撑上部结构重力及承受风载荷的主要结构。

4 结语

本文研究了塔式起重机施工顶升过程中遇到的风荷载时的载荷特性，通过研究，对塔式起重机整体建模方法进行了初探，完成了在非工作状态下四种工况的塔式起重机整体分析，并就其中出现塔机钢结构材料强度不足的工况提出了预防措施，通过建模加载验证了该预防措施的可行性与可靠性，为塔机在顶升过程中受到风载荷作用下，安全作业提供了理论计算依据。

参考文献：

[1]孔屹刚，王杰，顾浩，王志新，徐大林.基于风剪切和塔影效应的风力机风速动态建模[J]. 太阳能学报，2011（08）.

[2]贺德馨等编著.风工程与工业空气动力学[M].国防工业出版社，2006.

[3]李洪.浅谈塔式起重机在使用中的安全问题及预控措施[J].科技风，2008，3：24.

[4]万春风，黄磊，汪江，朱虹.脉动风作用下塔架结构的风振响应分析[J].科技导报. 2012（01）.