特殊情况下塔机超长附着的设计计算与实际应用.doc

1 特殊情况下塔机超长附着的设计计算与实际应用特殊情况下塔机超长附着的设计计算与实际应用 2 目录目录 1概述概述3 2 附墙结构布置方案附墙结构布置方案3 3 附墙杆的计算工况及各杆内力计算附墙杆的计算工况及各杆内力计算4 3 1 非工作状态最上层附墙杆受力分析非工作状态最上层附墙杆受力分析4 3 2 工作状态最上层附墙杆受力分析工作状态最上层附墙杆受力分析8 4 附墙杆截面设计附墙杆截面设计10 4 1 选择材料及截面面积选择材料及截面面积10 4 2 杆件整体稳定性的计算杆件整体稳定性的计算11 4 3 局部稳定性验算局部稳定性验算12 5 单肢角钢挠度计算单肢角钢挠度计算13 6 基座连接螺栓校核基座连接螺栓校核14 6 1 右基座连接螺栓校核及接合面工作能力校核右基座连接螺栓校核及接合面工作能力校核14 6 2 左基座连接螺栓校核及接合面工作能力校核左基座连接螺栓校核及接合面工作能力校核16 7 基座部位销轴及耳板强度校核基座部位销轴及耳板强度校核19 8 结论结论20 参考文献参考文献20 3 1概述概述 1 1 在现代建筑施工中 由于各种现实因素影响 塔机不能按照说明书中约定的常规定 位方式进行现场定位 造成现场塔机定位安装后 受力体系发生变化 不能依据塔机说明 书中的普通附着进行安装 必须重新进行受力分析 计算 重新确定附着的形式 截面尺 寸 连接方式以及必要的连接点强度校核等 才能满足塔机安全使用的需要 施工现场实际影响塔机定位的因素很多 包括图纸的重复变更导致结构变化 现场负 责设备定位的人员缺乏经验 与技术等相关人员缺乏有效沟通导致定位时没有考虑建筑物 整体结构变化 最终导致附着超长或异型结构等 总之 如果出现以上情况后 由于项目工期比较紧 如果重新定位 将塔吊拆除后重 新安装使用 那么必将造成项目阶段性停工 劳务人员窝工 甲方 监理对我司施工水平 进度质疑或进行投诉等 项目损失较大 本文就是通过某项目出现的类似情况 系统分析 和描述通过现场勘查 对塔机附着重新设计计算后加工安装 以最经济 安全的方法在最 短的时间内解决项目的实际问题 确保项目施工生产正常进行 1 2 某工程采用 tc5513 型塔式起重机 基本高度 40m 壁长 55m 附着高度 119m 臂端吊重 1 3 吨 最大起重量 6 吨 平衡重物距塔身中心 12m 本工程建筑高度约为 105 米 25 层 塔机结构高度约为 120m 设有四套附着装置 第一附着装置距基础面 32m 第二道附着装置距第一附着装置 24m 第三道附着距第二道附着 24m 第四道附着距第三 道附着 21m 附着点的高度允许现场根据楼层的高度做适当调整 为保证塔吊的安全使用 对附墙杆及其连接件作稳定性及强度验算 2 附墙结构布置方案附墙结构布置方案 根据施工现场提供的各层楼房面顶板标准 按 tc5513 型塔式起重机的技术标准 本 工程需要 4 道附墙 以满足要求 对于墙面上支座的选择 既要保证附墙杆一适当的倾角 又要避免附墙杆太长 经综合比较采用图 1 所示的布置方式 第四道附着杆中 最长的约 为 11 米 4 图 1 附墙结构布置方案 3 附墙杆的计算工况及各杆内力计算附墙杆的计算工况及各杆内力计算 根据附着式塔机所受载荷 塔身内力及支反力的计算分析 对于附着装备来说 应考 虑以下两种情况 1 塔机满载工作 受自身的扭矩和风载荷所给的扭矩 且扭矩方向相同 2 塔机非工作状态 风水平吹向塔臂且与塔臂竖直面垂直 实际使用中 塔机最上面一道附墙受力最大 在此只对最上面一道附墙杆的内力进行 分析 3 1 非工作状态最上层附墙杆受力分析非工作状态最上层附墙杆受力分析 通过经验分析 考虑塔臂处于平行于墙面或垂直于墙面时附着杆受力最大 最为危险 故按此两种工况分析附着杆受力情况 塔机非工作状况时附着装置受力如图 2 所示 其中 查 tc5513 型塔机技术参数 得出塔身及塔臂所受均布风载荷为 0 27 qkn m 最大倾覆力矩 1980mkn m 弯扭 塔臂水平惯性力 84fkn 水平 塔臂所受风载对其扭矩 其中为塔身中心到起重端的最大距离 为塔身中心到平 