（机械设计及理论专业论文）大型门式起重塔架的力学分析及液压同步自升控制.pdf

摘要 摘要 大型门式起重塔架一般作为大型设备或构件的起吊设备使用，它可以稳定 可靠地将重达数千吨的大型设备或构件提升至超过百米的高度并停留一段时 间。随着建筑、重工及造船等行业的生产规模日趋扩大，门式起重塔架被越来 越广泛地应用于各种大型设备或构件的起重场合。因此，摸索出一套合理可靠 的大型门式起重塔架的分析和设计思路是很有意义的。 本文从4 2 m 大型门式起重塔架结构及液压同步自升系统的实际工程设计任 务入手，完成了一整套包括塔架结构设计、力学分析、结构改进及应用于该起 重塔架的液压同步自升系统的设计等工作。 在结构上，由于起重塔架体系是由门架和缆风绳共同组成的索一桁架混合 结构体系，结构细长，在荷载作用下，门架本身将存在很强的p a 效应，缆风 绳也会表现出高度的非线性特征。若按传统简化计算方法，将支架和缆风绳分 别进行计算，结果精度非常差。为了准确的掌握起重塔架体系在荷载作用下的 响应，本文将门架和缆风绳作为一个整体，对这种索一桁架混合结构采用几何 非线性有限元分析，用a n s y s 对其进行建模计算，并在此基础上进一步探讨了 不同的缆风体系对结构系统的抗风载能力的影响，提出了针对该项目的改进方 案。 在该门式塔架搭建方式的设计上，出于实际工程需要及经济因素考虑，本 文选用了液压同步自升方式，完成了包括液压系统及控制系统在内的一整套应 用于起重塔架的液压同步自升系统设计。 随着4 2 m 起重塔架开始投入生产制造，根据施工单位反馈给我们的信息， 我们对设计方案进行了不断的优化和改进。在随后的起重塔架现场搭建试验及 同步自升液压控制系统调试中，结合塔架的现场工作情况，又对结构进行了进 一步的优化。塔架搭建试验的j i f 页n 完成，证明了本文的整套起重塔架设计方案 是可行的。 关键词：门式起重塔架，分析和设计，非线性，有限元，同步自升 a b s t r a c t a b s t r a c t l a r g e - s c a l eg a n t r y f r a m e w o r ki s u s u a l l yu s e dt o l i f t l a r g ee q u i p m e n t sa n d s t r u c t u r e sw h i c hh a v eaw e i g h te v e nm o r et h a nt h o u s a n d st o n su pt om o r et h a n1 0 0 m e t e r s a st h ed e v e l o p i n go ft h ec o n s t r u c t i o nb u s i n e s s ，h e a v yi n d u s t r ya n dt h e s h i p b u i l d i n gb u s i n e s s ，t h eg a n t r yf r a m e w o r ka r em o r ea n dm o r eu s e di n d i f f e r e n t k i n d so fl i f t i n go c c a s i o n s s o ，i tw i l lb es i g n i f i c a t i v et of i n dac r e d i b l ew a yo f d e s i g n i n ga n da n a l y z i n gt h eg a n t r yf r a m e w o r k t h i sa r t i c l ec a m ef r o ma na c t u a lp r o j e c tw h o s et a s ki st od e s i g nt h es t r u c t u r ea n d t h eh y d r a u l i ci s o c h r o n o u ss e l f - c l i m b i n gs y s t e mo ft h e4 2 mg a n t r yf r a m e w o r k f o r t h i s t a r g e t ，a w h o l es e to f d e s i g ni n c l u d i n g t h es t r u c t u r e d e s i g n ，t h e m e c h a n i c a la n a l y s i s ，t h eo p t i m i z i n gd e s i g n ，t h eh y d r a u l i cs y s t e ma n dt h ec o n t r o l l i n g s y s t e mw a sf i n i s h e d f o rt h es t r u c t u r ed e s i g n ，t h eg a n t r yf r a m e w o r ki sac o m p o s i t ec a b l e t r u s s s t r u c t u r es y s t e mc o m p o s e db yt h ep y l o na n dt h ew i n d c a b l e s ，t h es t r u c t u r ei st a l la n d t h i n ，w h e nt h es t r u c t u r ew o r k su n d e ral a r g ef o r c e ，t h ef r a m e w o r kh o l d sah i g h l y p ae f f e c t ，a n dt h ec a b l e sa l s ot a k eo ng r e a tn o n l i n e a rf e a t u r e i fw ea n a l y z et h e p y l o na n dt h ec a b l e sr e s p e c t i v e l y , t h ep r e c i s i o no fr e s u l tw o u l db ev e r yp o o l i n o r d e rt ok n o wt h es y s t e m sr e s p o n s eu n d e rl o a da c c u r a t e l y , t h i sa r t i c l ew i l lt r e a tt h e l i f t i n gs t a n da n dc a b l e sa saw h o l es y s t e m ，a n a l y z et h ec a b l e - t r u s sm i x e ds t r u c t u r e w i t hn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n dm o d e l i n ga n da n a l y z i n gt h es t r u c t u r ei n a n s y s a f t e rt h a t ，m a k eaf u r t h e rr e s e a r c ha b o u tt h eg a n t r yf r a m e w o r kw i t h d i f f e r e n ts t y l e so fw i n d c a b l es y s t e m s ，a n dt h e ng i v es o m eo p t i m i z i n ga d v i c e sa b o u t t h ed e s i g n f o rt h ec o n s t r u c t i o nm e t h o do ft h ef r a m e w o r k ，c o n s i d e r i n gt h en e e d so ft h e p r o j e c ta n dt h ee c o n o m i cf a c t o r s ，t h i sa r t i c l ec h o s e t h eh y d r a u l i ci s o c h r o n o u s s e l f - c l i m b i n gs y s t e m ，a n df i n i s h e daw h o l es e to fd e s i g na b o u t t h eh y d r a u l i cs y s t e m a n dt h ec o n t r o l l i n gs y s t e m a st h e4 2 mg a n t r yf r a m e w o r kb e g a nt ob em a n u f a c t u r e d ，a c c o r d i n gt ot h e a b s t r a c t r e c u p e r a t i v ei n f o r m a t i o nf r o mt h eb u i l d e r ，l o t so fm o d i f i c a t i o na n do p t i m i z i n g d e s i g n sw e r ed o n e i n t h e0 1 1s i t ec o n s t r u c t i o ne x a m i n a t i o na n de q u i p m e n t s d e b u g g i n g ，c o m b i n i n gt h ea c t u a lw o r k i n gs i t u a t i o n ，s o m ef u r t h e ro p t i m i z i n gd e s i g n s w e r et a k e n a st h ee x a m i n a t i o nf i n i