塔式起重机抗台风性能等级评价与建议

肖丹玲

广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广东 广州 510500

塔式起重机（以下简称“塔机”）具有起升高度高、起重量大、作业范围广、工作效率高等优点，在现代建筑领域得到了广泛应用，已经成为现代施工中必不可少的关键设备，是施工企业装备水平的标志。由于塔机重心高、回转半径大、长期处于露天作业等特点，在工作及非工作状态下受周边环境影响很大，其中台风是自然界对塔机影响危害最大而且最为频繁的因素，台风对沿海地区的影响尤甚。

2014年7月18—19日，超强台风“威马逊”先后在海南、广东、广西3次登陆。据统计，海南省在本次台风中至少有119台塔式起重机与33台其他类型的起重机械倒塌、110台塔式起重机受到不同程度损伤[1]。台风“彩虹”于2015年10月4日正面登陆湛江，造成当地建筑工地82台塔机倒塌，40台塔机受损。台风“天鸽”于2017年8月23日在珠海市金湾区登陆，造成珠海市建筑工地110台塔机倒塌，27台塔机受损[2]。

台风对起重机械尤其是塔机的破坏而造成的直接和间接损失触目惊心，台风对建筑起重机械造成的重大危害已经引起建设行政主管部门、建筑施工企业、制造厂商及租赁安装单位的高度重视，解决该问题迫在眉睫。

若能对塔式起重机的抗风性能等级进行评估，并有针对性地采取抗风措施，将有助于提高塔式起重机抵抗台风破坏的能力。国内也有学者针对塔式起重机的抗风计算进行研究，鄢长等[3]通过对外附式塔吊附着撑杆及相连附墙设置的受力计算分析，制定了合理的塔吊附着方案；夏烨等[4]提出大跨桥梁施工过程中附着高耸塔吊精细化抗风分析流程，并以南京长江五桥为例，对桥塔-塔吊联合结构进行了抖振风荷载时程分析，并进行了安全性综合评价；殷扬等[5]围绕MD3600塔吊在苏通大桥应用中的抗风安全评估分析进行了模态识别测试、结构应力监测、风速场和抖振力模拟、结构有限元时程响应分析、有限元计算结果和实测数据对比分析和模型优化，以及索塔-塔吊联合体系抗风安全性评估等科研工作；陈伟等[6]研究了塔机风荷载CFD数值模拟方法，并将模拟结果与规范风载荷数值进行对比，验证了数值模拟方法的准确有效及设计规范仅考虑顺风向风载荷的准确性和塔机沿顺风向进行放置能有效抗风的正确性，但尚无学者提出塔吊抗台风性能等级的评估方法。

通过现场踏勘，对塔式起重机破坏模式进行分析可知，建筑工地塔吊在台风侵袭下的破坏主要表现为：无附着独立塔式起重机超过最大自由高度发生整体倒塌、无附着独立塔式起重机标准节螺栓连接失效发生破坏、附着式塔式起重机悬臂高度超过最大悬高，在最上道附着处失效发生折断破坏、附着式塔式起重机附着连接失效而发生倒塌或倾斜。

1 塔式起重机抗台风性能等级评价

1.1 基本技术参数

某塔式起重机（图1）的基本参数如下：钢材型号为Q345B，主肢为135 mm×12 mm方管，斜腹杆为80 mm×5 mm方管，水平横杆为50 mm×4 mm方管，两端横杆为80 mm×5 mm方管。标准节外截面尺寸为1.8 m×1.8 m×2.5 m，数量22节，总高55 m。

图1 塔式起重机总装示意

1.2 抗台风性能等级评价方法

采用SAP2000对塔吊模型进行验算，取配重为16 t，基本风压为1 kN/m2，计算塔式起重机风荷载wk＝0.8βμzμsw0，其中：μs为体型系数，取1.95；β为风振系数；μz为风压高度变化系数；w0为计算风压。地面粗糙度设为B类，即施加在节点上的风荷载为Fx＝Σ1.56βμzw0Ai，其中，Ai为与塔吊节点相邻的三角形单元的面积。