1 l 2 l 5 衡端的距离 2222 12 0 27 5512 388 9 22 q ll mknm 风扭 塔臂所受的风载荷对塔身上部集中力为 12 0 27 55 12 18 09 w fq llkn 图 2 塔机非工作状态下附着杆受力图 在此参照 建筑机械 2002 第 2 期 当塔身有超过三道附墙时 最上一道附墙的支反 力为 1 23 2 w fm lfql 其中 l 为每层附墙杆间距 在此取 24m m 为塔身根部的综合弯矩 根据上式 解得塔臂平行于墙面时附着杆受力为 x 1 23 1980 2484185 48fkn 2 y 18 090 27 24 2 1 23 0 27 140 2 24156 94fkn 按塔身扭转变形比例关系 得出最上层风扭为 119 3knmm 风扭 同理 利用以上公式 得到塔机垂直于墙面时附着杆受力为 2 18 090 27 24 2 1 23 0 27 140 2 24156 94 x fkn 1 23 1980 2484185 48 y fkn 6 119 3knmm 风扭 则非工作状态下 塔机附墙杆内部受力图如图 3 所示 图 3 非工作状态受力分析 经分析 塔机附墙杆有 4 个未知反力 故属于一次超静定问题 可采用力法原理进行 解决 力法的基本方程为 1111 0 p f 其中 为静定结构的位移 1p 1 ii p ff ea 为结构位移系数 11 11 ii f f ea 为受单位力时各杆件的轴向力 i f1f 为各杆件在外力作用下的内力 i f 为 1 号杆件的实际受力 1 f 现对塔臂平行于墙面时非工作状态下各附墙杆内力进行分析计算 将 d 杆断开 对其加载单位力 则塔机在 d 杆断开情况下变为静定结构 如图1f 4 所示 7 图 4 附墙杆力法受力图 则根据平衡方程 可以得出在 d 断开情况下 受工作力各杆内力为 i f 41 222 14433 xy xy xy f yf xmf l f hf xmf l f hmf xf lf l 受单位力作用下 列平衡方程 各杆内力为 i f 416 225 3344 1 1 f ll f ll f lf l 解得各杆内力结果如表 1 所示 表 1 杆件内力表 杆件编号 kn i f i f kn i l m杆长 ii i f fl ii i f fl 10110 11010 11 2 345 20 1 0759 693595 8611 20 3 240 10 1 2149 092649 5713 40 4377 721 1749 954412 2613 71 则 1 杆实际受力为 8 1 10657 69 220 11 48 42 ii iii i ii iii i f fleaf fl fkn f fleaf fl 2 杆实际受力为 2221 108 58fff fkn 3 杆实际受力为 3331 27 11fff fkn 4 杆实际受力为 4441 119 31fff fkn 备注 正号代表拉力 符号代表压力 同理 省略计算过程 非工作状态下塔臂垂直于墙面时各附墙杆内力为 1 2 3 4 163 37 144 86 43 26 53 12 fkn fkn fkn fkn 3 2 工作状态最上层附墙杆受力分析工作状态最上层附墙杆受力分析 塔机正常工作状态主要受到风载荷 塔臂 及回转机构产生的扭矩 通过经验分析 考虑塔臂处于平行于墙面或垂直于墙面时附着杆最为危险 故按此两种工况分析附着杆受 力情况 塔机工作状况时附着装置受力简化图如图 5 所示 其中 塔身及塔臂所受均布风载荷为 0 27 qkn m 最大倾覆力矩 1570mkn m 弯扭 塔臂水平惯性力 20fkn 水平 塔臂所受风载对其扭矩及工作时的工作扭矩 其中为塔身中心到起重端m风扭m工扭 1 l 的最大距离 为塔身中心到平衡端的距离 2 l 2222 12 0 27 5512 320708 9 22 q ll mmmmknm 扭风扭工扭工扭 9 塔臂所受的风载荷对塔身上部集中力为 12 0 27 55 12 18 09 w fq llkn 本工程采用四杆式附墙架 附着杆受力如图 5 所示 图 5 