塔式起重機防強風技術措施研究

黃李誠 （安徽建筑機械有限責任公司，安徽 合肥 230601）

1 引言

塔式起重機（以下簡稱塔機）在施工現場使用時，如遇大風天氣，當風速超過12m/s時應停止作業。因此本文所研究強風設定為風速超過12m/s，風力等級6級以上。內陸地區塔機使用時強風天氣較少，因此塔機所受影響較小。但我國沿海地區，不僅平時風速較大，當臺風季節來臨時，風速可達到12級甚至更高等級。因此，沿海地區塔機的日常使用需更加注意強風的影響。

2 規范依據

從上文可知，當風力超過12m/s時塔機應停止作業，因此本文主要研究的是塔機停止使用后非工作狀態塔機所受風力影響。本文根據國家現行塔機設計、安全標準，對塔機獨立高度和附著使用高度進行計算研究。

塔機非工作狀態的計算風壓為空曠平坦地面離地高10m處風壓。非臺風影響季節（島嶼、高地除外）：計算風壓為800N/m，相應計算風速為 35.8m/s；臺風影響季節（島嶼、高地除外）：計算風壓為1000N/m，相應計算風速為40m/s；上述計算風壓均考慮風壓高度變化系數kH（詳見塔式起重機設計規范（GB/T13752-2017）表21規定）。

3 塔機非工作狀態分類

塔機狀態一：塔機獨立高度使用，爬升架安裝在下支座下方。

塔機狀態二：塔機獨立高度使用，爬升架降落至地面。

塔機狀態三：塔機已安裝附著，爬升架安裝在下支座下方。

塔機狀態四：塔機已安裝附著，爬升架降至最上面一道附著處。

上述降落爬升架是將塔機爬升架降至離地面最近的高度或降至最上面一道附著處，且爬升架必須可靠地固定在塔身上，爬升架底部兩側爬爪必須可靠固定在標準節支撐塊上，調節爬升架滾輪靠緊標準節主弦桿，同時需采取措施將爬升架與塔身固定，保證爬升架不產生晃動。爬升架下降前，將爬升架可靠固定，拆除與下支座的連接銷軸，參照隨機使用說明書降節的步驟操作，將爬升架降至地面或塔機最上面一道附著處。

4 計算

因塔機塔身承受上部結構傳遞載荷、彎矩、扭矩較為復雜，且受風載荷作用，本文計算圍繞塔身和附著展開。以下計算為塔機最不利狀態，即塔身與風向呈45°夾角，此時塔身所受復合應力最大。

4.1 獨立高度狀態下標準節校核

根據上文狀態分類，需計算狀態一和狀態二下標準節所受載荷。通過計算在非工作狀態下塔機最不利情況下所受壓力、風載荷等各種應力，可計算得出任意一節標準節所受壓力N、水平力Q、Q，彎矩 M、M及扭矩 T（非工作狀態下扭矩為零）。因正常情況下塔機塔身由基礎節和標準節組成，則需驗算最底層基礎節和標準節穩定性，驗算公式如下：

①基礎節和標準節整體穩定性

，其中φ為結構整體穩定系數，A為基礎節或標準節截面面積。

②主桿單肢穩定性

③斜腹桿穩定性

通過以上公式可校核基礎節和標準節穩定性，若滿足則可在某一獨立高度下使用，若不滿足則需降低獨立高度，繼續校核驗證。

4.2 附著狀態下標準節校核

通過以上方法和公式可校核塔機在附著狀態時最上面一道附著位置標準節穩定性。

4.3 附著狀態下支撐反力計算

塔機在附著狀態時，附著對墻面施加載荷是校核附著撐桿和建筑物接觸面強度的關鍵參數，因此附著狀態下附著支撐反力亦需詳細計算。塔機在附著狀態下由多道附著裝置將塔機與建筑物墻面連接，為簡化計算模型，可將塔機的各道附著簡化為同一個平面內多個鉸支座（圖1所示），由圖1可看出附著受到塔機上部結構傳遞的彎矩M、拉力（或壓力）Q，以及標準節傳遞至附著的風載荷q、q,根據上述模型和載荷將其轉化為同一個平面內超靜定連續梁結構（圖2所示）。根據力法方程計算在互相垂直平面內的附著支撐反力。

