塔式起重機抗臺風性能等級評價與建議

肖丹玲

廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司 廣東 廣州 510500

塔式起重機（以下簡稱“塔機”）具有起升高度高、起重量大、作業范圍廣、工作效率高等優點，在現代建筑領域得到了廣泛應用，已經成為現代施工中必不可少的關鍵設備，是施工企業裝備水平的標志。由于塔機重心高、回轉半徑大、長期處于露天作業等特點，在工作及非工作狀態下受周邊環境影響很大，其中臺風是自然界對塔機影響危害最大而且最為頻繁的因素，臺風對沿海地區的影響尤甚。

2014年7月18—19日，超強臺風“威馬遜”先后在海南、廣東、廣西3次登陸。據統計，海南省在本次臺風中至少有119臺塔式起重機與33臺其他類型的起重機械倒塌、110臺塔式起重機受到不同程度損傷[1]。臺風“彩虹”于2015年10月4日正面登陸湛江，造成當地建筑工地82臺塔機倒塌，40臺塔機受損。臺風“天鴿”于2017年8月23日在珠海市金灣區登陸，造成珠海市建筑工地110臺塔機倒塌，27臺塔機受損[2]。

臺風對起重機械尤其是塔機的破壞而造成的直接和間接損失觸目驚心，臺風對建筑起重機械造成的重大危害已經引起建設行政主管部門、建筑施工企業、制造廠商及租賃安裝單位的高度重視，解決該問題迫在眉睫。

若能對塔式起重機的抗風性能等級進行評估，并有針對性地采取抗風措施，將有助于提高塔式起重機抵抗臺風破壞的能力。國內也有學者針對塔式起重機的抗風計算進行研究，鄢長等[3]通過對外附式塔吊附著撐桿及相連附墻設置的受力計算分析，制定了合理的塔吊附著方案；夏燁等[4]提出大跨橋梁施工過程中附著高聳塔吊精細化抗風分析流程，并以南京長江五橋為例，對橋塔-塔吊聯合結構進行了抖振風荷載時程分析，并進行了安全性綜合評價；殷揚等[5]圍繞MD3600塔吊在蘇通大橋應用中的抗風安全評估分析進行了模態識別測試、結構應力監測、風速場和抖振力模擬、結構有限元時程響應分析、有限元計算結果和實測數據對比分析和模型優化，以及索塔-塔吊聯合體系抗風安全性評估等科研工作；陳偉等[6]研究了塔機風荷載CFD數值模擬方法，并將模擬結果與規范風載荷數值進行對比，驗證了數值模擬方法的準確有效及設計規范僅考慮順風向風載荷的準確性和塔機沿順風向進行放置能有效抗風的正確性，但尚無學者提出塔吊抗臺風性能等級的評估方法。

通過現場踏勘，對塔式起重機破壞模式進行分析可知，建筑工地塔吊在臺風侵襲下的破壞主要表現為：無附著獨立塔式起重機超過最大自由高度發生整體倒塌、無附著獨立塔式起重機標準節螺栓連接失效發生破壞、附著式塔式起重機懸臂高度超過最大懸高，在最上道附著處失效發生折斷破壞、附著式塔式起重機附著連接失效而發生倒塌或傾斜。

1 塔式起重機抗臺風性能等級評價

1.1 基本技術參數

某塔式起重機（圖1）的基本參數如下：鋼材型號為Q345B，主肢為135 mm×12 mm方管，斜腹桿為80 mm×5 mm方管，水平橫桿為50 mm×4 mm方管，兩端橫桿為80 mm×5 mm方管。標準節外截面尺寸為1.8 m×1.8 m×2.5 m，數量22節，總高55 m。

圖1 塔式起重機總裝示意

1.2 抗臺風性能等級評價方法

采用SAP2000對塔吊模型進行驗算，取配重為16 t，基本風壓為1 kN/m2，計算塔式起重機風荷載wk＝0.8βμzμsw0，其中：μs為體型系數，取1.95；β為風振系數；μz為風壓高度變化系數；w0為計算風壓。地面粗糙度設為B類，即施加在節點上的風荷載為Fx＝Σ1.56βμzw0Ai，其中，Ai為與塔吊節點相鄰的三角形單元的面積。

