塔式起重机附着间距及悬臂高度的确定.pdf

建筑机械化 2 0 0 9 0 6 5 3 综合篇 1 前 言 塔机在工业与民用建筑施工过程中扮演着十 分重要的角色 随着建筑物高度的不断增加 塔 身需要同步向上顶升 为确保塔身的刚性和垂直 度能保持在容许范围之内 使用者必须按 使用 说明书 的要求安装附着装置 不同型号的塔机 其自由 独立 高度 附着间距和悬臂高度有所 不同 附着装置的数量也不一样 在高层建筑特 别是超高层建筑施工中 往往要求塔机有效施工 高度超过 1 0 0 m 有的甚至达到 2 0 0 m 3 0 0 m 这 就要求塔机附着数量达到七 八道 甚至更多 在 一般情况下 设计人员往往只是计算了塔机最大 自由高度时的稳定性 在已知塔机自由高度的前 提下 如何确定加高之后塔机安装第一道或后续 多道附着装置时的悬臂高度 是从事塔机总体和 结构设计人员必须考虑的问题 附着式塔机的塔身实际上是一个格构式多跨 连续梁 属于多次超静定桁架结构 如何选取适 当附着高度 附着间距使塔身的刚度 稳定性与 自由高度时等价 是本文着重探讨的问题 为此 我们可以假设塔机的自由高度已经知道或已经确 定 寻找一种利用有限元分析技术来确定塔机附 着高度 附着间距及其悬臂高度的方法 为了便 于把问题和过程说得更清楚 笔者通过确定广西 建工集团建筑机械制造有限责任公司 简称广西建 机公司 生产的一台 Q T Z 6 3 Q T Z 5 0 1 3 D 塔机的 附着高度 附着间距和悬臂高度来阐述该解决方 法 2 塔身受力模型 Q T Z 6 3 Q T Z 5 0 1 3 D 塔机自由高度 4 0 5 m 标准节由 L 1 4 0 1 4 0 主弦杆 L 1 0 0 1 0 0 斜腹杆 L 8 0 8 0 横腹杆等边角钢拼焊而成 塔身截面 1 5 m 1 5 m 塔机塔身主要受水平力 F 倾翻力矩M 轴力N 扭矩T的作用 受力简 图如图 1 所示 3 单元选择和约束的考虑 1 单元的选择 塔式起重机的塔身属于格构 式空间桁架结构 杆件主要受拉力 压力的作用 横腹杆 斜腹杆受力比较简单 因此均采用杆单 元处理 因为主弦杆受力较腹杆复杂 故采用梁 单元来处理 在计算过程中我们也曾经选择过全 部选用梁单元来建模 其计算结果相差不大 2 约束考虑 为简化计算 塔身预埋底架4 点根据实际情况在X Y Z方向全部施加约束 即 UX 0 UY 0 UZ 0 而支撑点 即附着点 塔式起重机附着间距及悬臂高度的确定 Determination method of attachment spacing and cantilever height in tower crane 阎书军 胡 浪 YAN Shu jun HU Lang 广西建工集团建筑机械制造有限责任公司 广西 南宁 5 3 0 0 0 1 利用有限元技术从塔式起重机 以下简称塔机 整体稳定性出发 根据塔机塔身结构及其受力特点 进行分析 探讨出一种基于有限元分析基础之上 在塔机自由高度的状况下简单确认其悬臂高度和 附着间距的方法 塔式起重机 有限元分析 悬臂高度 附墙间距 摘 要 关键词 Design Exploitation 设计开发 5 4 2 0 0 9 0 6 C O N S T R U C T I O N M E C H A N I Z A T I O N 综合篇 也用 4 点约束 但不施加 Y方向的约束 即UX1 UX2 UX3 UX4 0 UZ1 UZ2 UZ3 UZ4 0 4 有限元计算 由文献 1 可知 当塔机处于自由高度和安 装附着装置时 有相同的欧拉临界力可以确定塔 机附着后与自由高度时具有等价的刚性及稳定性 如果以下不等式同时成立 PCR0 PCR1 PCR0 PCR2 PCR0 PCR3 PCR0 PCR4 PCR0 PCRN 经过推断可以判断塔机在第n道附墙时的稳 定性要强于自由高度状态 即可以判定塔机在第 n道附着时是安全的 假设塔机自由高度时是安 全的 对塔身结构有下式成立 结构特征方程 K S 0 式中 K 塔机塔身的结构刚度矩阵 S 应力刚度矩阵 位移特征矢量 特征值 比例因子或载荷因子 由以上特征值方程可知 如果结构上施加载 荷是单位载荷时 特征值即是屈曲载荷也就是结 构临界载荷PCR 综上所述 如果施加单位载荷分别在自由高 度 第1 道附着 第2 道附着 第3 道附着 第4 道附着 第 n 道附着 计算出结构的屈曲载荷 满足 1 n 式 就可判定选择相应的附 