淺析建筑用塔式起重機靜態剛度與穩定性

柏濤

（安徽省銅陵市特種設備監督檢驗中心，安徽 銅陵 244000）

作為危險性比較大的特種設備，隨著高強度鋼材的廣泛使用，結構件的強度及穩定性的要求已經很難滿足使用要求，還有鋼結構在極端溫度下適應能力，對剛度要求則非常突出。因此塔式起重機結構件的設計時就應考慮剛性的要求。靜態剛性是在規定的作用與特定位置時所產生彈性變形的結構在一處位置的靜位移動值來表示。

1 塔式起重機結構靜態剛度控制

塔式起重機結構件靜剛度控制主要原因。

（1）塔式起重機鋼結構產生變形塔機改變了原有起升高度，造成起升高度的變化。

（2）塔式起重機鋼結構變形增大了相應起重量作用處的工作幅度，造成超載或使塔機性能下降。鋼結構變形較大時，鋼結構中的應力與作用力不再一致。

（3）塔式起重機鋼結構穩定性下降時，鋼結構強度和穩定性計算中必須考慮結構件變形的影響。鋼結構變形直接影響到起重機的使用能力。

（4）塔式起重機鋼結構安裝定位困難，加大小車變幅機構臂架的位移，使小車爬坡阻力增加。

根據我國編制的GB3811-2008《起重機設計規范》中專家對塔機塔身結構靜剛度提出了塔身結構靜態剛度控制要求，以及相應條款的制定給控制要求提供了科學依據。塔機的靜態剛度要求直接影響到塔機的整機穩定性，可見在設計時剛度的控制很有必要。

塔式起重機結構的剛性不能直接地確定著結構的承載能力，但剛性太差會直接影響塔機的使用能力和極端工作條件下的穩定性，不斷的影響到結構的承載能力，及極端條件下整機穩定性。因此結構的剛度問題對塔機及其結構的正常使用與安全作業也是十分重要的。塔機在使用過程中安全狀況，應考慮固定載荷、變動載荷、風載荷或動載的影響而產生顯著彈性變形，在設計時對剛度的控制，從而加大整機的穩定性。

2 塔機的結構件輕量化發展

隨著社會的不斷發展，國家提倡節能，塔式起重機的結構件輕量化的設計是趨勢，節省鋼材，減塔式起重機的結構件自重，提升經濟效益。合理的地設計金屬結構是降低金屬用量、減少構件自身質量、改善其工作性能、簡化工藝和降低成本的主要途徑。根據塔式起重機使用工況和使用時的要求，塔式起重機結構件必須滿足強度、剛度及穩定性等種種條件的要求，要通過正確的選擇鋼材和合理的設計要求來保證。設計過程中應選擇有很大慣性矩的截面作為塔機結構的整體截面和但肢截面，以提高塔式起重機結構件的強度及剛度的要求。根據計算，材料實體截面積相等的各種截面中以正方形箱型截面、圓環形截面的綜合剛性為最好，既有較好的抗彎剛度，又有較好的抗扭剛度。因此塔身標準節通常采用整體截面正方形的桁架結構。結構件優化組合壓桿穩定性改變塔身腹桿布置形式也是降低塔身自重節約成本的關鍵之一。

3 塔式起重機結構件安全性

3.1 各種情況下塔式起重機鋼結構所考慮的安全性

（1）塔機結構件斷裂的臨界轉變時的溫度為-20℃。外界環境溫度在低于這個溫度時運行，在受到應力集中、材質變化不均勻的種種影響，可能導致鋼結構突然斷裂。這種斷裂危險性很高，運行前前無任何征兆。尤其是在嚴寒地區，更要防止事故的發生。為了避免這種破壞的產生，一定要嚴格遵守設計規范對使用環境溫度在-20 ～+40℃的要求。如果在低于-20℃環境溫度下作業，要向制造單位申明環境溫度的要求。

（2）如在設計規定的風力環境下作業，現用塔式起重機工作環境狀態風速規定一般為20m/s，應該保證塔式起重機最終安裝高度時的風速不應該超過此值。對塔式起重機安裝高度比較大的，大臂根部鉸點高度超過50m 時，使用單位應在塔式起重機頂部安裝風速儀。對于在有預報的大風、地震塔機可采用拆卸放倒，或加裝纜風繩等等安全措施，保證塔式起重機在特殊環境下的安全性。

（3）塔式起重機在慣性載荷下主要包括2 種情況，在起動時與制動器制動過程中發生的慣性載荷，及起升貨物及塔式起重機各運轉部分在旋轉工作時的慣性載荷。塔式起重機司機沒有按照操作規程，起升或制動時過猛，跳級換擋，運行機構調速失效。主要是回轉機構、行走機構運行時打反車或猛制動，都會造成塔式起重機在起動和制動時慣性力猛然增大，即引起鋼結構變形或焊縫出現裂紋的破壞，導致塔機整體傾翻。因此，杜絕以上違章操作來保證塔式起重機鋼結構安全性的重要條件。