塔吊起升高度160 m可以覆蓋絕大多數建筑和市政工程，因此只進行160 m高度內的驗算。針對該塔式起重機，即以10 m為分區布置風荷載。針對臺風（11～13級）、強臺風（13～15級）、超強臺風（15～17級）分別進行計算風壓、風荷載標準值及內力計算，其中計算風壓w0＝v2/1 600，v為臺風10 min平均風速，風力等級與計算風壓對應關系見表1。

表1 風力等級、10 min平均風速與計算風壓對應關系

將計算獲得的最大拉/壓應力σ1.0與材料極限σmax進行比較，可以得到塔機剛好達到材料極限時的計算風壓wmax＝1.0σmax/σ1.0，將其換算為風速vmax＝（1 600wmax）1/2，即可得到其抗臺風性能等級。

1.3 塔身抗臺風性能等級評價

1.3.1 最大自由度下的抗風等級

對于該塔式起重機在設計最大自由高度46 m時的非工作狀態下，驗算此時能抵抗的風力等級（圖2），此時標準節18節，自由高度45 m。

圖2 空載下無附著塔式起重機驗算

此時塔吊發生最大位移，在塔吊起重臂頂端發生2 380 mm位移，最大拉應力值為560 MPa，最大壓應力為－480 MPa，均遠大于塔式起重機鋼材Q345B強度極限，可抵抗的風壓為0.544 kN/m2，對應風速29.76 m/s，對應可抵抗的風力等級為10級。

1.3.2 不同附著位置對最大自由高度下抗風等級的影響

對該塔機設置1道附著，取附著高度分別為20.0、22.5、25.0、27.5、30.0、32.5、35.0 m進行驗算，附著離墻1.8 m，附著類型如圖3所示，對該塔吊模型重新進行計算，其抗風等級計算結果見表2。

圖3 附著示意

從表2可以看出，當塔吊高度為45 m時，在僅設置1道附著的情況下，塔式起重機的附著高度在32.5 m時可抵抗的風力等級最大，考慮到塔式起重機附著處的支座及塔式起重機的質量等問題，對高度為最大自由高度的塔式起重機，當附著高度位于25.0～27.5 m范圍內時，具有較好的抗臺風性能。

表2 不同附著高度下45 m高度塔式起重機抗風等級

1.3.3 不同抗風等級下的最大自由高度

計算不同自由高度下的塔式起重機抗風等級，以此確定不同抗風等級下的最大自由高度，計算結果見表3。

表3 不同抗風等級下最大自由高度

由表3可知，自由高度為20 m時可抵抗的風力等級為17級，自由高度為25 m時可抵抗的風力等級為15級，自由高度為30 m時可抵抗的風力等級為12級。因此，對于建筑工地的塔式起重機，為能達到防御15級以上臺風的程度，最大自由高度不宜超過25 m。

1.3.4 不同附著布置方案下的抗風等級

由1.3.3節的驗算，對于第1道附著高度，可取為20 m（25 m）。對高度在30～160 m的塔式起重機進行附著設計驗算，結果見表4所示。

由表4可知：對塔式起重機抗臺風能力影響較大的主要為懸臂端高度和附著間距；懸臂端高度越小，抗風等級越高；相同的懸臂端高度但附著間距不同對塔式起重機的抗臺風能力也有影響，塔式起重機抗臺風能力與附著間距和懸臂高度的比值有關，與附著支撐數量也有關，比值越大，附著支撐數量越多，抗臺風能力越強。對附著支撐支座處應力分析，可知，最上部一道附著支座處的支座反力最大，在設計附著支撐時，對最上一道附著支撐應做加強處理。

表4 不同高度塔式起重機抗風性能等級

1.4 附著驗算

塔機有很多種附著方式，在實際工程中常用的形式如圖4所示，塔身根部可視為固端支承，每道附著裝置在該處對塔身構成約束。多數塔機的附著裝置都為N形附著裝置，如圖4（a）所示，本文主要也是對圖4（a）所示的附著樣式進行研究分析。

