塔式起重机QTZ80基础荷载及附着杆荷载内力计算.doc

塔式起重机QTZ80基础荷载及附着杆荷载内力计算一、编制依据1、建筑结构荷载规范GB50009-2001（2006年版）。2、钢结构设计规范GB50017-2003。3、高耸结构设计规范GB50135-2006。4、塔式起重机设计规范GB/T13752-92。5、建筑机械使用安全技术规程JGJ33-2001。6、塔式起重机混凝土基础工程技术规程JGJ/T187-2009。7、QTZ80（ZJ5710）塔式起重机使用说明书浙江建机集团。二、QTZ80塔机基础荷载计算图1、QTZ80塔机竖向荷载简图塔机处于独立状态（无附墙）时，其受力为最不利状态，因此取塔机独立计算高度43m时进行分析，分工作状态和非工作状态两种工况分别进行荷载组合。按浙江省建设机械集团有限公司生产的QTZ80（ZJ5710）进行荷载分析，塔身为方钢管杆件的桁架结构，现场地面粗糙度类别为B类。塔机型号为QTZ80，最大起重量6T，最大起重力矩81Tm，最大吊物幅度57m。根据塔式起重机混凝土基础工程技术规程JGJ/T187-2009规定，计算塔机在工作状态和非工作状态下传递到基础顶面的荷载。非工作状态下的基本风压取1.0kN/m2。1、塔机自重和起重荷载1.1 塔机自重标准值kN1.2 起重荷载标准值 kN 2、风荷载计算2.1 工作状态下塔机对角线方向所受风荷载标准值计算2.1.1 塔机所受风均布线荷载标准值（） 2.1.2 塔机所受风荷载水平合力标准值 kN2.1.3 基础顶面风荷载产生的力矩标准值 2.2 非工作状态下塔机对角线方向所受风荷载标准值计算2.2.1 塔机所受风线荷载标准值（）2.2.2 塔机所受风荷载水平合力标准值 kN2.2.3 基础顶面风荷载产生的力矩标准值 3、塔机的倾覆力矩塔机自重和起重荷载产生的倾覆力矩，向前（起重臂方向）为正，向后为负。3.1 大臂自重产生的向前力矩标准值3.2 最大起重荷载产生最大向前力矩标准值（较产生的力矩大）3.3 小车位于上述位置时的向前力矩标准值3.4 平衡臂产生的向后力矩标准值3.5 平衡重产生的向后力矩标准值4、综合分析、计算4.1 工作状态下塔机对基础顶面的作用4.1.1 荷载标准组合后的力矩标准值 4.1.2 水平荷载标准值 kN4.1.3 竖向荷载标准值 塔机自重：kN起重荷载：kNkN4.2 非工作状态下塔机对基础顶面的作用4.2.1 标准组合后的力矩标准值 4.2.2 水平荷载标准值 kN 4.2.3 竖向荷载标准值 塔机自重： kN5、基础荷载的比较分析表1 混凝土基础顶面荷载标准值对比表类型工况竖向荷载 (kN)水平荷载Fvk(kN)倾覆弯矩Mk(kN.m)按规程JGJ/T187计算非工作状态4491021694工作状态50919640按“塔机使用说明书”非工作状态449711668工作状态509311039上述比较分析说明当塔机现场的基本风压大于等于1.00kN/m2时，按JGJ/T187-2009的规定进行计算的结果，非工作状态时（控制作用）倾覆力矩标准值和水平荷载标准值均大于塔机制造商的塔机使用说明书中所提供值。基本风压等于1.00kN/m2时，倾覆力矩标准值大2%，水平荷载标准值大44%。三、QTZ80附墙杆计算根据国家标准塔式起重机设计规范GB/T1375292、行业标准塔式起重机混凝土基础工程技术规程JGJ/T187-2009及浙江省建设机械集团有限公司提供的QTZ80塔机使用说明书进行计算，塔机和工程现场概况同前。国家标准塔式起重机设计规范GB/T1375292第4.5.2条规定：“塔身上部第一附着点（塔身悬臂支承端）的支承反力最大，应取该反力值作为附着装置及建筑物支承装置的计算载荷附墙杆设计时，在每个附墙杆安装工况下，是否都是要满足此项？（假设一个塔机需要设置3道附着，安装第1道附墙杆后，此工况要满足塔身上部第一附着点（塔身悬臂支承端）的支承反力最大，即第1道附着点支座力最大；安装第2道附墙杆后，此工况也要满足，即第2道附着点支座力最大；安装第3道附墙杆后，此工况也要满足，即第3道附着点支座力最大。这样理解是否妥当？）”。故应以此道附墙杆（图2的B支座）的负荷作为设计附墙杆截面的依据。按QTZ80塔机使用说明书，塔机附墙示意图如图2所示。附墙杆按两端铰支的轴心受压杆件计算，附墙杆和塔身上的锚固环连接，锚固环的方形边长为1.8m，见图6 图11。