非工作狀態(tài)下風(fēng)對塔機的影響

一）立項依據(jù)與研究內(nèi)容1.項目的立項依據(jù)（研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)分析，需結(jié)合科學(xué)研究發(fā)展趨勢來論述科學(xué)意義；或結(jié)合國名經(jīng)濟和社會發(fā)展中迫切需要解決的關(guān)鍵科技問題來論述其應(yīng)用背景。）進入21世紀(jì)以后，現(xiàn)代化建設(shè)進入了一個全新階段，基本建設(shè)規(guī)模不斷擴大，特別是高層建筑施工的不斷增多，塔式起重機的應(yīng)用愈來愈廣泛，并已成為建筑施工中的一種主要水平運輸和垂直運輸機械。但由于塔式起重機的工作環(huán)境都是處于室外，受外界自然條件的影響相對較大，尤其是風(fēng)荷載的影響，在塔式起重機的設(shè)計、安裝、使用以及拆卸階段都必須加以考慮，否則勢必會給塔式起重機帶來安全隱患。塔式起重機一旦發(fā)生安全事故，輕則造成塔機局部破壞；重則機毀人亡，給工作人員以及相關(guān)單位造成人身財產(chǎn)的損失。因此研究在大風(fēng)作用下塔機的結(jié)構(gòu)安全性就顯得十分重要。1.1沿海地區(qū)臺風(fēng)統(tǒng)計情況我國有著漫長的海岸線，臺風(fēng)次數(shù)頻繁，幾乎每年都有臺風(fēng)侵襲，且強度較大，對沿海地區(qū)造成堤防決口,毀壞公路、鐵路、橋梁、建筑物、起重設(shè)備、人員傷亡（失蹤）等重大財產(chǎn)損失。1990?2007年18年間，登陸我國大陸地區(qū)的臺風(fēng)共計121次，平均每年6.72次。其中，臺風(fēng)登陸最多的年份達(dá)11個（2005年），登陸最少的年份也有3個（2008年）。共造成人口死亡5365人，房屋倒塌1476萬間，造成的經(jīng)濟損失不可估量。以東南沿海為例，1990年?2007年登陸我國東南沿海地區(qū)（廣東、福建、浙江）的強風(fēng)共102次，平均每年5.7次。其中屬于臺風(fēng)、強臺風(fēng)、超強臺風(fēng)（中心風(fēng)力212級）的有54個，占總數(shù)的53%，平均每年3個，屬于強熱帶風(fēng)暴（中心風(fēng)力10?11級）的有24個，占總數(shù)的23.5%，年均1.3個。另外，上海，江蘇，安徽，海南，江西大部，廣西東南部受臺風(fēng)災(zāi)害次數(shù)也在35?50次之間。

表1 1990-2007年臺風(fēng)災(zāi)情因子統(tǒng)計分析災(zāi)損年份登陸臺風(fēng)/死亡人口/倒擁房矽曼衣面妙

頻次 人 力削萬hr?災(zāi)損年份8743520.8743520.578211216.81168316118713424649324924223.53礙1807.44281J8025.251364071L652290.5325851371918212.19103鈣012.06119489172086.4226702.2156356173415374+81737L148453517^-8^51-50431-47034214(咅30(。口55呂754082315200^21261264967694753489566U79據(jù)氣象部門數(shù)據(jù)，最近10年我國沿海地區(qū)臺風(fēng)災(zāi)害次數(shù)如下：山東：1個（1個強熱帶風(fēng)暴）江蘇：1個（1個臺風(fēng)）浙江：9個（1個超強臺風(fēng)，5個強臺風(fēng)，1個強熱帶風(fēng)暴，2個熱帶風(fēng)暴）福建：20個（12個臺風(fēng)，3個強熱帶風(fēng)暴，5個熱帶風(fēng)暴）臺灣：23個（1個超強臺風(fēng)，11個強臺風(fēng)，4個臺風(fēng)，5個強熱帶風(fēng)暴，2個熱帶風(fēng)暴）廣東：25個（1個強臺風(fēng)，11個臺風(fēng)，3個強熱帶風(fēng)暴，7個熱帶風(fēng)暴，3個熱帶低壓）香港：3個（1個臺風(fēng)，2個熱帶風(fēng)暴）海南：15個（2個強臺風(fēng)，2個臺風(fēng)，4個強熱帶風(fēng)暴，7個熱帶風(fēng)暴）廣西：1個（1個強熱帶風(fēng)暴）1.2臺風(fēng)造成的塔機事故損失2014年7月18日下午3：30左右，超強臺風(fēng)威馬遜（TyphoonRammasun）從海南省文昌市翁田鎮(zhèn)沿海登陸，據(jù)中國中央氣象臺公布資料，臺風(fēng)登陸時是以巔峰強度登陸，是繼1973年臺風(fēng)瑪琪后，41年來登陸華南的最強風(fēng)暴，最高風(fēng)速達(dá)到17級（60米/秒），臺風(fēng)對經(jīng)過地區(qū)的建筑起重機械造成重大的破壞，大量塔機倒塌或受損。?？?、文昌、澄邁、老城、萬寧等市、區(qū)至少77臺塔機倒塌、76臺塔機傾斜或嚴(yán)重受損（據(jù)海南省協(xié)會提供不完全統(tǒng)計數(shù)據(jù)《海南臺風(fēng)塔機倒塌受損情況匯總分析座談會》）。我國作為一個沿海大國，飽受臺風(fēng)侵襲，塔機成片倒塌和受損現(xiàn)象也是屢見不鮮。2010年7月16日，第二號臺風(fēng)“康森”從海南省三亞市亞龍灣登陸，共造成三亞市建筑工地8臺塔式起重機倒塌，連同設(shè)備設(shè)施在內(nèi)的直接經(jīng)濟損失估計超過700萬元。2006年8月10日超強級臺風(fēng)“桑美”襲擊了浙江省溫州地區(qū)蒼南縣，致使6臺附著式塔式起重機倒塌。1996年湛江港遭受12級強臺風(fēng)肆虐，港口起重機械幾乎全部被吹落海，造成經(jīng)濟損失103億元。每遇強臺風(fēng)，這種塔機成片倒塌和受損的現(xiàn)象在我國沿海地區(qū)時有發(fā)生，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟損失和人員傷亡。根據(jù)強臺風(fēng)所到之處建筑工地塔機毀壞現(xiàn)場的有關(guān)報道與調(diào)查資料,造成塔身傾斜、彎折、倒塔的主要原因是風(fēng)力太強,且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過塔機設(shè)計的非工作工況最大承受能力。然而，同為臺風(fēng)颶風(fēng)多發(fā)地，美國、我國香港、臺灣這些地區(qū)和國家在遭受強臺風(fēng)襲擊時，并未出現(xiàn)塔機成片倒塌和受損的現(xiàn)象。這都得益于這些地區(qū)與國家設(shè)立了自己的地區(qū)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)、制作了完備的應(yīng)急預(yù)案。以美國為例，美國因其地理位置、氣候條件以及大氣環(huán)流特征，每年都會有1000到2000個龍卷風(fēng)，平均每天就有4個，不僅數(shù)量多而且強度大，然而我們卻鮮有美國塔機成片倒塌受損的現(xiàn)象看見，那是因為美國市場，有賴于其健全的法制，針對塔機準(zhǔn)入，采用的是自我宣告模式。要求企業(yè)自覺符合相關(guān)法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)要求，對產(chǎn)品問題反饋由市場監(jiān)管及政府嚴(yán)厲執(zhí)法處罰。從塔機制造企業(yè)、銷售商、租賃商至用戶，都要確保塔機安全使用的責(zé)任傳遞。要求在說明書中對職責(zé)信息表述充分。尤為強調(diào)使用過程中的安全檢查（包括焊縫及鋼絲繩、連接螺栓等）以及安全措施。1.3現(xiàn)行塔機設(shè)計規(guī)范我國國內(nèi)塔機依據(jù)GB/T3811-2008《起重機設(shè)計規(guī)范》、GB/T13752-1992《塔機設(shè)計規(guī)范》、GB/T5031-2008《塔式起重機》和GB5144-2006《塔式起重機安全規(guī)程》設(shè)計。風(fēng)載荷按公式Fw=CwP“A表示，C”為風(fēng)力系數(shù)，P”為計算風(fēng)壓，A為垂直于風(fēng)向的迎風(fēng)面積，其中C”按照結(jié)構(gòu)型式的不同來取值，風(fēng)壓P“=0.613喘（匕為風(fēng)速），迎風(fēng)面積A=sA］（3為結(jié)構(gòu)的充實率）。