圖1 簡化計算模型

圖2 簡化連續梁模型

力法方程：

其中δ是與各道附著之間距離L有關的系數，△是與各道附著之間距離L，所受風載荷 q、q、q，彎矩 M 相關的系數。

4.4 附著距離對支撐反力的影響

通過4.3所述可計算得出附著支撐反力。但需注意的是，各道附著支撐反力并不會隨附著距離減小而減少，當附著之間距離增加后其支撐反力反而會減小，下面以QTZ6013塔機144m塔機使用高度為例

圖3為144m塔機使用高度時附著布置，其中實心黑點表示附著與塔機塔身牢固連接，空心圓點表示此位置附著松開。

圖3 144m附著簡化受力圖

從上述計算結果可看出：在最上層兩道附著之間增加一道附著后，最上層附著支撐反力增加17.6%,第五道附著支撐反力增加91.4%，然后隨著附著往下支撐反力變化較小。因此，在設置附著之間距離時，可適當增加，但不可過度。

根據上述對塔機分析計算，以QTZ6013塔機為例，當塔機爬升架不降落時，其獨立高度和附著高度方案如下：

最大獨立高度為36m，附著原則為：

第一次附著后，附著裝置以下塔身高度h：21m≤ h≤27m

附著裝置以上的塔身懸出高度h：h≤27m

第二道附著裝置與第一道附著裝置間距h：15m≤ h≤18m

附著裝置以上的塔身懸出高度h：h≤24m

第三道附著裝置與第二道附著裝置間距h：12m ≤ h≤15m

附著裝置以上的塔身懸出高度h：h≤24m

第四次附著及以后

附著裝置以上的塔身懸出高度h：h≤24m

附著裝置之間的距離h：24m≤h≤30m

第八次附著

附著裝置以上的塔身懸出高度h：h≤21m

為保證附著裝置之間的距離不小于24m的要求，可采用松開附著的措施；松開附著不是取消該處附著，而是將附著框架四角圓弧頂塊與塔身主弦桿松開，且附著框架應可靠支撐，保證不向下滑移。

四道附著計算結果 表1

五道附著計算結果 表2

5 防強風安全措施

除了上述理論計算外，在施工現場還需增加一些安全措施抵御強風來襲。首先，在強風來臨之前應對各塔機部件進行嚴格檢查（特別是部件的連接部位），確保塔機各個部位無破損、無明顯變形、無開裂等不利情況，塔機能360°自由回轉無障礙；保持塔機回轉機構減速機、回轉支承等旋轉部件，處在良好的潤滑狀態下；另外需保證起重臂所處的空間在安全半徑范圍內。

當施工現場實際風速超過塔機設計風速時，保證塔機安全的應對措施為降低獨立高度或附著以上塔身懸出高度，這是最為保險的方法，幾乎適用于所有施工現場的情況。除此之外，可在下支座四角連接纜風繩，固定塔身。上述所有防風措施中，除降低塔機高度外，其他方案都需要根據實際情況，由計算確定具體方案，不能隨意實施。

強風特別是臺風過后，還需對塔機做如下檢查：檢查塔機所有構件，并及時進行維修保養；對塔機的接地與防雷系統進行全面檢查；

對塔身的垂直度重新進行測量，查看有無結構變形；最后必須試運行正常后才能工作。

6 結語

塔式起重機的安全使用關乎生命和財產，對于沿海地區塔機的使用更是應謹慎對待。本文針對性研究了非工作狀態下塔機各工況計算方法，并指出一些防強風安全措施，希望對塔機行業從業者有所幫助。