图2 塔机附墙示意图1、工作状态下附着杆计算在工作状态下，塔机满载工作，起重臂顺塔身截面x-x或y-y,风向垂直于起重臂轴线，随后风向和起重臂轴线同向，按最不利状态（倾覆力矩最大）进行荷载组合，风荷载产生的扭矩简化按风向垂直起重臂进行计算。如图3所示。假设塔机的塔身和建筑物为刚体，附着杆的两端为固定铰。图3 工作状态下风荷载作用平面示意图1.1 工作状态下荷载标准值组合1.1.1 塔身悬臂端（起重臂、平衡臂）处风荷载标准值 1.1.2 塔身B支座处风荷载标准值 1.1.3 塔身C支座处风荷载标准值 1.14 塔身D支座处风荷载标准值 1.15 塔身E支座处风荷载标准值1.1.11.1.5式中风压修正系数取1.0，系考虑附墙杆的风振动力作用没有削弱，风荷载按现行国家标准建筑结构荷载规范GB50009、高耸结构设计规范GB50135计算，E点以下简化按均布线荷载计算，对B支座反力的影响甚微。1.1.6 塔机自重和起重荷载在起重臂、平衡臂与塔身相交处产生倾覆力矩标准值 式中倾覆力矩M1 M5见P.2、P.3。1.1.7 塔身和平衡臂、起重臂相交处的扭矩标准值图4 塔机集中荷载及扭矩计算简图 1 在平衡臂、起重臂高度处的风荷载标准值计算（按计算高度m、起重臂及平衡臂的截面高度1.06m计算） 式中风压高度变化系数查GB500092001表7.2.1确定。0.8修正系数系考虑起重臂、平衡臂三角形截面桁架中有圆钢管且结构充实率比塔身小以及大臂旋转惯性力随风向偏角减弱的折减系数。h为起重臂、平衡臂截面高度，其他系数见JGJ/T187。2 扭矩组合标准值Tk在固附着附墙杆设计中，扭矩是否全部由塔身上部第一附着点（塔身悬臂支承端）承担？如果不是，扭矩沿塔身向下传递，各个附着点扭矩如何分配？ 由“塔机使用说明书”查得工作状态时回转惯性力产生的扭矩标准值 由风荷载产生的扭矩标准值 集中扭矩标准值（考虑两项可变荷载控制的组合系数取0.9）1.2 工作状态下塔机附着支座反力计算附着式塔式起重机的附着支座反力计算简图如图5所示附墙杆设计是否需要验算塔身的内力与变形？ 图5 工作状态下塔机附着支座（附墙装置）反力计算简图解连续梁LA-F可得支座反力如下。1.2.1 风荷载在支座B处产生的水平反力1.2.2 塔机自重和起重荷载引起倾覆力矩在支座B处产生的水平反力 1.2.3 支座B处锚固环的截面内力、 在工作状态下，塔机起重臂位置的不确定性以及风向的随机性，在计算支座B处锚固环截面内力时需考虑塔身承受双向的风荷载和倾覆力矩及扭矩，见图6。1.2.4 支座B处锚固环的截面扭矩（考虑塔机产生的扭矩由支座B处的附墙杆承担） 1.3 工作状态下对称式附墙杆计算工作状态下对称式附墙杆的计算简图如图6所示。锚固环和塔身连接为整体按刚体考虑，以下计算中荷载产生该处的反力简称为锚固环内力。图6 工作状态下对称式附墙杆计算示意图假设附墙杆与建筑物的连接为铰接，附墙杆与塔身的连接为铰接。由结构力学求解器求得：（杆件轴向力负号为压杆，x、y方向分力负号表示与图示反向。）1.3.1 在锚固环截面内力、作用下附墙杆的轴力及支座反力计算 附墙杆轴力：， 支座a在X，Y方向的分力：， 支座b在X，Y方向的分力：，1.3.2 在锚固环截面内力、作用下附墙杆的轴力及支座反力计算附墙杆轴力：， 支座a在X，Y方向的分力：，支座b在X，Y方向的分力：，2、非工作状态下附墙杆计算按现行行业标准建筑机械使用安全技术规程JGJ33的规定，此工况下塔机回转机构的制动器完全松开，起重臂能随风转动，故不计风荷载产生的扭转力矩。 图7 非工作状态下风荷载作用示意图2.1 非工作状态下荷载标准值组合2.1.1 塔身悬臂端（起重臂、平衡臂和塔身相交处）处风荷载标准值 2.1.2 塔身B支座处风荷载标准值计算 2.1.3 塔身C支座处风荷载标准值计算 2.1.4 塔身D支座处风荷载标准值计算 2.1.5 塔身E支座处风荷载标准值计算 2.1.12.1.5式中修正系数0.8系考虑塔机工作周期远比50年短，故对50年一遇的基本风压折减。2.1.6 塔机自重在起重臂、平衡臂与塔身相交处产生的倾覆力矩标准值计算 2.2 非工作状态下塔机附着支座反力计算非工作状态下, 附着式塔式起重机的附着支座反力计算简图如图8所示。图8 非工作状态下塔机附着支座反力计算简图解连续梁LA-F可得支座反力如下。