塔机非工作状态下附着杆受力图 同上分析 可得工作状态塔臂平行于墙面时附着杆受力为 100 46 156 94 217 45 x y fkn fkn mknm 其中 为按塔身变形比例关系等效到最上层附墙杆的扭矩 m m 塔臂垂直于墙面时附着杆受力为 156 94 100 46 217 45 x y fkn fkn mknm 同上分析 运用力法原理 解得工作状态塔臂平行于墙面时各附着杆内力为 1 2 3 4 190 24 8 57 8 98 46 21 fkn fkn fkn fkn 工作状态塔臂垂直于墙面时各附着杆内力为 10 1 2 3 4 167 67 36 54 43 43 117 84 fkn fkn fkn fkn 综合比较综合比较4种工况下各附着杆内力 推出 最大压力为种工况下各附着杆内力 推出 最大压力为220 11kn 为非工作状态塔臂 为非工作状态塔臂 平行于墙面时平行于墙面时d杆受力 在后面只需验证杆受力 在后面只需验证d杆稳定性即可 杆稳定性即可 4 附墙杆截面设计附墙杆截面设计 4 1 选择材料及截面面积选择材料及截面面积 钢材等级 q235 查钢结构设计规范 简称规范 2 215 fn mm 其中为钢材许用应力 为屈服应力 2 235 y fn mm f y f 截面类型 四角钢组合格构式截面 b 类 缀条类型 上下 对角三角形 前后 有横缀条对角三角形 减少由自重引起的下 垂弯度和挠度 1 假设构件的长细比 可由整体稳定公式计算需要的截面面积 a 通常假设 当 n 较大而计算长度较小时 取较小值 反之取较大值 50100 根据值 截面分类和钢种可查得稳定系数 根据 钢结构 公式 4 23 则需要的截面 面积为 n a f 初选 80 根据查 钢结构 表 4 5 得 235 y f 0 688 3 2 220 11 10 14 88 0 688 215 n acm f 初选等边三角钢 缀条 63 4l 30 3l 截面积 a 为 则 2 4 98cm 2 4 4 9819 92cm 2 由于附墙杆两端都是铰连接 根据钢结构设计规范 查表可得 12 1 11 001 10110 xy lllmm 0 126 4 x xy l iimm 按等稳定性 0 45 x ih 0 45 y ib 1 2 126 4 280 0 45 126 4 280 0 45 x y i hmm a i bmm a 查表可得此种构架的挠度应查表可得此种构架的挠度应 为了减少附墙架的挠度 选 为了减少附墙架的挠度 选 400 l 420hmm 缀条一般斜放角度为缀条一般斜放角度为之间最为合适 本设计选用之间最为合适 本设计选用 400bmm 4070 55 4 2 杆件整体稳定性的计算杆件整体稳定性的计算 单个角钢截面特性 2 4 98acm 4 19 03 x icm 1 96 x icm 4 0 7 89 y icm 0 1 26 y icm 整体截面特性 2 19 92acm 4 7496 12 x icm 19 4 x icm 4 6702 6 y icm 18 3 y icm 构件强度计算最大应力 钢 3 22 2 220 11 10 110 5 215 19 92 10 n n mmn mm a 材许用应力 平面内计算长度 mm 10110 根据 材料力学 第三版公式 14 6 计算平面内长细比 10110 52 1 194 x x l i 垂直于 x 轴各斜缀条毛截面面积之和 2 1 3 498 x acm 根据 钢结构 公式 4 30 计算平面内换算长细比 钢材许用长细比 22 1 19 92 4052 14054 3150 3 498 oxx x a a 根据 钢结构 表 4 5 查轴心受压稳定系数 0 721 x 根据 钢结构 公式 4 23 构件平面内稳定计算最大应力 12 钢材许用应力 3 22 2 220 11 10 153 3 215 0 721 19 92 10 x n n mmn mm a 平面外计算长度 mm10110l 根据 材料力学 第三版公式 14 6 计算平面外长细比 10110 55 2 183 y y l i 垂直于 