s h e ds u c c e s s f u l l y , t h ed e s i g nw a sp r o v e dt ob e a v a i l a b l e k e yw o r d s ：g a n t r yf r a m e w o r k , a n a l y s i s a n dd e s i g n ，n o n l i n e a r , f i n i t ee l e m e n t ， i s o c h r o n o u ss e l f - c l i m b i n g u 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：廓哮 加甲年3 月- 7 i 日 厶f 广丁u 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 廓芬 伊7 年了月 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 近年柬，随着嗣家相关政策的出台，我国的蘑。行业、建设行业，尤其是 造船业得到了迅猛的发展。随着这些行业的生产能力不断扩大，越柬越多的大 型设备或构件需要被提升或安装。作为提升大型设备的种有力的结构形式， 人型门式起重塔架的使用也越来越多。这种门式起重塔架可以稳定高效地将重 达数千吨的大型设备或构件提升至超过百米的高度并保持一定的空中姿态停留 一段时间，所以被广泛地应用丁多种起重场台。 大型门式起重塔架的一个典型应用是作为船厂龙门吊的辅助安装结构。它可 以将龙门吊人粱提升至所需笺的高度并保持一定的守中姿态，从而辅助完成龙 门吊的安装。如图l 1 所示。被提升的龙门吊的大梁和支腿往往重达数干吨，体 形也非常庞大，在工地上，要想使其形成自身独立的结构体系，难度非常大。 为了解决此问题，就必须根据实际情况和上程需求合理设计相应的大型l j 式起 重塔架。 铺滔鳐 一 目l _ 1 用r j 式起重塔架起重龙门吊结构 在这种应用中，大型门式起重塔架作为龙门吊安装的附属结构，它的作用 就在于它可以将跨度一两百米、再达数千吨的龙门吊大粱提升到超过百米的高 度。一般在龙门吊形成自身的结构体系前，龙门吊大粱需要靠门式起重塔架的 作用在空中滞留数门到数月的时间不等。虽然起重塔架的竖立工作时问不是很 长，但由于是高窄作业，风荷载的作用非常突出，且有如此大的起重茼裁，若 1 第1 章绪论 不对起重塔架的结构加以精确分析计算，一旦出现问题就可能导致严重的生产 事故，造成巨大的人员和财产损失。故此，要保证龙门吊工作时的安全性，就 必须对起重塔架的结构进行深入研究，明确其在各种荷载综合作用下的力学状 态，从而设计出安全合理的起重塔架结构形式。 就笔者目前收集到的国内外相关资料来看，这种门式起重塔架的设计是依 靠过往的经验，在经典塔架结构形式上适当的放大或缩小结构尺寸来达到实际 工程的起重需求。另外一点，在塔架缆风体系的选用上，由于缆风绳与塔架结 构组成的索一桁架结构的力学模型比较复杂，实际工程中的缆风体系参数的选 用也缺乏相应的规范依据，所以到底如何选用缆风体系参数也有待研究。因此， 在现有的一些塔架结构的设计基础上，针对具体工程项目需求，对塔架的索一 桁架结构体系进行详细的深入的力学分析，并建立起一套相对完整有效的设计 分析方案，是有一定的现实意义的。 大型门式起重塔架自身的高度往往也超过百米，所以其自身的搭建方式也 需要慎重选用，适当的搭建方式可以减少许多麻烦，能高效且便捷的完成塔架 搭建。目前大型门式起重塔架常见的搭建方式有吊装式和自升式两种。吊装式 是指在地面用超高吊臂的吊机将起重塔架的节段逐节吊起并安装，最终实现塔 架整体的组装；自升式则是指利用起重塔架上的套架结构，通过卷扬机或液压 缸等动力机构的作用，实现标准节的上加节或下加节自安装，最终实现整体的 组装。如何针对具体工程项目需求来构建一套安全、高效且经济的搭建方式， 同样需要加以研究。 1 2 本文的研究内容 本课题来源于4 2 m 大型门式起重塔架的结构设计及液压同步自升系统设计 任务。本文对大型门式起重塔架的研究主要包含两部分内容，一是塔架结构体 系的设计、力学分析及改进意见，二是塔架的液压同步自升系统设计。 对于大型门式起重塔架结构，设计工作需要对各种方案进行对比，在摸索 中、改进中逐渐完善。实际上，门式体重塔架这种结构形式现在还没有一套完 善的设计规范，所以在进行设计工作时，必须参考类似的结构形式，诸如施工 现场的塔吊、把杆和桅杆等一些比较成熟的设计和构造方法，同时结合起重塔 架自身的特点，针对具体的工程项目需求，逐步完善起重塔架结构的设计方案。 2 第1 章绪论 在对塔架结构体系进行力学分析时，应充分考虑到门架在重载及风载作用下本 身的非线性响应和缆风绳变形带来的体系非线性效果，利用有限元分析方法对 体系加以分析，并在此基础上进一步探讨缆风体系及门架共同作用的效果，研 究不同的缆风体系对塔架体系抵抗荷载能力的作用，并提出改进方案。 