圖4 塔式起重機附著形式

非工作狀態下，引起塔機附著撐桿內力的外載荷有重力產生的不平衡力矩及風載荷。為計算出臺風下附著撐桿中可能出現的最大內力，在確定計算狀態時要從兩方面考慮：其一，按附著式塔機的非工作狀態計算風壓；其二，要考慮塔身正方向、吊臂縱方向與建筑物附著墻面間的位置關系。考慮上述諸因素后可確定兩種計算狀態，如圖5所示。

圖5 塔式起重機非工作狀態下的受風情況示意

由于建筑物的存在，根據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》中對體型系數的規定可知，塔式起重機附著在非工作狀態1下更為不利，因此本文進行了非工作狀態1下的附著驗算。對不同高度不同附著布置下塔式起重機最大附著內力進行分析后，從分析結果來看，附著式塔式起重機最大附著內力發生在最上一道附著支撐處，且塔式起重機的懸臂高度對最大附著內力的影響最大，對可抵抗風力等級的影響也較大。相同懸臂高度下，最大附著內力隨塔式起重機高度的變化呈線性變化（圖6），隨著懸臂高度的增加，塔式起重機附著內力與懸臂高度呈線性增加（圖7）。

圖6 不同懸臂高度不同塔式起重機高度附著支撐內力變化

圖7 塔機不同懸臂高度下附著支撐內力變化

2 塔式起重機抗強臺風措施

塔式起重機還應進行基礎抗傾覆及連接驗算、整體穩定性驗算、標準節抗風性能驗算等計算，最后根據各項計算結果綜合得到抗臺風等級評價。根據上述驗算結果，塔式起重機如需抵抗15級以上強臺風，可采取以下措施：

1）塔身設計宜優先采用風力系數較小的構件和擋風較小的結構。

2）將吊鉤升到最高處，小車收至最小幅度；塔式起重機吊臂必須處于自由旋轉狀態，清除回轉半徑所有障礙[6]。

3）降低塔身高度是提高塔式起重機抗臺風能力最有效的方法。施工現場條件不允許降低塔身和套架時，可采用雙塔身自我附著、纜風繩附著或變徑塔身。

4）附著間距宜小于25 m，且最大自由懸臂端高度宜小于20 m。非工作工況時，總高100 m內最大自由端高度不應大于最大獨立高度的75%；總高100 m以上的最大自由端高度不應大于最大獨立高度的60%。各道附著的間距應充分考慮臺風影響，合理設置。

5）最上一道附著裝置以上的塔身可視作懸臂梁，在風載荷作用下，最大彎矩將出現在最上一道附著裝置處，同時，其內力也最大。因此，以最大計算風壓來驗算附著裝置，對保證塔式起重機防臺風來說尤為重要。

6）標準節節間的連接部位及頂升踏步處等受力節點處應有防止局部失穩的加強措施，加強節主肢桿內側宜進行結構加強或材料加厚。

7）最上一道附著裝置處是塔身承受彎矩、扭矩最大的截面，因此需要有加強措施，塔身標準節連接處或有水平腹桿的位置就能起到加強作用。

8）相比采用穿孔型，附著桿的調節螺桿調節處更適合采用六角頭型，其不存在截面突然減少的危險位置，也不存在應力集中，相反在實際使用中，也常見調節螺桿在穿孔處斷裂的例子。

9）對超強臺風下最大自由高度獨立的塔式起重機，可采用設置鋼絲繩進行抗臺風加固，纜風繩錨固在地面處，且與地面呈60°角。

3 結語

臺風同大多數自然災害一樣，是無法避免的，我們只有認識它的規律，掌握防御它的方法，才能減災防禍。本文提出了一種通過塔式起重機材料極限應力與單位風荷載作用下應力比值確定極限風速，進而確定塔式起重機抗臺風性能等級的評價方法，并以建筑工地常見的某型號塔式起重機為例，采用SAP2000建立計算模型，進行了最大自由高度、不同附著位置、不同附著方案下的塔身及附著抗臺風性能等級評價，最后給出了塔式起重機抗強臺風的措施建議。