根據(jù)現(xiàn)行的設(shè)計規(guī)范，我們設(shè)計出最大風(fēng)載荷為42m/s（相當(dāng)于12級臺風(fēng)、風(fēng)壓達(dá)1300N/m?）的塔機。但是，例如江浙地區(qū)從1972年以來，累計7次以上的強臺風(fēng)登陸時的近中心風(fēng)力均在12級或12級以上，風(fēng)速達(dá)到40m/s?59m/s范圍，已遠(yuǎn)超過塔機設(shè)計規(guī)范要求。因此，風(fēng)力過大是導(dǎo)致以上塔機倒塌或受損的主要原因。所以我們需要去修改塔機的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，但是設(shè)計新的規(guī)范必須要研究透徹塔機在強風(fēng)載下復(fù)雜的運動規(guī)律。所以研究清楚風(fēng)載下塔機的運動規(guī)律，對更安全的設(shè)計和使用塔式起重機，避免事故的發(fā)生，具有十分重要的意義。1.4.風(fēng)載下塔機的運動規(guī)律在風(fēng)力的作用下，塔機的運動規(guī)律是極其復(fù)雜的。首先，塔身是會發(fā)生位移，自由端偏移的位移是十分大的；其次，塔機會發(fā)生風(fēng)振效應(yīng)。塔身的各個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)與連接螺栓之間以及起重臂平衡臂的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間都會發(fā)生自激振動，振動的危害是巨大的，會導(dǎo)致塔機很多零部件因疲勞損傷而斷裂；再者，塔機連接件在強風(fēng)載下的運動規(guī)律也是很復(fù)雜的，各連接件受到復(fù)雜的應(yīng)力載荷，螺栓很容易松動和斷裂；最后，不同的建筑物環(huán)境下，風(fēng)對塔機的影響差別是很大的，所以研究塔機不同敷設(shè)位置下的運動規(guī)律也是很重要的。1.4.1塔身的位移準(zhǔn)確地計算塔機在風(fēng)載作用下的變形是塔機設(shè)計的重要內(nèi)容。風(fēng)荷載是影響塔式起重機這種高聳結(jié)構(gòu)工作性能的關(guān)鍵因素之一，而且隨著塔機高度的不斷增加，其影響也更加復(fù)雜，直觀表現(xiàn)主要體現(xiàn)在塔機各部構(gòu)件彎曲變形方面,準(zhǔn)確地計算塔機在風(fēng)載作用下的變形是塔機設(shè)計的重要內(nèi)容。在GB3811-83中，塔機在非工作狀態(tài)下所受風(fēng)荷載以10米為等風(fēng)壓區(qū)段施加風(fēng)力為八級風(fēng)所對應(yīng)的均布載荷，塔機塔身風(fēng)載荷計算簡圖在該設(shè)計準(zhǔn)則下，以QTZ60（FS5510）式塔機為例，其塔身頂部的理論位移大概有1.5米。另外由于非工況時塔機沒有剎車，其起重臂方向和風(fēng)向保持水平，所以所受風(fēng)載被近似忽略。但是在實際情況中，塔機所受風(fēng)載是大小未定，方向未定的動載荷，其彎曲變形也是動態(tài)的，這遠(yuǎn)比彎曲變形本身對塔機的危害大的多。且在沿海地區(qū)工作的塔機所受風(fēng)力可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過八級風(fēng)，塔身頂部彎曲變形可達(dá)到理論值的2倍，而起重臂因為一直隨風(fēng)轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)動速度很有可能超過塔身支座允許的極限轉(zhuǎn)速，這些都是危害塔機安全工作的因素。采用逐次逼近法可導(dǎo)出格構(gòu)式模型下塔身的非線性變形和內(nèi)力的計算公式。