对于大型门式塔架的搭建方式，本文针对本工程的实际需求，如塔架高度、 塔架搭建成本等因素，设计了一套适用于本塔架的液压同步自升系统，包括液 压系统及自升控制系统，并进行了现场调试及试验。实践证明，液压同步自升 技术安全可靠，应用灵活，结合了计算机控制技术的液压同步自升可以极大地 提高塔架的搭建效率和安全性。 本文的研究内容主要包括： 1 收集相关资料，并根据4 2 m 大型门式起重塔架实际工程项目的需求确 定起重塔架的设计方案：。 2 对起重塔架进行有限元建模，分析在风荷载及起重荷载共同作用下塔架 体系的非线性力学状态及其稳定性； 3 深入探讨缆风体系的选取对起重塔架整体稳定性的作用，提出缆风体系 的改进意见； 4 门式起重塔架的同步自升液压及控制系统的设计及研究。 1 3 门式起重塔架结构的分析方法 如前文所述，大型门式起重塔架的结构体系由门架和缆风绳共同组成，其 结构形式为索一桁架混合结构。门式重塔架的设计可以参照桅杆和一般塔架来 进行，但同时必须考虑到起重塔架与塔架和桅杆相比的特殊性。 门式起重塔架结构高度高，截面小，柔度大，且需承受较大的轴向压力， 结构具有很强的非线性效应。不但缆风绳的受力和变形关系表现出高度非线性 性质，而且门架塔柱在大的起重荷载下也存在明显的p a 效应。以前，由于计 算工具的限制，计算时一般将缆风绳的刚度作适当折减后简化为一弹性支座， 计算门架塔柱在弹性支座约束下的受力，然后将弹性支座反力反向施加在缆风 绳上，验算缆风绳强度。按此种方法计算实际上是将一个整体非线性结构割裂 开来作线性分析，必然会造成较大的误差。特别是缆风绳有预拉力、弹性变形， 按线性方法计算必然存在很大误差。计算大型门式起重塔架体系时，合理的方 3 第1 章绪论 法应该是将缆风绳作为起重塔架的一部分，综合考虑缆风绳和门架的非线性。 考虑到起重塔架的这种特性，本文采用考虑几何非线性的有限元方法对其进行 分析。 有限元分析方法发展到今天，己经成为工程数值分析的有力工具。特别是 在结构分析领域，有限元法取得了巨大的进展，许多意义重大的工程问题都通 过它得到了解决。根据有限元理论开发的很多通用程序和专用分析软件也都已 投入了实际应用。 本文对4 2 m 门式起重塔架的有限元分析使用的是a n s y s 9 0 软件。a n s y s 有限元软件是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流 体、电力、电磁场及碰撞等问题，它目前广泛应用于科研及工程领域。 起重塔架的结构体系为索一桁架混合结构，属于高度非线性的空间结构。 桁架部分在进行有限元处理时，杆件有两种单元处理方法。一种是将塔柱作为 压弯构件按梁单元处理，结构按空间刚架计算。此法将塔柱作为压弯构件，整 个结构作为高次超静定的空问体系，其结果比较精确，而且相对来说，单元不 多，计算简便，还能考虑塔柱轴向变形以及非线性的影响。另一种方法是将塔 柱作为轴压构件，即按杆单元处理，结构按空间桁架计算。空间桁架法是目前 处理此类结构最为精确的一种计算方法之一，不仅具有空间刚架的各种特点， 还考虑了前一方法没有考虑到的各种因素：记入了结构整体剪切变形的影响， 考虑了结构体系的大位移，对刚度矩阵不断作出修正，从而能够得到更为精确 的结果。空间桁架有限元的缺点是单元过多，对计算机的容量要求大大提高。 有限元法在处理索时，有很多种单元形式。目前在索结构分析中采用的索单元 有两节点直线索单元、两节点抛物线索单元、多节点曲线索单元、悬链线索单 元、样条索单元、变原长索单元等各种不同精度和适用条件的索单元。综合考 虑有限元法对桁架和索的处理方法，本文在计算分析门式起重塔架力学状态时， 对门架结构采用两节点直线梁单元，对缆风绳采用两节点单向受力的l i n k 单元， 所有的荷载均向节点转化。计算时考虑几何非线性的影响，采用修正的 n e w t o n r a p h s o n 法求解非线性方程组，在求解的过程中不断修j 下结构体系的总 刚度矩阵，最终获得精确的计算结果。 1 4 本文研究成果的作用 4 第1 章绪论 本文针对具体t 程需求对门式起重塔架进行了详细合理的设计，并随着工程 项目的推进不断投入大量的分析和改进工作。目前，42 ma 型fj 式起重塔架设 计项目已争部完成，且已完成r 现场的吊装试验及液压控制系统设各的调试。 在现场吊装试验过程中，超重塔架和缆风绳组成的结构体系表现出良好的工作 性能。结合本课题的理论研究工作及现场安装调试试验的反馈，本文形成了 套比较完整的液压自升式门式起重塔架设计方案及分析方法。奉论文是对大型 门式起重塔架的一次探索性研究，对今后类似的大型起重塔架的设计工作也起 着一定指导作用。 譬扣冷 目12 4 2 mfj 式起厦塔架现场措建试瑞 第2 章门式起重塔架的结构设计 第2 章门式起重塔架的结构设计 2 1 门式起重塔架体系的构成 门式起重塔架体系由一幅门式塔架( 简称门架) 及两侧对称的缆风体系组成， 如图2 1 中所示。一幅门架包括两根塔柱及其顶端的主梁，门式塔架由塔柱a 、 塔柱b 及主梁构成。门架由6 根缆风绳固定在地面的地锚上。 