2.2.1 风荷载在支座B处产生的水平反力2.2.2 塔机自重引起倾覆力矩在支座B处产生的水平反力 计算结果负值表示拔力，系因为负值（即与图示反向）产生。2.2.3 支座B处锚固环的截面内力、 2.3 非工作状态下对称式附墙杆的轴力及支座反力计算假设附墙杆与建筑物的连接为铰接，附墙杆与塔身的连接为铰接。由结构力学求解器求得：（杆件轴向力负号为压杆，x、y方向分力负号表示与图示反向。）非工作状态下对称式附墙杆的计算简图如图9所示。 图9 非工作状态下对称式附墙杆计算的示意图2.3.1 在锚固环截面内力作用下附墙杆的轴力及支座反力计算 附墙杆轴力：， 支座a在X，Y方向的分力：， 支座b在X，Y方向的分力：，2.3.2 在锚固环截面内力作用下附墙杆的轴力及支座反力计算 附墙杆轴力：，支座a在X，Y方向的分力：， 支座b在X，Y方向的分力：，3、QTZ80对称式附墙杆内力比较分析表2 QTZ80对称式附墙杆内力比较表（标准值KN）类型工况F1maxF2maxF3maxF4max按国家标准GB50009、GB50135计算非工作状态9510795107工作状态4218342183按“塔机使用说明书”125193187176上述比较说明：按国家标准计算，比较F1和F2的合力、F3和F4的合力，可知工作状态的大，但均小于按“塔机使用说明书”的合力值。原因是前者系极限状态设计方法，后者系允许应力设计方法。工作状态时扭矩起控制作用。建筑物的两附着点均可能受到F1和F2或F3和F4作用。4、非对称式附墙杆在工作状态下的计算4.1 符号说明非对称式附墙杆在工作状态下的计算简图如图10所示。图中、塔身在截面1-1处（最上一道附墙装置处，见图2）所承受的回转产生的扭矩，但方向相反，系考虑回转方向不同之故。、塔身在截面1-1处（最上一道附墙装置处，见图2在X轴方向的剪力，方向相反，原因同上。、塔身在截面1-1处（最上一道附墙装置处，见图2）在Y轴方向的剪力，方向相反，原因同上。扭矩、和锚固环截面内力、同第1.2节。图10 非对称式附墙杆在工作状态下的计算示意图假设附墙杆与建筑物的连接为铰接，附墙杆与塔身的连接为铰接。4.2 在锚固环截面内力、作用下附墙杆的轴力及支座反力计算由结构力学求解器求得：附墙杆轴力：， 支座a在X，Y方向的分力：， 支座b在X，Y方向的分力：，4.3 在锚固环截面内力、作用下附墙杆的轴力及支座反力计算由结构力学求解器求得：附墙杆轴力： ， 支座a在X，Y方向的分力：， 支座b在X，Y方向的分力：，4.4 静定结构手算法附墙杆内力按力矩平衡原理求解各杆件最不利荷载组合下的内力，由,得，(轴向压力)。由，得,（轴向压力）。由，得,（轴向压力）。式中力臂见图10。取上述计算中各杆件轴向压力的最大值：，。5、非对称式附墙杆在非工作状态下的计算非工作状态下非对称式附墙杆的计算简图如图11所示。 图11非对称式附墙杆在非工作状态下的计算示意图假设附墙杆与建筑物的连接为铰接，附墙杆与塔身的连接为铰接。锚固环截面内力、同第2.2节。由结构力学求解器求得：5.1 在锚固环截面内力作用下附墙杆的轴力及支座反力计算 附墙杆轴力：， 支座a在X，Y方向的分力：， 支座b在X，Y方向的分力：，5.2 在锚固环截面内力作用下附墙杆的轴力及支座反力计算 附墙杆轴力：，支座a在X，Y方向的分力：， 支座b在X，Y方向的分力：，6、QTZ80非对称式与对称式附墙杆内力比较表3 QTZ80非对称式与对称式附墙杆内力比较表（标准值KN）类型工 况F1maxF2maxF3maxF4max按国家标准GB50009、GB50135计算对称式附着非工作状态9510795107工作状态4218342183非对称式附着非工作状态108107108107工作状态186183132183由上述比较说明：在同样型号塔机在同样状态及风荷载作用下，非对称式附墙杆的内力比对称式附墙杆大，设置对称式附墙杆有利于保护塔机的塔身承受荷载。设计附墙杆与主体结构预埋件时，应采用荷载的基本组合值。7、附墙杆稳定承载力计算取各式附墙杆中最大轴向受压杆及相应的计算长度或最大计算长度及相应的最大轴向受压杆设计。7.1 对称式搭设时附墙杆承载力验算塔机的附墙杆采用对称式设置时，附墙杆在工作状态下和非工作状态下的最大轴力标准值为-390kN（受压），钢管采用16810，。计算长度。长细比：查现行国家标准钢结构设计规范GB50017附录C，得稳定系数：轴心受压稳定承载力： 满足要求7.2 非对称式