y 轴各斜缀条毛截面面积之和 2 1 3 498 y acm 根据 钢结构 公式 4 30 计算平面内换算长细比 钢材许用长细比 22 1 19 92 4055 24057 2150 3 498 oyy y a a 根据 钢结构 表 4 5 查轴心受压稳定系数 0 693 y 根据 钢结构 公式 4 23 构件平面外稳定计算最大应力 钢材许用应力 3 22 2 220 11 10 159 5 215 0 693 19 92 10 y n n mmn mmf a 通过上述计算可知 杆件应力小于其临界应力 故杆件整体稳定性符合工作要求 通过上述计算可知 杆件应力小于其临界应力 故杆件整体稳定性符合工作要求 4 3 局部稳定性验算局部稳定性验算 1 肢件稳定性验算 取 01 354lmm 55 查 钢结构 附表 14 知 1min 1 26iicm 01 1 max 354 28 12 6 280 70 7 5337 1 l i 2 缀条稳定性验算 根据 钢结构 公式 4 37 得横向剪力 2 19 92 10215 5 039 8523585 y f af vkn 根据 钢结构 公式 4 38 得每肢斜缀条轴向力 1 25 039 3 075 cos2 cos35 v nkn 13 根据 钢结构 公式 4 31 进行刚度验算 22 354 3542 8 5 l 488 8mm 查表可知 1 5 9imm 钢材许用长细比 1 488 8 82 8150 5 9 l i 强度验算 3 22 2 220 10 110 5 215 19 92 10 n n mmn mm a 稳定性验算 查 钢结构 附表 17 3 知 28 0 943 0 60 00150 642 3 22 1 3 075 10 18 63 0 642138 0 943 175 n n mmfn mm a 通过计算得知 缀条与肢件均满足稳定性要求 故附墙杆局部稳定性达标 通过计算得知 缀条与肢件均满足稳定性要求 故附墙杆局部稳定性达标 5 单肢角钢挠度计算单肢角钢挠度计算 线质量 63 4l 3 907 m lkg m 10110 5 055 22 l lm 3 907 10 1139 5 m ml lkg 单 1957mm gln m 单 q235 钢的弹性模量 32 206 10 en mm 惯性矩 此种构架挠度应在之内 4 19 03icm 400 l 在重力作用下的跨中挠度 2 199 69 12400400400 mll f ei 所以单肢角钢强度满足要求 所以单肢角钢强度满足要求 经综合分析 塔式起重机最上层附着杆在最大受力工况下 其整体稳定性与局部稳定经综合分析 塔式起重机最上层附着杆在最大受力工况下 其整体稳定性与局部稳定 性均能符合要求 故可以安全使用 性均能符合要求 故可以安全使用 14 6 基座连接螺栓校核基座连接螺栓校核 6 1 右基座连接螺栓校核及接合面工作能力校核右基座连接螺栓校核及接合面工作能力校核 本次结构共有基座两个 每个基座上共有耳板两对 螺栓 6 个 右基座连接附着杆 a b 左基座连接附着杆 c d 在上述四种工况下 a b 杆受拉 c d 杆受压 右基座 受力如图 6 所示 现校核右基座连接螺栓 取四种工况下综合拉力最大值 经比较 非工 作状态下塔臂平行于墙面时 a b 杆对基座产生倾覆力矩较大 工作状态下 塔臂垂直于 墙面时 a b 杆对基座产生拉力较大 故对此两种情况下基座连接螺栓进行强度校核 图 6 右基座受力简图 1 右基座螺栓预紧力的计算 非工作状态下塔臂平行于墙面时 119 31 a fkn 27 11 b fkn 横向力cos76cos6839 oo vab fffkn 竖向力sin76sin68141 oo hab fffkn 倾覆力矩1578516 4 ab mffknm 逆时针 在竖向力作用下 各螺栓所受工作拉力为 h f 141 23 5 6 h a f fkn z 在倾覆力矩作用下 根据 机械设计 第七版公式 5 31 螺栓所受最大拉力为 max max6 22 2 1 16400 0 175 23 5 2 0 1750 175 i