粱 图2 1 门式起重塔架结构体系示意图 本章将结合4 2 m 大型门式起重塔架设计的实际工程设计项目，对起重塔架 的结构设计方法进行一定的探讨研究。确定本项目门式起重塔架主要构件尺寸， 拟定设计方案。 2 2 起重塔架的设计原则 高耸结构的主要设计原则是：满足工艺要求，保证结构强度、刚度和稳定 性；节约材料，简化制造，加快安装，便于维护，降低造价。在考虑结构形式 时，宜做多种结构方案的技术经济比较，以求进一步节约材料，降低造价。 6 第2 章门式起重塔架的结构设计 门式起重塔架既有和高耸结构相同的一面，又有着与高耸结构相比的特殊 一面。首先，门式起重塔架属于临时结构，其任务是完成大型设备的安装，一 旦设备安装完毕，形成自身的稳定结构体系，就需要拆除起重塔架。塔架在现 场的工作时间一般在几十天内。为此设计时必须考虑到所设计的起重塔架便于 安装和拆卸，能加快现场的施工速度。其次，起重塔架的设计必须考虑经济效 益的要求，不能仅仅针对某一台设备的安装而设计。所设计的起重塔架要能够 投入商业使用，可以多次重复利用，能够创造可观的经济效益。还有，由于起 重塔架的特殊性，一旦发生事故，后果将是不可设想的。因此我们必须慎重全 面的考虑各种因素，满足起重塔架的安全性要求。 综上所述，起重塔架结构的设计应尽量满足以下设计要求： 1 必须保证结构的强度、刚度、稳定性等安全性要求； 2 从工程和市场的实际出发，合理选用材料品种和规格，节约材料，简化 制造，降低造价； 3 采用标准化和定型化的结构构件，并满足结构在运输、安装和使用过程 中的要求。 2 3 起重塔架结构设计的控制条件 前文提到过，起重塔架结构的高度很高、截面细长比大，结构形式类似于 桅杆，属于高耸结构的范畴，而高耸结构设计中，风荷载是影响结构的重要因 素之一。 风是一种最为常见的大气现象，它是建筑物常遇的侧向荷载之一，特别是 对于高耸建筑物如桅杆、输电塔、电视塔、烟囱、高层房屋等，风荷载往往对 结构性能起着决定性作用。我国幅员辽阔，风灾频繁发生，尤其是东南沿海区 域，每年夏季均有台风过境，造成大量的设施破坏及电力、交通的中断，直接 和间接的经济损失巨大。所以，需要对风荷载的重要性有足够的认识，了解风 荷载作用下门式起重塔架的响应情况，才能做好起重塔架的设计工作。 另外，需要着重考虑的还有起重塔架的起吊荷载。起重塔架工作时，起吊 荷载有数千吨，而且起重塔架塔顶也有上百吨的旋转小吊车和平衡铁块等设备， 因此，塔架工作状态下的竖向荷载将非常可观。 在竖向起重荷载和水平风荷载共同作用下，起重塔架体系的响应将表现出 7 第2 章fj 式起重塔粜的结构设计 明显的非线性效应，所以起重塔架设计的控制条件应该是水平和竖向荷载的共 同作用。 2 44 2 m 大型门式起重塔架工程概况 2414 2 m 门式起重塔架的结构形式 本课题项目的4 2 m 门式起重塔架的结构体系由一幅门架及张拉其上的6 根 缆风绳构成，塔架体系共同承受工作状态下的水平和竖向荷载。门架总高度 l l o m ，宽度3 6 m 。门架上的两根塔柱为四边形格构式缀条柱，柱肢外边距为4 2 m 42 m ，4 根柱肢各自与地面固定，使塔柱整体与地面形成刚接。结构形式如图 22 所示。 刚2 2 门架主体结构正立面图 242 起重塔架结构的工作荷载 如前文所述，起重塔架的工作荷载主要由两部分组成，一是风荷载，一是 起吊荷载。 1 结构的抗风状态要求 抗j ) 叱是起重塔架结构体系设计的重要控制条件之一。考虑到起重塔架为临 8 第2 章门式起重塔架的结构设计 时结构，在了解塔架工作地点风荷载的特点后，参考建筑结构荷载规范确 定了下面两种抗风验算状态。其中每种状态下风速和风压的转化关系式为 w o ：三2 ，其中p 为当地大气的密度，v 为风速。 ( 1 ) 工作状态：6 级及6 级以下风，最大风速为l ，= 1 3 8 m s ，计算风压 w o = o 1 2 k n m 2 。工作状态时，风荷载由起重塔架抗侧力体系承受。 ( 2 ) 紧急状态：按当地1 0 年一遇的最大风力计算。风速v ；2 3 5 m s ，计 算风压= 0 4 k n m 2 。此状态下严禁进行吊装工作。 2 结构的起吊荷载 根据客户提供的设计要求，4 2 m 门式起重塔架的设计起吊能力为3 0 0 0 t 。 2 5 结构形式的初步设计 龙门提升吊结构体系的选择要进行各种方案的技术、经济、安全等各方面 的综合比较，合理选择结构体系。我们曾做过几套方案的比较，综合考虑，确 定如下的结构体系。 2 5 1 门架主梁的结构形式 门架主梁通过其上的1 2 个吊点直接承需起重的大型设备的重力荷载，设计 起重荷载总值为3 0 0 0 吨，荷载的分布如图2 3 所示： 5 0 0 t5 0 0 15 0 ( i t 5 0 0 t5 0 0 t5 0 0 1 图2 3 主梁活荷载分布示意图 9 第2 章门式起重塔架的结构设计 对于门架主梁的设计，通过对几种结构形式方案的比较，我们最终决定选用 两根宽1 2 米，高3 米的箱形梁作为塔架主梁，每根主梁承受1 5 0 0 t 起吊荷载。 