平頭塔機起重臂下主弦桿設計計算方法的研究

范開英，沈蘭華，史海紅

（山東豐匯設備技術有限公司，山東 濟南 250200）

平頭塔機起重臂下主弦桿設計計算方法的研究

范開英，沈蘭華，史海紅

（山東豐匯設備技術有限公司，山東 濟南 250200）

隨著建設項目對起重量和幅度越來越高的要求，平頭塔機應用越來越廣泛。在對整機影響最大的起重臂設計時，精確的設計計算結果對節約成本意義重大。本文為平頭塔機局部理論設計特別是起重臂下主弦桿總結了清晰的計算思路，分析了理論計算與有限元分析結果的差異性，并提出了一些優化控制方法。

平頭式塔式起重機；起重臂；下主弦桿；設計

與傳統帶塔帽和拉桿的平臂塔機相比，平頭塔機因其構造的不同有著得天獨厚的優勢［1］：它可以降低拆裝塔機對所需起重設備的要求；因塔群交叉作業總體高度可大大降低，尤其適合于群塔交叉作業；吊臂鋼結構壽命長、安全性高。平頭塔機目前在電站建設等大型項目上應用越來越多，對其構造的經濟性分析也十分重要。

平頭塔機起重臂自重對平衡臂和塔身設計有較大影響，如果起重臂自重增加10%，則一般平衡臂增加10%，塔身增加5%，導致整機重量大幅增加。每減少1t起重臂重量，大約可減少0.5t平衡臂、1t平衡重、3～5t塔身材料。因此起重臂的精確設計在平頭塔機設計中非常重要。然而在對起重臂進行設計計算時，發現起重臂下主弦桿有限元軟件分析結果與手工計算結果相差較大，往往手工計算合格時，有限元分析結果卻不滿足要求。

1 起重臂下主弦設計計算

采用倒三角結構，小車在起重臂的下主弦桿工字鋼上行走。起重臂為桁架懸臂結構，下主弦桿設計校核分為三種工況。

1）起升載荷在起重臂最大幅度，下主弦桿軸力由自重彎矩和起升載荷彎矩組合而成。

式中 MGj——計算節數j節的自重力矩；

MQj—— 計算節數j節的起升載荷力矩，Q70對應的為遠端載荷，此MQj為起升載荷能產生的最大力矩；

Gi——計算節數i節的自重載荷；

Li——計算節數i節的自重重心；

Lj——計算節數j節的計算位置；

Nj——計算節數j節的下主弦桿載荷。由起升特性可知，各幅度起升載荷對塔身產生的力矩相同，即

起重臂在任意載荷作用下的各處彎矩為

由此可知對起重臂各位置，力矩最大值為最大幅度起升載荷產生力矩。因此在取起升載荷的力矩時統一選取最大幅度的起升載荷在各處引起的彎矩即可。通過對應力的控制，可計算出下主弦桿的截面積。

2）小車在下主弦桿節間某處，下主弦桿承受自重彎矩引起的軸壓力，節間跨中彎矩引起的工字鋼上翼緣板的局部彎曲應力共同作用。

3）小車在下主弦桿節點處時，小車局部輪壓引起的工字鋼下翼緣板的局部彎曲應力最大值為

起重臂下主弦桿工字鋼為左右對稱結構，在設計時共有6個未知參數。腹板高度由車輪高度決定，下翼緣板寬度由車輪間距決定；當起重臂腹桿截面確定后，腹桿在上翼緣板布置時，為避免焊縫集中，通常會錯開焊接，上翼緣板最小寬度確定。由工況一可計算出下主弦桿的總截面積，由工況二可校核出上翼緣板的厚度是否滿足上翼緣板局部抗彎要求；由工況三可校核出下翼緣板的厚度是否滿足局部輪壓要求；對選擇好的截面，還要校核翼緣板和腹板的構造穩定性要求；至此下主弦桿工字鋼截面確定。