其根部彎矩最大值MM= —0 max2一Nq12/EAB2采用有限元數(shù)值模擬分析可以得出結(jié)論：高空施工，在風(fēng)荷載作用下塔機工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)時計算塔身的變形，塔身底部的約束可以簡化為簡支約束，且其計算結(jié)果是偏安全的；隨著塔身的不斷升高，塔身底部的跨數(shù)對頂部變形的影響將越來越小，其計算的跨數(shù)（從頂部到底部計算）可以少于實際跨數(shù)。但是具體的跨數(shù)值，需做進一步的理論和試驗研究，塔身計算跨數(shù)取值對塔身頂部變形的影響比底部約束更加顯著。1.4.2塔機的風(fēng)振塔式起重機是一種結(jié)構(gòu)較大、工作動作復(fù)雜的機械產(chǎn)品。風(fēng)對高層與高聳結(jié)構(gòu)的破壞通常是非常嚴(yán)重的，而且高層與高聳結(jié)構(gòu)的破壞往往隱藏著潛在的危險。根據(jù)空氣動力學(xué)和桿件風(fēng)致振動的表現(xiàn)看,起重機桿件的強烈振動主要是橫風(fēng)向振動。圓截面桿是渦激振動,矩形截面桿為馳振。強烈的振動很快就會引起桿件或桿件兩端節(jié)點板應(yīng)力集中部位的開裂,進而有可能導(dǎo)致整機破壞。所以，研究塔機抗風(fēng)，對高層與高聳結(jié)構(gòu)進行風(fēng)振分析有著十分重要的意義。從上個世紀(jì)50年代開始，人們就廣泛的知道風(fēng)的激勵機制可能是引起例如橋梁、高架輸電線路、燈桿等金屬結(jié)構(gòu)自激振動的重要原因。在上世際90年代后，鋼結(jié)構(gòu)的疲勞失效大多是由于其自身的高速振動所產(chǎn)生的損傷的累計造成的。而在當(dāng)今時代的鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)中，剛性構(gòu)件的運用越來越多。剛性構(gòu)件與過去常用的鋼索構(gòu)件相比較具有低阻尼的特性。塔式起重機平衡臂拉桿和起重臂拉桿就是此類剛性構(gòu)件的典型代表，且其形狀都是細(xì)長的（厶/d100），所以塔機拉桿對風(fēng)引起的振動更為敏感，當(dāng)風(fēng)吹動塔機拉桿產(chǎn)生振動時，拉桿自身還會產(chǎn)生激勵。通過對比實驗和模擬仿真結(jié)果的故障分析顯示，這種激勵產(chǎn)生的應(yīng)力是動態(tài)應(yīng)力，其對塔機拉桿造成的傷害遠(yuǎn)比風(fēng)力造成的損傷大的多，因此風(fēng)振引起的塔機自激振動也是導(dǎo)致拉桿疲勞失效和塔機倒塌的重要原因之一。目前，國內(nèi)對塔機自激振動的研究還是一片空白，國外的研究也還不夠深入。德國工程機械專家C.Klinger曾對塔機在風(fēng)載荷作用下的自激振動做過專門的風(fēng)洞實驗，他在實驗后指出現(xiàn)在應(yīng)該開始著手對不同的風(fēng)速對塔機自激振動的影響的研究。在塔機標(biāo)準(zhǔn)方面提高空氣動力學(xué)的分析，在保證經(jīng)濟成本和產(chǎn)品可靠性的前提下盡可能的降低風(fēng)載對拉桿應(yīng)力的影響，同時提出一個新的塔機制造工藝并寫入標(biāo)準(zhǔn)中。塔機風(fēng)洞實驗1.4.3連接件的運動規(guī)律中國建筑業(yè)協(xié)會機械管理與租賃分會組織了國內(nèi)部分專家和業(yè)界人士，對海南地區(qū)因臺風(fēng)造成塔機倒塌和受損情況進行了調(diào)查和分析。調(diào)查組經(jīng)過對7個塔機倒塌或受損的事故現(xiàn)場（共19臺倒塌、受損塔機）作了實地查勘，訪問了2名目擊者和多名現(xiàn)場管理人員，召開了三次座談分析會，形成了調(diào)查報告。根據(jù)這份調(diào)查報告，我們可以了解到，有6臺塔機倒塌是由于螺栓聯(lián)接失效（含聯(lián)接套焊縫脫落），占調(diào)查事故塔機的30%，有5臺塔機倒塌是由于附墻聯(lián)接失效，占調(diào)查事故塔機的25%。也就是說在這些被調(diào)查事故塔機中，有55%的塔機是由于塔機各部位聯(lián)接件的失效。