i ml fkn l 因此 螺栓所受最大拉力为 max 47 a fffkn 15 根据 机械设计 第七版公式 5 24 底板接合面不滑移条件 可得 0 m hsv bm c f zffk f cc 其中 为接合面的摩擦系数 查表取 0 16 f 为防滑系数 取 1 2 s k 取 0 8 m bm c cc 将数据代入上式 得 0 36 13fkn 工作状态下塔臂垂直于墙面时 154 62 a fkn 44 78 b fkn 同理 按照上述公式计算此工况下螺栓所需预紧力 得出 0 42fkn 则螺栓预紧力应在两者中取较大值 在此取 0 42fkn 2 右基座螺栓强度校核 非工作状态下塔臂平行于墙面时 根据 机械设计 第七版公式 5 18 右基座螺栓所 受最大拉力为 20 420 2 4745 6 b bm c fffkn cc 根据 机械设计 第七版公式 5 14 螺栓拉应力为 2 22 1 1 31 3 45 6 252 4 17 294 44 f mpa d 螺栓按照 5 8 级选取 其屈服强度为 400mpa 取安全系数 1 2 则其许用应力为 333 1 2 s mpa 故在非工作状态下塔臂平行于墙面时 右基座螺栓可以安全使用 同理 工作状态下塔臂垂直与墙面时 按照上述公式校核螺栓强度 得出螺栓的拉应 力为 284 5mpa 333mpa 故在工作状态下塔臂垂直于墙面时 右基座螺栓可以安全使用 综合得出 右基座上螺栓强度满足要求 可以安全使用 综合得出 右基座上螺栓强度满足要求 可以安全使用 16 3 校核螺栓组连接接合面的工作能力 首先 连接接合面下端的许用挤压应力应不超过许用值 根据 机械设计 第七版公 式 5 36 可得 3 max0 2 1 10 116400 6 420 8 141 300 450450 300 6 1 03 1 62 63 m ph bm cm zff accw mpa 其中 a 为接合面面积 ab h w 为抗弯截面系数 2 6 bh w 查 机械设计 第七版表 5 7 可得混凝土的许用挤压应力为 3mpa 故接合面下端不 致压碎 同理 按照上述公式 计算工作状态下塔臂垂直于墙面时接合面抗压能力 可得 max 2 41 p mpa 查 机械设计 第七版表 5 7 可得混凝土的许用挤压应力为 3mpa 故接合面下端不 致压碎 其次 连接接合面上端应保持一定的残余预紧力 以防止受力时接合面间产生间隙 即最小挤压应力应大于 0mpa 根据 机械设计 第七版公式 5 37 可得 min0 2 1 116400 6 420 8 141 300 450450 300 6 1 03 1 60 m ph bm cm zff accw mpa 故接合面有可能产生间隙 需要改进 故接合面有可能产生间隙 需要改进 同理 按照上述公式 计算工作状态下塔臂垂直于墙面时接合面的残余预紧力 可得 min 0 95 1 460 p mpa 故接合面有可能产生间隙 需要改进 故接合面有可能产生间隙 需要改进 综合以上结论 右基座螺栓组连接接合面的混凝土部分可以承受挤压力不至于被压溃 综合以上结论 右基座螺栓组连接接合面的混凝土部分可以承受挤压力不至于被压溃 但是接合面可能会产生间隙 影响其工作能力 建议对结构进行改进 但是接合面可能会产生间隙 影响其工作能力 建议对结构进行改进 6 2 左基座连接螺栓校核及接合面工作能力校核左基座连接螺栓校核及接合面工作能力校核 本次结构共有基座两个 每个基座上共有耳板两对 螺栓 6 个 右基座连接附着杆 a b 左基座连接附着杆 c d 在上述四种工况下 a b 杆受拉 c d 杆受压 左基座 如图 7 所示 现校核左基座连接螺栓 取四种工况下综合拉力最大值 经比较 非工作状 17 态下塔臂平行于墙面时 c d 杆对基座产生倾覆力矩及压力较大 故对此种情况下基座连 接螺栓进行强度校核 图 7 左基座受力简图 1 左基座螺栓预紧力的计算 非工作状态下塔臂平行于墙面时 108 58 c fkn 220 11 d fkn 横向力cos61cos70115 96 oo vcd fffkn 竖向力sin61sin70307 