塔吊起升高度160 m可以覆盖绝大多数建筑和市政工程，因此只进行160 m高度内的验算。针对该塔式起重机，即以10 m为分区布置风荷载。针对台风（11～13级）、强台风（13～15级）、超强台风（15～17级）分别进行计算风压、风荷载标准值及内力计算，其中计算风压w0＝v2/1 600，v为台风10 min平均风速，风力等级与计算风压对应关系见表1。

表1 风力等级、10 min平均风速与计算风压对应关系

将计算获得的最大拉/压应力σ1.0与材料极限σmax进行比较，可以得到塔机刚好达到材料极限时的计算风压wmax＝1.0σmax/σ1.0，将其换算为风速vmax＝（1 600wmax）1/2，即可得到其抗台风性能等级。

1.3 塔身抗台风性能等级评价

1.3.1 最大自由度下的抗风等级

对于该塔式起重机在设计最大自由高度46 m时的非工作状态下，验算此时能抵抗的风力等级（图2），此时标准节18节，自由高度45 m。

图2 空载下无附着塔式起重机验算

此时塔吊发生最大位移，在塔吊起重臂顶端发生2 380 mm位移，最大拉应力值为560 MPa，最大压应力为－480 MPa，均远大于塔式起重机钢材Q345B强度极限，可抵抗的风压为0.544 kN/m2，对应风速29.76 m/s，对应可抵抗的风力等级为10级。

1.3.2 不同附着位置对最大自由高度下抗风等级的影响

对该塔机设置1道附着，取附着高度分别为20.0、22.5、25.0、27.5、30.0、32.5、35.0 m进行验算，附着离墙1.8 m，附着类型如图3所示，对该塔吊模型重新进行计算，其抗风等级计算结果见表2。

图3 附着示意

从表2可以看出，当塔吊高度为45 m时，在仅设置1道附着的情况下，塔式起重机的附着高度在32.5 m时可抵抗的风力等级最大，考虑到塔式起重机附着处的支座及塔式起重机的质量等问题，对高度为最大自由高度的塔式起重机，当附着高度位于25.0～27.5 m范围内时，具有较好的抗台风性能。

表2 不同附着高度下45 m高度塔式起重机抗风等级

1.3.3 不同抗风等级下的最大自由高度

计算不同自由高度下的塔式起重机抗风等级，以此确定不同抗风等级下的最大自由高度，计算结果见表3。

表3 不同抗风等级下最大自由高度

由表3可知，自由高度为20 m时可抵抗的风力等级为17级，自由高度为25 m时可抵抗的风力等级为15级，自由高度为30 m时可抵抗的风力等级为12级。因此，对于建筑工地的塔式起重机，为能达到防御15级以上台风的程度，最大自由高度不宜超过25 m。

1.3.4 不同附着布置方案下的抗风等级

由1.3.3节的验算，对于第1道附着高度，可取为20 m（25 m）。对高度在30～160 m的塔式起重机进行附着设计验算，结果见表4所示。

由表4可知：对塔式起重机抗台风能力影响较大的主要为悬臂端高度和附着间距；悬臂端高度越小，抗风等级越高；相同的悬臂端高度但附着间距不同对塔式起重机的抗台风能力也有影响，塔式起重机抗台风能力与附着间距和悬臂高度的比值有关，与附着支撑数量也有关，比值越大，附着支撑数量越多，抗台风能力越强。对附着支撑支座处应力分析，可知，最上部一道附着支座处的支座反力最大，在设计附着支撑时，对最上一道附着支撑应做加强处理。

表4 不同高度塔式起重机抗风性能等级

1.4 附着验算

塔机有很多种附着方式，在实际工程中常用的形式如图4所示，塔身根部可视为固端支承，每道附着装置在该处对塔身构成约束。多数塔机的附着装置都为N形附着装置，如图4（a）所示，本文主要也是对图4（a）所示的附着样式进行研究分析。