主要是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)螺栓松動、螺栓斷裂和扶墻架斷裂如果標(biāo)準(zhǔn)節(jié)螺栓松動后,當(dāng)彎矩在該螺栓方位上標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的主弦桿支撐中產(chǎn)生拉力時,將使相臨的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)接觸面產(chǎn)生一定的間隙。例如:對高度為40m未附著的塔式起重機而言,在下部第一節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)接處產(chǎn)生0.1mm的間隙，在起重臂根部處的水平位移將增大約20倍的間距，假若多個接觸面產(chǎn)生諸多間隙,則塔式起重機標(biāo)準(zhǔn)節(jié)變形將急劇增大,對塔式起重機整體受力狀況極為不利,甚至有釀成塔式起重機事故發(fā)生的可能。螺栓松動后,塔式起重機在上部載荷交替變換的作用下,本應(yīng)完全固接在一起的兩個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的接觸面必將產(chǎn)生軸向往復(fù)移動,原本無沖擊力的螺栓連接結(jié)構(gòu)間產(chǎn)生沖擊載荷,螺栓及連接結(jié)構(gòu)中的荷載應(yīng)力大幅度增加,極易導(dǎo)致螺栓及連接結(jié)構(gòu)件的損壞（聲響）,甚至造成塔式起重機標(biāo)準(zhǔn)節(jié)扭曲折斷。1.4.4建筑物影響下塔機的運動規(guī)律0POverturningMoment0POverturningMoment建筑物的存在與否對塔機在風(fēng)載作用下的狀態(tài)也有所影響。沒有建筑物存在的時候，假設(shè)開始時塔機的旋轉(zhuǎn)部分（起重臂、平衡臂、回轉(zhuǎn)支承和塔冒等）垂直于勻速風(fēng)向，塔機受強風(fēng)載作用，旋轉(zhuǎn)部分會隨風(fēng)轉(zhuǎn)動，并在穩(wěn)定前經(jīng)歷兩次振蕩。在轉(zhuǎn)動過程中，摩擦力的轉(zhuǎn)矩可以忽略不計，慣性力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩起主要作用。塔機轉(zhuǎn)動部分最后的穩(wěn)定狀態(tài)是起重臂和平衡臂的臂架平行于風(fēng)向，平衡重物處于迎風(fēng)當(dāng)口，因此重力力矩是起阻礙塔機傾覆的作用。

過建筑物，在建筑物的影響下，風(fēng)就形成了包圍塔機的低風(fēng)速區(qū)域和異構(gòu)風(fēng)區(qū)域。塔機旋轉(zhuǎn)部分在低風(fēng)速區(qū)域轉(zhuǎn)動，但是跟沒有建筑情況下相比，塔機的旋轉(zhuǎn)部分的運動狀態(tài)區(qū)別十分巨大。塔機旋轉(zhuǎn)部分在強風(fēng)載作用下一直繞回轉(zhuǎn)中心360°飛速轉(zhuǎn)動，并不會達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在轉(zhuǎn)動過程中，慣性力轉(zhuǎn)矩比摩擦力矩作用要重要一點，當(dāng)回轉(zhuǎn)部分臂節(jié)轉(zhuǎn)至平行于風(fēng)力方向時，慣性力矩使得回轉(zhuǎn)部分繼續(xù)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)離風(fēng)向位置以后，回轉(zhuǎn)部分繼續(xù)受到風(fēng)力作用繼續(xù)轉(zhuǎn)動，周而復(fù)始，永不停息。對塔機根部起主要作用的是重力力矩。在轉(zhuǎn)動的過程中，重力力矩的方向每轉(zhuǎn)180°就會發(fā)生一次變化，重力矩交替表現(xiàn)為傾覆力矩和抗傾覆力矩?；剞D(zhuǎn)角速度的大小和角加速度的大小不斷發(fā)生變化，作用在回轉(zhuǎn)部分上的風(fēng)載也在不斷變化導(dǎo)致塔機根部的傾覆力矩數(shù)值居高不下并不斷變化著。無建筑物時塔機轉(zhuǎn)動