2 起重臂下主弦桿有限元分析

起重臂為桁架結構，建模時選用Beam188單元［2］，它適合于分析從細長到中等粗短的梁結構，該單元基于鐵木辛哥梁結構理論，并考慮了剪切變形的影響。由于起重臂各節工字鋼截面的型心高度不一致，在手工計算時通常忽略這一問題。另外由于上翼緣板的寬度很小，起重臂各節腹桿的交點并不在同一條直線上。為保持與設計計算統一，選取斜腹桿交點在同一條中心線上，起重臂下主弦桿根據實際情況調整高度，使下翼緣板上表面在同一水平面上。在梁單元偏心設置時，調整量為下翼緣板厚度和一半腹板高度之和。

QTZ1200塔機起重臂根部梁高3 000mm，最大幅度70m，起升性能13.1t，小車吊鉤及鋼絲繩重量共計5.5t，按規范計算得起升載荷為21.5t，在起重臂下主弦桿70m小車作用處加載。根據起重臂實際重量設置密度為9 360kg/m3。起重臂根部約束按Y向鉸接，其余固定約束計算。計算結果如圖1、圖2所示。

圖1 起重臂Y軸方向局部彎矩圖

圖2 起重臂Von應力結果圖

3 理論計算和有限元結果比較

從計算表中可以看出，設計校核計算的結果“下主弦桿理論軸力”與Ansys建模計算的結果“模型計算軸力”基本相同，誤差在3%以內，這是因為實際局部情況與模型結構均勻的自重情況略有差異，這些誤差可以忽略。

考慮第四強度理論-形狀改變比能理論，Ansys模型計算出來的馮氏應力即表格中的“模型綜合應力”與軸應力比較則大很多，一般在10%～15%左右，而傳統的設計計算方法目前則無法計算此項。通過另一種有限元分析軟件SAP84的分析，此彎矩是確實存在的，而且兩種有限元軟件分析的結論基本相同，所以只靠傳統設計計算方法存在設計隱患。

表1 起重臂理論計算與有限元結果對比

4 局部彎矩影響的優化

根據起重臂下主弦桿設計計算可知，起重臂各節截面積差距較大，為統一車輪，上下翼緣板面積也各不相同，形心差從節1到節6依次為 2.5，-18.6，-15.5，-12.4，-22，-48，局部彎矩引起的應力誤差與形心分布沒有明顯的關系，但形心下移似乎對減小應力有好處。

經模型反復調整比較，桁架高度減少60mm，下主弦桿結構向桁架中心線以下調60mm，此時下主弦桿的軸力雖有增大，但局部彎矩顯著減少，綜合應力略有下降。

5 結 論

本文總結了平頭塔機起重臂下主弦桿設計計算中應注意的問題，明確了工字鋼截面各參數的設計和校核原則。綜合上述分析，起重臂下主弦桿的設計要考慮的因素如下。

1）工字鋼截面積為求解參數，下翼緣板寬和腹板高度為公共結構參數；上翼緣板寬度、厚度為腹桿構造要求和局部彎矩校核參數；下翼緣板厚度為局部輪壓校核參數。

2）傳統的設計計算結果不能完全體現起重臂下主弦桿的受力情況，設計之初應預留15%的余量，以保證在局部彎矩的影響下起重臂強度仍能滿足要求。

3）有限元建模時應考慮形心位置的影響，雖然實際中形心變化是不可避免的，但可以利用腹桿對桁架高度的變化減少其對局部彎矩的影響。

［1］常曉華，王春華.塔式起重機起重臂危險點的確定［J］.建筑機械化，2006，（10）：21-23.

［2］任會禮，李江波，高崇仁.基于ANSYS的塔式起重機臂架有限元參數化建模與分析［J］.起重運輸機械，2005，（9）：11-13.

［3］張志文.起重機設計手冊（第一版）［M］.北京：中國鐵道出版社，2001.

（編輯 賈澤輝）

Research of design and calculation method of main chord member under the fl at head tower crane boom

FAN Kai-ying， SHEN Lan-hua， SHI Hai-hong

TH212；TH213.3

B

1001-1366（2015）08-0039-03

2015-05-09