塔機(jī)超長(zhǎng)距離附著技術(shù)研究

第1頁(yè)，共7頁(yè)某工程為一綜合性住宅小區(qū)的建設(shè)，由多幢多層和小高層建筑組成，其中10號(hào)、11號(hào)為兩幢25層高層建筑，最大高度約為100m，塔機(jī)結(jié)構(gòu)高度約為125m，每4層樓房（約16m）加一道附著裝置，加至第23層，共設(shè)5道附著裝置。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的工程需要，需在兩主樓之間架設(shè)1臺(tái)QTZ63系列5013型塔式起重機(jī)，塔機(jī)中心與建筑物外墻之間的附著距離為11.17m，附著點(diǎn)開(kāi)間跨距為16.34m，其平面布置如圖1所示。根據(jù)塔機(jī)生產(chǎn)廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)，附著距離一般為3～5m，附著點(diǎn)跨距為7～8m[1，2]，遠(yuǎn)不能滿足本工程的具體施工要求。針對(duì)附著距離較大的問(wèn)題，我們參考了德國(guó)利勃海爾88HC型塔機(jī)附著距離長(zhǎng)達(dá)11.6m的成功設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[3]，提出QTZ63系列5013型塔機(jī)超長(zhǎng)距離附著裝置設(shè)計(jì)方案，具體如下。1附著裝置布置方案塔機(jī)附著裝置由附著框架和附著桿組成，附著框架多用鋼板組焊成箱型結(jié)構(gòu)，附著桿常采用角鋼或無(wú)縫鋼管組焊成格構(gòu)式桁架結(jié)構(gòu)，受力不大的附著桿也可用型鋼或鋼管制成。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)提供的各層樓面頂板標(biāo)高，按照QTZ63系列5013型塔式起重機(jī)的技術(shù)要求，需設(shè)5道附著裝置，以滿足工程建設(shè)最大高度100m的要求。附著裝置布置方案如圖2所示，其中A、B、C為3桿，LA=10800mm、LB=11320mm、LC=14200mm。2附著計(jì)算工況及附著桿內(nèi)力計(jì)算2.1附著裝置計(jì)算工況根據(jù)附著式塔機(jī)所受載荷、塔身內(nèi)力及支反力的計(jì)算分析，對(duì)于附著裝置來(lái)說(shuō)，應(yīng)考慮以下兩種情況，如圖3所示。（1）塔機(jī)滿載工作，起重臂順?biāo)鞽-X軸或Y-Y軸，風(fēng)向垂直臂架。（2）塔機(jī)非工作工況，起重臂處于塔身對(duì)角線方向，風(fēng)由平衡臂吹向起重臂（GB/T13752—1992塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范）。在實(shí)際使用中，塔機(jī)最上面一道附著桿受力最大[4]，本次設(shè)計(jì)只對(duì)最上面一道附著桿的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算分析。2.2塔機(jī)滿載工作時(shí)附著桿內(nèi)力計(jì)算[5]塔機(jī)正常工作狀態(tài)主要受到風(fēng)載（塔臂）及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩作用。其中風(fēng)載q定義為：作用在塔機(jī)（包括吊重）單位長(zhǎng)度上的載荷。根據(jù)文獻(xiàn)[4]中風(fēng)載計(jì)算方法，并查QTZ63系列5013型塔式起重機(jī)技術(shù)參數(shù)，計(jì)算得出風(fēng)載q=0.27kN/m，故有：Mf=1/2?q?l12－1/2?q?l22=

（1）1/2×0.27×（50.162－14.9032)=309.68kN·mMh=fk(P/ω)=370.24kN·m

（2）式中：Mf———由風(fēng)載所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，kN·m；Mh———由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,kN·m；l1———工作臂架長(zhǎng)度，m；l2———平衡臂架長(zhǎng)度，m；f———塔機(jī)工況系數(shù)，f=1.71；k———載荷換算系數(shù)，隨回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)的不同選取不同值，此處k=3.676；P———回轉(zhuǎn)功率，QTZ63系列5013型起重機(jī)P=3.7kW；ω———回轉(zhuǎn)角速度，由QTZ63系列5013型塔式起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表查得ω=0.6r/min。塔機(jī)滿載工作狀態(tài)時(shí)附著桿受力分析如圖4所示。由圖4附著桿受力分析和平面力系平衡方程ΣX=0，ΣY=0，ΣM=0，可得塔機(jī)滿載工作時(shí)附著桿傾角及內(nèi)力如表1所示。2.3塔機(jī)非工作工況時(shí)附著桿內(nèi)力計(jì)算[5]當(dāng)塔臂處于塔身對(duì)角線方向時(shí)，塔臂所受風(fēng)載和自重對(duì)附著桿所產(chǎn)生的力影響最大，風(fēng)載對(duì)塔身的影響可以忽略。塔機(jī)非工作工況時(shí)附著裝置受力簡(jiǎn)化如圖5所示，最上一道附著裝置3根附著桿的受力分析如圖6所示。表1附著桿夾角及內(nèi)力桿件

LA=10800mm

LB=11320mm

LC=14200mm角度

α=68.5°

β=62.6°

γ=45°內(nèi)力

F1=245kN

F2=238kN

F3=30kN由圖6附著桿受力分析和平面力系平衡方程ΣX=0，ΣY=0，ΣM=0，可得塔機(jī)非工作工況時(shí)附著桿傾角及內(nèi)力如表2所示。由上述兩種工作狀態(tài)下的附著桿受力計(jì)算可知C桿受到的內(nèi)力最大，因此只需驗(yàn)證C桿是否滿足強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求即可。表2

