塔式起重机爬升系统设计研究

韩吉超，沈兰华，范开英

（山东丰汇设备技术有限公司，山东 济南 250200）

塔式起重机（以下简称“塔机”）依靠爬升系统进行升塔或降塔作业，安装和使用过程中风险较高。根据传动方式的不同，爬升机构可分为绳轮、链轮、齿条、丝杠和液压爬升机构等5 种。其中液压爬升机构因构造简单、性能可靠，得到了广泛的应用。设计安全性好、适应性强和可靠性高的爬升系统，是塔机设计工作的重要环节。在引用相关规范和安全规程时，应同步关注对结构强度安全性的影响。

工程施工现用塔机多为外附着形式，其爬升套架与机构设计原理比较成熟，对内爬塔机设计有一定参考意义。内爬塔机与外附着塔机相比，能够克服施工场地空间狭小、工期紧张等困难，有施工范围大、吊重能力强、爬升效率高、综合成本低等突出特点，具有较好的经济效益，成为超高层建筑选择趋势。

1 爬升结构形式

爬升系统的设计包括塔身爬升耳板、套架、液压油缸和爬升撑杆等部件。爬升撑杆是爬升机构中与液压油缸配合，循环交替工作的结构部件。在油缸换步的伸缩调整过程中，爬升撑杆摆入爬升耳板上，将套架等塔机上部结构支撑连接在塔身上。根据套架尺寸空间的不同和爬升载荷的差异，爬升撑杆结构型式在设计时主要包括C梁式、压杆式和翻转梁式等。

1.1 C梁式

C 梁式机构爬升撑杆（图1）主要应用于中小型塔机，与爬升油缸中的挂靴连接结构相似，与塔身爬升耳板配套使用，在QTZ80-400 塔机中比较常见，目前已基本形成标准型式。由于机型较小，C 型爬升撑杆通常为板材焊接结构，两撑杆之间用栏杆管连接，单人操作非常方便。

图1 C梁式爬升系统

1.2 压杆式

压杆式爬升撑杆结构（图2）形式简单，载荷传递路线明确，在爬升循环过程中与液压油缸交替使用，在FZQ系列中大型塔机中也有广泛应用。

图2 压杆式爬升系统

QTZ80-400 系列机型主液压油缸和爬升横梁自重较大，人工摆动困难，通常会设有辅助油缸进行就位控制。小撑杆结构为结构圆管或方管，并设置连杆机构加长摆动力臂，助力就位。

1.3 翻转梁式

翻转梁式爬升系统（图3）考虑了爬升机构安装在爬升框上的结构特点，需要考虑塔机安装空间和操作空间等因素，爬升撑杆多采用翻转梁式结构。高层建筑施工方案中，内爬塔机安装于电梯井或核心筒位置，爬升机构安装在塔机内爬节上，与爬升框配合进行爬升作业。

图3 翻转梁式爬升系统

翻转梁式结构多为高强度合金钢制造的实心钢梁，结构紧凑，与爬升液压油缸配合换步时，依靠自重就位，人工拉线辅助操作，对爬升框支撑点局部受力要求较高，特别适用于结构空间受限的FHTD 系列内爬塔机。

2 爬升参数设计

外附着塔机爬升过程中，为满足爬升加节引入空间要求，初始踏步高度位置、踏步间距、油缸行程、油缸初始安装长度均可以自行确认。内爬塔机受附着框和爬带尺寸的限制，爬升机构需要满足跨越爬升框的能力，油缸行程需要核准，并且验证特殊阶段。

2.1 翻转梁爬升高度设计

如图4 所示，翻转梁在摆入爬带踏步前，需要充足的爬升高度空间a，以保障与爬带踏步间有足够的摆入间隙e。设翻转梁结构水平边缘至旋转中心的距离为c，竖直边缘至旋转中心的距离为b，爬带踏步至翻转梁旋转中心的距离为d，则a最小理论摆入空间为e=0 时

图4 翻转梁爬升高度放样图

摆入间隙的最小值需要满足结构制作和油缸加工的累计极限误差值e0，结构设计时通过预设a值求出e验证是否满足要求

在内爬塔机设计时，不仅爬升撑杆采用翻转梁形式，爬升横梁支撑和塔身支撑通常也采用翻转梁结构，都可以用上式校核安装空间。

2.2 油缸参数设计

爬升油缸主参数包括爬升力、初始安装距离和行程，通过上述目标参数设计油缸缸筒和活塞杆等部件。爬升载荷应考虑调试等非工作状态，按照自重载荷的110%计算竖直载荷，按照爬升时倾斜角度计算爬升力。初始安装距离s和行程t按照爬升踏步间距和结构布置考虑。

计爬升撑杆翻转梁摆入空间需求为a，即油缸伸长至最大长度时能满足爬升撑杆摆入。计爬升油缸翻转梁摆入空间需求为f，即油缸缩短至初始安装距离时能满足爬升横梁摆出。设爬带踏步最大间距为g，则油缸行程t需要满足

仅考虑爬带爬升时，油缸行程与初始安装距离无关，只与爬带和翻转梁设计有关。

3 爬升过程放样

塔机外爬升系统设计时，塔机爬升的过程是爬升出标准节引入空间，每次工作循环塔机加高一个标准节，爬升循环过程中重复度高，且只与自身结构有关，与外部建筑物无关。

塔机内爬升系统设计时，内爬塔机塔身标准节多为一次性安装，爬升过程为相对建筑物基准向上爬升。内爬塔机正常工作时，内爬爬升节座落在最低处的第一层爬升框上，通过中间第二层爬框进行附着。

与外附着爬升不同，内爬塔机有2 个特殊过程。当附着爬升框安装就位后，首次爬升是塔身支撑翻转梁支撑，而不是爬升撑杆支撑；末次爬升时爬升油缸支撑，塔身支撑翻转梁就位，而不是爬升撑杆就位。这两次特殊过程将影响油缸行程和初始安装距离，由此爬升过程放样确认的油缸参数为

式中i——塔身支撑翻转梁摆入空间需求；

n——塔最上层踏步到爬升框踏面的距离；

j——塔身支撑翻转梁到油缸安装面的距离；

k——油缸活塞孔到爬升油缸翻转梁的距离。

由此可见，油缸设计与塔身支撑翻转梁需求空间、初始安装位置有关，与爬升框附着间距无关。

爬带长度的设计与爬升附着间距有关，附着间距越小，内爬塔机的适应性越强，爬升后一次性施工的高度越高。为适应各种附着间距，爬带一般设计为多种长度组合方式，按照爬升踏步g的自然数倍数进行长度设计，通常有1m、2m、4m、6m、10m等多种长度，通过不同长度的组合，适应项目工程需要。爬带中通常有半个踏步的长度配置，用于爬升起步时的调整。

4 结语

1）爬升作业是塔机安装与使用过程中最危险的分项作业，设计者要根据机型和参数的不同，选择合理的爬升方案，提升塔机爬升作业的安全性。

2）外爬升系统设计时，爬升作业为标准工作循环，设计者根据自身结构空间需要，进行爬升套架和油缸的设计。

3）与外爬升系统不同，塔机内爬升系统设计除考虑爬升踏步因素外，还要考虑爬升起步和跨越爬升框2 个特殊过程，而且大部分油缸参数设计都会受到这两种工况约束。