两根箱形梁端部相连，每根主梁用法兰按等强度原则拼接，从而保证了主梁的 连续性。箱形梁内部按规范要求配纵向和横向加劲肋。这样处理后，整个主梁 成为一个整体，极大提高了整个提升大梁的承载能力与安全度。主梁的结构如 图2 4 所示。 一 16 8 00 一 l 一 f ! 1f 。1 il - 1 - ill _ j 【 jfi 6 8 0 0 7 0 0 0 6 8 0 0 图2 4 主梁结构示意图 2 5 2 门架柱肢及缆风绳的结构形式 结构的受力体系由门式塔架和缆风绳组成，二者共同承担竖向的起吊荷载 和水平向风荷载。门架受到水平向风荷载、竖向重力荷载和缆风绳施加于其上 的力的共同作用。根据建设单位要求，格构式塔柱的柱肢外边距为4 2 mx4 2 m 。 综合考虑各种因素，经过试算，选取塔柱柱肢的截面尺寸为4 0 0 1 1 6 方钢管，钢 材取q 3 4 5 c 钢。腹杆采用米字形支撑形式，参考市场的材料供应情况，斜杆选 用1 0 0 8 方钢管，钢材取q 3 4 5 c 钢。 缆风绳选用截面为巾6 6 m m ，6 x 3 7 有机芯多股钢丝绳，初张拉力设为5 0 k n 。 2 6 起重塔架结构体系的设计验算 门式起重塔架体系通过门架和缆风绳的共同作用来承受外荷载，整个体系 的力学状态很复杂，精确计算并不容易。初步设计时，为了简化计算，可以只 考虑主要的影响因素而忽略次要的因素，对结构的受力体系进行简化，采取线 1 0 第2 章门式起重塔架的结构设计 性计算方法，以方便进行初步设计。然后在后续采用有限元方法对结构体系进 行精确验算，并根据计算结果对结构加以优化改进。 2 6 1 起重塔架所受荷载的取值 1 起重塔架体系所受水平风荷载取值 按照i j 文所述风载相关参数取值方法，按照建筑结构荷载规范，构件所受 风荷载： f 一) ，反t ：段以w o a 1 1 9 l ( 2 1 ) 其中：) ，一风荷载的荷载分项系数，取值1 4 ； 房一风振系数； 肛，一风压高度变化系数； j l 。一风载体型系数； 纵一重现期系数； 一由风速换算所得风压； a _ 构件迎风面积。 经过比较可知，起重塔架体系受力的最不利状态为承受正面6 级风作用， 该状态下风力全部由门式起重塔架的抗侧力机制来承受，初步设计应以该状态 为控制条件。由于本工程在设计时还未有相应的需吊装大型设备相关参数，故 在这里设需吊装的设备迎风面积为1 0 0 m 2 。该状态下各迎风构件所受风荷载如 下： 门架主梁风力：= 4 7 6 k n ，作用于主梁侧面上； 门架塔柱风力：取最高处荷载值，q = 0 7 6 k n m ，沿柱身均布； 被吊设备大梁风力：= 7 7 k n ，作用于主梁侧面上。 2 起重塔架体系起吊荷载取值 每幅门架承受的起吊荷载设计值为t = 3 0 0 0 t ，塔柱自重1 = 3 7 9 2 t ，门架 大梁自重以及上面的工作平台恒载、活载产生的压力为n 2 = 1 5 1 4 t ，小吊机等附 属设备3 = 5 9 t ，套架等附加荷载n 4 = 4 3 4 t 。考虑到荷载分项系数1 2 ，总的竖 向荷载为 第2 章门式起重塔架的结构设计 n 包= q + nl + n 2 + n 3 + n 4 ) x 1 2 ；( 3 0 0 0 + 3 7 9 2 + 1 5 1 4 + 5 9 + 4 3 4 ) x 1 2 = 4 3 5 9 6 t 2 6 2 起重塔架的结构简化 门式塔架的柱肢和主梁螺栓连接，塔架两根塔柱的受力状态基本相同，计 算时，两根塔柱可按照刚度和面积相等的原则换算成两根弹性竖杆。 缆风绳沿空间布置，其受力情况比较复杂，精确计算比较困难。初步计算 时可以忽略背风向和侧风向的缆风绳，这些缆风绳受力较小，对体系的受力状 态影响不大，而只考虑迎风向的缆风绳，这根缆风绳是主要的抗风构件。且缆 风绳垂度与其弦长之比相当小，属于小垂度范围，故可以假设缆风绳始终是一 条直线，这一假定符合工程实际需要。 2 7 门架主体结构验算 1 塔柱柱肢验算 根据上面计算数据，司得到柱肢底端的设计内力： _ 柱肢= 4 3 5 9 6 8 = 5 4 4 9 k n 柱肢截面为4 0 0 1 6 方钢管，截面积：如肢= 2 4 5 7 6 m m 2 仃：竺堕：5 4 4 9 x 1 0 3 ：2 2 1 7 m p a 5 4 4 9 k n 2 塔柱整体稳定性验算 第2 章门式起重塔架的结构设计 门架塔柱的计算长度可按照悬臂结构取值，回转半径嘻柱一1 9 m ，长细比 九：0 7 x 1 0 0 ：3 6 8 。四边形格构式塔柱的换算长细比为： 1 10 九= = 4 1 9 式中 4 一杆身弦杆截面面积； 4 一杆身斜杆截面面积。 查得稳定系数妒= 0 8 2 6 由前文计算所得，作用在塔柱上的风荷载q = 0 7 6 k n m 。 m = 三1 1 0 0 o 7 6 1 0 0 = 3 8 0 0 k n 。