图4 塔式起重机附着形式

非工作状态下，引起塔机附着撑杆内力的外载荷有重力产生的不平衡力矩及风载荷。为计算出台风下附着撑杆中可能出现的最大内力，在确定计算状态时要从两方面考虑：其一，按附着式塔机的非工作状态计算风压；其二，要考虑塔身正方向、吊臂纵方向与建筑物附着墙面间的位置关系。考虑上述诸因素后可确定两种计算状态，如图5所示。

图5 塔式起重机非工作状态下的受风情况示意

由于建筑物的存在，根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》中对体型系数的规定可知，塔式起重机附着在非工作状态1下更为不利，因此本文进行了非工作状态1下的附着验算。对不同高度不同附着布置下塔式起重机最大附着内力进行分析后，从分析结果来看，附着式塔式起重机最大附着内力发生在最上一道附着支撑处，且塔式起重机的悬臂高度对最大附着内力的影响最大，对可抵抗风力等级的影响也较大。相同悬臂高度下，最大附着内力随塔式起重机高度的变化呈线性变化（图6），随着悬臂高度的增加，塔式起重机附着内力与悬臂高度呈线性增加（图7）。

图6 不同悬臂高度不同塔式起重机高度附着支撑内力变化

图7 塔机不同悬臂高度下附着支撑内力变化

2 塔式起重机抗强台风措施

塔式起重机还应进行基础抗倾覆及连接验算、整体稳定性验算、标准节抗风性能验算等计算，最后根据各项计算结果综合得到抗台风等级评价。根据上述验算结果，塔式起重机如需抵抗15级以上强台风，可采取以下措施：

1）塔身设计宜优先采用风力系数较小的构件和挡风较小的结构。

2）将吊钩升到最高处，小车收至最小幅度；塔式起重机吊臂必须处于自由旋转状态，清除回转半径所有障碍[6]。

3）降低塔身高度是提高塔式起重机抗台风能力最有效的方法。施工现场条件不允许降低塔身和套架时，可采用双塔身自我附着、缆风绳附着或变径塔身。

4）附着间距宜小于25 m，且最大自由悬臂端高度宜小于20 m。非工作工况时，总高100 m内最大自由端高度不应大于最大独立高度的75%；总高100 m以上的最大自由端高度不应大于最大独立高度的60%。各道附着的间距应充分考虑台风影响，合理设置。

5）最上一道附着装置以上的塔身可视作悬臂梁，在风载荷作用下，最大弯矩将出现在最上一道附着装置处，同时，其内力也最大。因此，以最大计算风压来验算附着装置，对保证塔式起重机防台风来说尤为重要。

6）标准节节间的连接部位及顶升踏步处等受力节点处应有防止局部失稳的加强措施，加强节主肢杆内侧宜进行结构加强或材料加厚。

7）最上一道附着装置处是塔身承受弯矩、扭矩最大的截面，因此需要有加强措施，塔身标准节连接处或有水平腹杆的位置就能起到加强作用。

8）相比采用穿孔型，附着杆的调节螺杆调节处更适合采用六角头型，其不存在截面突然减少的危险位置，也不存在应力集中，相反在实际使用中，也常见调节螺杆在穿孔处断裂的例子。

9）对超强台风下最大自由高度独立的塔式起重机，可采用设置钢丝绳进行抗台风加固，缆风绳锚固在地面处，且与地面呈60°角。

3 结语

台风同大多数自然灾害一样，是无法避免的，我们只有认识它的规律，掌握防御它的方法，才能减灾防祸。本文提出了一种通过塔式起重机材料极限应力与单位风荷载作用下应力比值确定极限风速，进而确定塔式起重机抗台风性能等级的评价方法，并以建筑工地常见的某型号塔式起重机为例，采用SAP2000建立计算模型，进行了最大自由高度、不同附着位置、不同附着方案下的塔身及附着抗台风性能等级评价，最后给出了塔式起重机抗强台风的措施建议。