着间距和悬臂高度是安全的 PCRN越接近PCR0 塔 机的附墙间距和悬臂高度安全裕度就越接近自由 高度时的安全裕度 通过不断调整附着间距 悬 臂高度等参数 就可以确定塔机最合理的附着间 距及悬臂高度 以下是广西建机 QTZ63 Q T Z 5 0 1 3 D 塔机 4 道附着装置的计算情况 1 塔机自由高度 4 1 m 时 屈曲载荷 PCR0 2 8 9 3 8 k N 2 塔机在安装第1 道附着装置 附着装置高 度为 3 2 5 m 悬臂高度为 2 9 7 m 时 时 屈曲载 荷PCR1 2 9 4 6 9 k N 3 塔机在安装第2 道附着装置 即第1 2 道 附着装置的安装高度分别为 3 2 5 m 5 7 5 m 悬 臂高度为2 9 7 m 时 屈曲载荷PCR2 3 0 9 5 3 k N 4 塔机在安装第 3 道附着装置 即第 1 2 3 道附着装置的安装高度分别为 3 2 5 m 5 7 5 m 8 2 5 m 悬臂高度为 2 9 7 m 时 屈曲载荷PCR3 3 1 0 7 4 k N 5 塔机在安装第4 道附着装置 第1 2 3 4 道附着装置的安装高度分别为 3 2 5 m 5 7 5 m 8 2 5 m 1 0 7 5 m 悬臂高度为 2 9 7 m 时 屈曲 载荷PCR4 3 1 0 8 3 k N 从以上计算结果可以看出 Q T Z 6 3 塔机附着 第 1 道安装高度为 3 2 5 m 附墙间距为 2 5 m 悬 臂高度为 2 9 7 m 此时塔机塔身结构刚度 稳定 性是安全的 假设自由高度是安全的 5 结 论 1 通过多次计算发现 考虑套架顶升式塔机 的套架长度问题在内 外套式塔机的附墙 相邻 间距一般取 LN 0 7 5L0 2 5 标准节长度 较为合适 计算后应根据标准节的节点具体情况 予以圆整 2 考虑到实际施工工况的不确定性 塔机的 图1 塔身受力简图 Design Exploitation 设计开发 建筑机械化 2 0 0 9 0 6 5 5 综合篇 悬臂高度LN 1应选择0 7 倍自由高度以下为宜 建 议按 0 6 5 0 7 倍自由高度 3 实际上 按照以上计算方法确定的附着间 距和悬臂高度 最危险的情况是在安装第 2 道附 着装置时 所以安装第 2 道附着装置后施工期间 应注意 必要时可适当降低其附着高度及其悬臂 高度 多年来 通过有限元分析技术对广西建机生 产的 Q T Z 6 3 Q T Z 5 0 1 3 D Q T Z 8 0 Q T Z 1 0 0 Q T Z 1 2 5 Q T Z 1 6 0 等塔机系列产品的附着高度 和悬臂高度进行合理确定 其使用效果表明是安 全可靠的 该处理方法能使塔机的刚性及稳定性 在安装附着装置后能得到较大限度的发挥 该办 法也值得广大塔机设计者借鉴和参考 中图分类号 T H 2 1 2 T H 2 1 3 3 文献标识码 C 文章编号 1 0 0 1 1 3 6 6 2 0 0 9 0 6 0 0 5 3 0 3 收稿日期 2 0 0 9 0 3 2 5 参考文献 1 陈炳炎 孙在曾 季学礼 2 5 0 米特高塔式起重机 简介 J 建筑机械 1 9 9 0 2 2 0 2 3 2 朱伯芳 有限单元法原理与应用 M 北京 中国 水利水电出版社 1 9 9 8 3 G B T 1 3 7 5 2 9 2 塔式起重机设计规范 s 4 顾迪民 工程起重机 M 北京 中国建筑工业出 版社 1 9 8 5 编辑 金治勇 上接第4 8 页 组合成整体 然后通过提升或顶升安装到设计所 要求的位置 图8 采用这种工艺 可以降低起 重机的安装高度或作业半径 以较小的起重机代 替大型起重机 便于起重设备的落实 也可以减 少对结构和其他工序的不利影响 加快施工的进 度 还可将大量的节点连接工作在地面完成 减 少高空作业 有利于施工质量的控制和安全操作 整体结构的提升或平移通过计算机控制的液压千 图8 整体提升技术 斤顶系统来实现 4 结 语 超高层钢结构施工是一项技术难度和工艺复 杂程度都比较高的工作 根据结构的情况 施工 的环境和企业的资源综合确定技术路线和关键工 艺 是施工成败之关键 参考文献 1 吴欣之 广州国际会展中心大跨度复杂 形体钢结构安装技术研究 J 建筑钢 结构进展 2 0 0 4 1 2 4 3 0 2 崔晓强 郭彦林 叶可明 大跨度钢结 构施工过程的结构分析方法研究 J 工程力学 2 0 0 5 5 8 3 8 8 3 郭彦林 崔晓强