51 oo hcd fffkn 倾覆力矩1646628 93 dc mffknm 逆时针 在竖向力作用下 各螺栓孔所受工作压力为 h f 307 51 51 25 6 h a f fkn z 在倾覆力矩作用下 根据 机械设计 第七版公式 5 31 螺栓所受最大拉力为 max max6 22 2 1 28931 0 175 41 33 2 0 1750 175 i i ml fkn l 因此 螺栓所受轴向工作载荷为 max 9 92 a fffkn 根据 机械设计 第七版公式 5 24 仍取螺栓预紧力 校核底板接合面 0 42fkn 不滑移条件是否满足 可得 0 0 45 6 420 8 307 51 224 1 m h bm c f zffkn cc 18 1 2 115 96139 15 sv k fkn 其中 为接合面的摩擦系数 查表取 0 16 f 为防滑系数 取 1 2 s k 取 0 8 m bm c cc 故接合面满足不滑移条件 在此取 0 42fkn 2 右基座螺栓强度校核 非工作状态下塔臂平行于墙面时 根据 机械设计 第七版公式 5 18 左基座螺栓所 受最大拉力为 20 420 2 9 9240 b bm c fffkn cc 根据 机械设计 第七版公式 5 14 螺栓拉应力为 2 22 1 1 31 3 40 220 5 17 294 44 f mpa d 螺栓按照 5 8 级选取 其屈服强度为 400mpa 取安全系数 1 2 则其许用应力为 333 1 2 s mpa 故在非工作状态下塔臂平行于墙面时 右基座螺栓可以安全使用 综合得出 右基座上螺栓可以安全使用 综合得出 右基座上螺栓可以安全使用 3 校核螺栓组连接接合面的工作能力 首先 连接接合面下端的许用挤压应力应不超过许用值 根据 机械设计 第七版公 式 5 36 可得 max0 3 2 1 128931 6 420 8 307 5 10 300 450450 300 6 3 692 866 55 m ph bm cm zff accw mpa 其中 a 为接合面面积 ab h w 为抗弯截面系数 2 6 bh w 查查 机械设计机械设计 第七版表第七版表5 7 可得混凝土的许用挤压应力为 可得混凝土的许用挤压应力为3mpa 故接合面下端可 故接合面下端可 能被压碎 需要改进 能被压碎 需要改进 19 其次 连接接合面上端应保持一定的残余预紧力 以防止受力时接合面间产生间隙 即最小挤压应力应大于 0mpa 根据 机械设计 第七版公式 5 37 可得 min0 3 2 1 128931 6 420 8 307 5 10 300 450450 300 6 3 692 860 830 m ph bm cm zff accw mpampa 故接合面不会产生间隙 不影响正常工作 综合以上结论 左基座螺栓组连接接合面的混凝土部分可能承受挤压力被压溃 影响综合以上结论 左基座螺栓组连接接合面的混凝土部分可能承受挤压力被压溃 影响 其工作能力 但是接合面不会会产生间隙 其工作能力 但是接合面不会会产生间隙 7 基座部位销轴及耳板强度校核基座部位销轴及耳板强度校核 基座部位销轴为直径 50 共 4 根 分别连接 4 根附墙杆 主要承受附墙杆对其的剪切 基座共有耳板 8 个 每 2 个为一对 用于连接销轴 主要承受销轴对其的挤压作用 在此 主要校核销轴的剪切强度与耳板的挤压强度是否满足要求 根据 材料力学 第七版公式 2 23 计算其剪切强度 f a 其中 a 为受剪面积 在此为销轴的横截面积 f 为各杆内力 在此取四种工况下各杆内力最大值 取 因为是220fkn 双剪切面 故在此需除以 2 解得 33 22 110 10220 104 56 03 50 4 f mpa da 销轴材料为 q235 许用剪切应力为 故 销轴剪切强度满足要 100mpa 求 根据 材料力学 第七版公式 2 24 计算其挤压强度 bs bs p a 其中 a 为挤压面积 在此为耳板受挤压的矩形面积 50 18 2 2 a f 为各杆内力 在此取四种工况下各杆内力最大值 取 220fkn 解得 20 3 220 10 77