由于設計時塔式起重機是彈性系統，在突然加大載荷或減小載荷時，都會引起系統的反復彈性振動，由此產生振動載荷加大鋼結構的承載的能力。塔式起重機在吊運過程中貨物捆扎不規范，起吊過程中所吊貨物出現滑脫，必然會造成塔式起重機臂架的屈曲失穩而遭受嚴重破壞。

（4）在塔式起重機起升機構中，如果在起升鋼絲繩非常松弛的情況下猛然以高速起升貨物離開地面，會造成很大的動載荷存在，這樣的狀態也是一種沖擊載荷。如果塔式起重機塔身鋼結構的垂直度偏差過大，重心移動過大，這時塔式起重機鋼結構就會造成整體穩定性的喪失，由此引發塔式起重機整體傾翻。因此，在起生貨物的初始階段時，操作應該平穩、緩慢，減小沖擊載荷，把這種載荷降到最小值。來保證塔機的整體穩定性。

3.2 塔式起重機在設計時應考慮工作級別對鋼結構的影響

塔式起重機運行循環次數超過了利用等級的要求，由于交變載荷作用下，造成塔式起重機鋼結構早期疲勞損壞，比如說焊縫和母材出現明顯裂紋。在塔式起重機實際運行使用中，經常會發現把建筑工地使用的塔式起重機用于起升頻繁的運貨場所、等其他使用率極高的場所，兩種使用場所塔式起重機工作級別相差很遠。因此，使用單位在購買塔式起重機前應考慮實際使用場所和用途，告知制造單位使用場所的要求，在塔式起重機設計時應考慮整機以及主要機構的工作級別（運行機構、旋轉機構、起升機構、變幅機構），也應包含塔機設計時利用等級和載荷利用率的大小值。并嚴格按照行業內的相關制造標準對工作級別設計，減少因作業場所帶來工作級別不符，而造成塔式起重機鋼結構疲勞產生的不安全性。

3.3 塔式起重機在設計時考慮的安全性

（1）塔身標準節結構件及大臂結構件是塔式起重機的重要組成部分，一般情況下，機構件金屬結構自重占塔式起重機整機總重量的1/2 以上，塔式起重機金屬結構的設計方案合理，對塔式起重機自重減小、提高塔式起重機性能是非常重要的。塔式起重機結構件按構造可分為兩種形式格構式和實腹式；按受力的特點又分為以承受軸向力為主的旋轉式塔身結構件及受壓彎扭轉作用的不旋轉塔身結構件。在各種工況下設計哪種型式的塔身結構件，都必須嚴格按照規定計算其結構件強度、剛度和穩定性等。

（2）現用塔式起重機應用較多的是格構式，其設計計算采用平面靜力的方法或間隔空間桿系有限元方法來完成設計。在任何設計中采用空間桿系有限元分析，還是采用平面靜力分析的方法的方法進行設計時計算，都應該考慮到塔式起重機結構件的確定和塔式起重機標準節受力分析這兩個問題。先對標準節結構件進行分析，塔式起重機的結構件形式設計與塔式起重機的類型和所用的頂升形式相關，同時還應考慮到標準節結構中是否有基礎機構件、加重結構件、加強結構件或過渡結構件。其次是標準節的受力點分析，標準節受力點可分為非工作和工作兩種狀態。

塔式起重機結構件上所承受的的載荷有：標準節自身重量，上部大臂架和平衡臂架上的種種載荷對塔身標準節產生的作用力；塔機正常運行、回轉機構制動器制動時，由塔身標準節本身質量所產生的水平慣性載荷及作用在塔式起重機標準節上的風載荷等。

塔式起重機結構件在設計的時候，以上種種載荷下要按最不利的載荷方位和載荷組合進行嚴格的計算，作為塔式起重機結構件計算的基本依據。正常情況下應取結構件最不利的工況進行設計計算-正常工作運行狀態變幅機構小車在最大幅度時，非工作狀態下主要是考慮計算最大允許風壓產生的風載荷作用。各種原因來考慮塔式起重機結構件在設計時的強度、剛度以及穩定性。

4 結語

以上內容講述塔機結構靜態剛度的控制。塔式起重機結構件在設計時應考慮特殊環境下使用。塔式起重機在操作時應避免各種危險載荷對鋼結構的影響。設計時使用場所工作級別確定，設計時應考慮整機穩定性安全性以及節能的淺談。塔式起重機在檢驗時對靜剛度的限制大大制約了發展。所以設計時怎么合理的控制塔式起重機結構布置和結構靜態剛度。即節能又提高塔機的穩定性還保證了塔機的使用安全性。這一系列的問題還需要專家對塔身結構靜剛度課題進行研究。