m nk | f e a | - , 1 4 6 9 x 1 0 s k n 故塔柱稳定性可校核如下： ， n tp m m 州形( 1 0 8 惫) 2 1 7 9 8 x 1 0 30 7 3 8 0 0 x 1 0 3 ( 2 2 ) 丽瓦忑否鬲i i ：丽+ - 0 1 2 x ( 1 - 0 8 x2 1 7 9 _ _ _ _ _ 8 8 ) 、1 4 6 9 0 0 ， = 2 6 8 5 - i - 2 5 1 = 2 9 3 6 m p a ，= 3 1 0 m p a 塔柱稳定性满足要求。 2 8 体系初步设计结论 非控制作用的各种受力工况也可按上述方法进行计算，计算的结果均在工 程可接受的误差范围内。根据上述分析和验算，可认为所选取的门式塔架杆件 较为合理，构件满足强度、刚度和稳定要求，且有一定的安全储备。符合起重 塔架设计原则的要求，适合工程的实际状况。 上述分析过程做了几个方面的假定和简化，所假定的柱子变形曲线和实际 的变形曲线存在一定的差别，计算结果存在一定的不确定性。当然真实的变形 1 3 第2 章门式起重塔架的结构没计 曲线可通过求解微分方程求得，但那样十分麻烦，不适合简化分析。同时在计 算柱肢的变形时未考虑剪力对变形的影响，在较大的柱顶位移情况下剪力对变 形的影响也不可忽视。柱子的抗弯刚度受到剪切变形的影响也要受到进行适当 的折减，这样会比较符合实际情况。同时，体系的计算过程中忽略了缆风绳的 作用，使得计算结果不是很准确。 初步选择结构各杆件截面时，需要做较多的试算，逐渐调整各杆件截面尺 寸以选取较为合理的杆件截面，简化计算方法很好地满足了我们地需求。然而， 简化计算的结果具有很大的不确定性，使得我们不能对结构体系进行准确的把 握。为了准确了解结构的受力性能，必须采用当前应用广泛的有限元理论。 1 4 第3 章门式起重塔架结构的几何非线性有限元分析理论 第3 章门式起重塔架结构的几何非线性有限元分析理论 3 1 引言 如前文所述，门式起重塔架结构体系高度高，截面小，柔度大，且承受较 大的轴向压力。在承受高空水平风荷载作用时，整个结构的非线性效应显著。 不但缆风绳的受力和变形关系表现出高度非线性性质，而且门架塔柱在大的起 吊荷载作用下存在明显的p 一效应。 过去，由于计算工具的限制，计算时通常将缆风绳的刚度作适当折减后简 化为一弹性支座，计算门架杆身在弹性支座约束下的受力，然后将弹性支座反 力反向施加在缆风绳上，验算缆风绳强度。按此种方法计算实际上是将一个整 体非线性结构割裂丌来作线性分析，必然会造成较大的误差。特别是缆风绳有 预拉力、弹性变形，线性方法计算必然存在很大误差。计算大型门式起重塔架 结构体系时，合理的方法应该是将缆风绳作为门式起重塔架的一部分，综合考 虑缆风绳和门架塔柱的非线性响应。 很多结构的静力分析问题都是基于小变形的假设，即假定物体所发生的位 移远小于物体自身的几何尺度，同时材料的应变远小于1 。在此前提下，建立物 体的平衡条件时可不考虑物体的位置和形状的变化，因此分析中不必区分变形 前和变形后的位形。实际上，我们会遇到很多不符合小变形假设的问题，例如 板和壳等薄壁结构在一定载荷作用下，尽管应变很小，但是位移较大，材料线 元素会有较大的位移和转动。这时平衡条件应如实建立在变形后的位形上，以 考虑变形对平衡状态的影响。同时应变表达式也应包括位移的二次项。这样一 来，平衡方程和几何关系都将是非线性的。这种由于大位移和大转动引起的非 线性问题称为几何非线性问题。 几何非线性问题通常分为大位移大应变和大位移小应变两类。大应变是指 构件应变较大，除了采用非线性的平衡方程和几何关系外，还需引入相应的应 力应变关系。而对门式起重塔架结构系统而言，应变一般较小，不会超过弹性 极限，几何非线性在这里指的是大位移小应变。 本章的任务是以有限元分析方法从理论上来探讨考虑几何非线性的塔架结 1 5 第3 章门式起重塔架结构的儿何北线性有限元分析理论 构的力学状态，推导大位移小应变状态下门式起重塔架结构应力和应变的表达 式，通过虚功原理建立门式起重塔架体系的非线性静力有限元平衡方程，并探 讨该方程的求解办法。 3 2 几何非线性有限元问题的求解方法 在涉及几何非线性问题的有限单元法中，通常都采用增量分析的方法，这 不仅是因为问题可能涉及依赖于变形历史的材料的非弹性，而且因为即使问题 不涉及材料非弹性，但为了得到加载过程中应力和变形的演变历史，以及保证 求解的精度和稳定，通常也需要采用增量方法求解。它基本上可以采用两种不 同的表达格式。第一种格式中，所有的静力学和运动学变量总是参考于初始位 形，即整个分析过程中参考的位形保持不变。这种格式称为完全拉格朗r 格式。 另一种格式中，所有静力学和运动学的变量参考于每一载荷增量或时间步长开 始时的位形，即在分析过程中参考位形是不断被更新的。这种格式称为更新拉 格朗日格式。本节将采用完全拉格朗日格式，整个分析过程参考于初始的位形。 考虑一个笛卡儿坐标系内运动的物体，增量分析的目的是确定此物体在一 系列对应于荷载子步磊、正、e 的时间点“、f 。时处于平衡状 态的位移，应变、应力等参量。若问题在时刻的解答己经求得，下一步需要求 解时间为+ 缸= t ，时刻的各个力学量。这是一个典型的步骤，反复使用此步骤， 就可求得问题的全部解答。 3 3 门架的几何非线性静力方程描述 对门式起重塔架的门架结构，本节将其作为空间桁架单元处理。空间桁架 法是目前处理此类结构最为精确的一种计算方法之一，不仅具有空间刚架的各 种特点，还考虑了前一方法没有考虑到的各种因素：记入了结构整体剪切变形 的影响，考虑了结构体系的大位移，对刚度矩阵不断作出修正，从而能够得到 更为精确的结果。 为了方便计算，以及考虑到分析的准确性，本问题基本假定如下： 1 门架杆件处于线弹性工作状态，即应力和应变符合线弹性虎克定律； 2 单元之间为铰接，采用两节点直线单元，单元每个节点有三个平动自由 1 6 第3 章门式起重塔架结构的几何非线性有限元分析理论 度； 3 所有的荷载均作用于节点； 4 结构处于小应变状态，即变形前后截面保持不变。 本节采用完全拉格朗日格式对空间桁架结构进行非线性有限元分析。首先 讨论从t on t , 载荷步的结构分析和求解过程，以后每一荷载步的求解都按照第一 步的步骤来进行。用q o 、q 1 、q 。表示各个相应时刻的位形。现在认为f 0 时刻单元的位形q 。已经确定。从岛时的位形q 。求解时刻的位形q l 、q 2 至q 。， 各个时刻位形均可同样求解。 3 3 1 杆件的位移插值函数 用于描述门架杆件的空间桁架单元如图3 1 所示。单元的节点位移和坐标均 采用两节点的拉各朗r 插值，则单元中任一点从q 。变形至q 。状态时沿置方向 的位移、位移增量、空问三维坐标可以表示为： “t 2 ( 1 一主) “；+ 兰“? 峥卜兰缸? 3 l ， 五；睢) 霹+ 差砰 图3 1 空间桁架单元示意图 式中l 一单元的初始长度； 1 7 第3 章门式起重塔架结构的几何非线性有限元分析理论 亭一单元的局部坐标； 置一三维空间坐标； u ，一单元沿置方向的初始位移； 血；一单位从己知位形q 。变化到待求位形q 。在鼍方向的位移增量； u ；、“? 一节点l ，2 沿“；方向的初始位移； 血；、l l ? 一节点l ，2 从己知位形q 。变化到待求位形q 。在置方向 的位移增量。 3 3 2 杆件应变的度量及应变与位移的几何关系 用g r e e n 应变表示，用张量记号( 以下推导均用张量记号) 可表示为： 占盯5 互li ( a a x u , ，a o u y j ，l + 2 1k o a x “t , n o a x “t , 。) 口】( k = t ，2 ，3 ) ( 3 3 2 ) 其中文毒+ 割变形理论中的应变表斌三( 器卜大 变形情况下应变表达式的增加项，这项体现了几何非线性的影响。 记白为气到f 1 时刻g r e e n 应变的增量，a e 可表示如下： 旷氧蚩+ 塑o x i1 ) + - q 吖。抛x 一, o 丝x , + 器h 嚣) ( 3 3 3 ， 可将其分解为： a e 玎= 勺+ 嘞，其中a e 口和a r i 口分别为关于位移增量z l 。 的线性项和二次项。 肾氧1 可0 a u f + 等h 精+ 嚣) 3 4 ， 嘞2 割等等) 3 5 ， 第3 章门式起重塔架结构的几何非线性有限元分析理论 其中1 。( o ，a 、u ，i + 罢争1 为应变在q 。位形下的增量。 2 a xj 8 x i1 u 由( 3 3 1 ) 式得： 毒=等，耗10x o ul h 1 ，鼢华；扣 ， a 亭 f i “川 三三 1 ， ：；) ( 3 3 6 ) 鸶= 等。善哼1 _ 1 1 】 ：； 华= 如恻 3 7 ) 式中，x ；，x ；一节点l ，2 在x j 轴上的坐标值。 l j 一单元轴线方向与总体坐标系的方向余弦。 将( 3 3 6 ) 和( 3 3 7 ) 代入( 3 3 4 ) 可得： 峨= 牡蚺蚓+ 扣灿；) ) + 警( 刮驯3 8 ) 式中，吒一华 ( k _ 1 ，2 ，3 ) 记 缸 = 她。峨如，2 如：2 a e i ，2 a e 】r ( 3 3 9 ) 血 = l l ，1 血：1 血。1 血。2 l l ：2 血。2 】r ( 3 3 1 0 ) 将( 3 3 8 ) 式和( 3 3 1 0 ) 式代入( 3 3 9 ) 式可得： a e ) = ( 岛 + 玩 ) 血) 其中 战】：寻 l 1 9 0 0厶。0厶lo0乞00 o 0 乞如0 o o o to吐oo o o 吐t o 第3 章门式起重塔架结构的几何非线性有限元分析理论 ；手 l 一彳口1一彳口2 一砰口3彳口l砰a 2哿口3 一乏2 q_ 1 2 a 2_ 1 2 a 3 l e a l譬口2z ；口3 一乞2 qg 口2一碍口3g q g 口22 3 a 3 一弘，2 q一翟，2 口24 2 2 鸭 弘，2 口le l , z 2 口22 1 2 a 3 2 f 3 q一翟f 3 口：一碣f 3 弘f 3 q翟f 3 翟乞 一2 1 2 乞q一2 1 2 勺口22 2 乞口3 2 2 乞q2 乞乞口22 2 乞口3 将( 3 3 7 ) 代入( 3 3 5 ) 可得： = 画l i l j