附著桿夾角及內(nèi)力桿件

LA=10800mm

LB=11320mm

LC=14200mm角度

α=68.5°

β=62.6°

γ=45°內(nèi)力

F1=-51kN

F2=238kN

F3=270kN3附著桿截面設(shè)計(jì)[5]3.1截面選擇附著桿結(jié)構(gòu)通常由型鋼(一般用角鋼)通過(guò)綴條或綴板連接而成。在本工程中采用綴條連接方式,截面形式如圖7所示。附著桿結(jié)構(gòu)參數(shù)：截面尺寸為420mm×400mm；附著肢件為等邊角鋼∠63×4；綴條為∠30×3；附著桿截面積A=19.92cm2；慣性矩Ix=7496.12cm4，Iy=6702.6cm4；慣性半徑ix=19.4cm，iy=18.3cm。選用鋼材為Q235，取許用壓應(yīng)力[σ]=215MPa，屈服強(qiáng)度f(wàn)y=235N/mm2，對(duì)C桿須進(jìn)行整體穩(wěn)定性驗(yàn)算、局部穩(wěn)定性驗(yàn)算和單肢穩(wěn)定性驗(yàn)算。3.2附著桿整體穩(wěn)定性驗(yàn)算對(duì)附著桿整體穩(wěn)定性及受壓附著桿特性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3及表4。表3附著桿截面特性特性

A/cm2

Ix/cm4

ix/cm

Iy/cm4

iy/cm單角鋼4.98

19.03

1.96

7.89

1.26整體

19.92

7496.12

19.4

6702.6

18.3表4受壓附著桿特性參數(shù)特性

βm

M/kN·m

W/cm3

NE/kNX平面內(nèi)1.0

2.198

225.79

658.79Y平面外1.0

1.807

201.89

587.85表4中：βm———平面內(nèi)外穩(wěn)定彎矩等效系數(shù)；M———1階彎矩；W———受壓最大桿件的毛截面抵抗矩；NE———?dú)W拉臨界力除以抗力分項(xiàng)系數(shù)λ=1.1所得參數(shù)。構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算最大應(yīng)力：N/A=270×103/19.92×102=136(N/mm2)＜215N/mm2

(3)式中：N———受力最大附著桿C的內(nèi)力，N=F3=270kN；A———附著桿C的截面積。查鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范得附著桿在圖7截面形式下Q235鋼材的容許長(zhǎng)細(xì)比［λ］=150。(1)X平面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度：L=14200mm驗(yàn)算構(gòu)件X平面內(nèi)長(zhǎng)細(xì)比：λx=L/ix=14200÷194=73.2垂直于X軸各斜綴條毛截面積之和：Aix=3.498cm2驗(yàn)算構(gòu)件X平面內(nèi)換算長(zhǎng)細(xì)比：式中：λx———構(gòu)件在X平面內(nèi)的長(zhǎng)細(xì)比；Aix———對(duì)X軸各斜綴條毛截面積之和。查軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性系數(shù)表得軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)：φx=0.721，由表4得出構(gòu)件X平面內(nèi)穩(wěn)定計(jì)算最大應(yīng)力：206(N/mm2)＜215N/mm2式中：βmx———X平面內(nèi)構(gòu)件穩(wěn)定彎矩等效系數(shù)；Mx———X平面內(nèi)構(gòu)件1階彎矩；φx———X平面內(nèi)構(gòu)件受壓穩(wěn)定性系數(shù)；Wxi———X平面內(nèi)構(gòu)件毛截面抵抗矩；NEx———參數(shù)，NEx=π2EA/（1.1λx2），Q235鋼的彈性模量E=206×103N/mm2。（2）Y平面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度：L=14200mm驗(yàn)算構(gòu)件Y平面內(nèi)長(zhǎng)細(xì)比：λy=L/iy=14200÷183=77.6垂直于Y軸各斜綴條毛截面面積之和：Aiy=3.498cm2驗(yàn)算構(gòu)件Y平面內(nèi)換算長(zhǎng)細(xì)比：式中：λy———Y平面內(nèi)構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比；Aiy——對(duì)Y軸各斜綴條毛截面積之和。查軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性系數(shù)表得軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)：φy=0.693，由表4得構(gòu)件Y平面內(nèi)穩(wěn)定計(jì)算最大應(yīng)力：213(N/mm2)＜215N/mm2（7）式中：βmy———Y平面內(nèi)構(gòu)件穩(wěn)定彎矩等效系數(shù)；My———Y平面內(nèi)構(gòu)件1階彎矩；φy———Y平面內(nèi)構(gòu)件受壓穩(wěn)定性系數(shù)；Wyi———Y平面內(nèi)構(gòu)件的毛截面抵抗矩；NEy———參數(shù)。由式（3）～（7）可知：該結(jié)構(gòu)滿足整體穩(wěn)定性要求。3.3附著桿局部穩(wěn)定性驗(yàn)算3.3.1肢件穩(wěn)定性驗(yàn)算取肢件計(jì)算長(zhǎng)度lo1=354mm，傾角α=55°，查角鋼∠63×4截面特性表得：i1=imin=1.26cm，由3.2計(jì)算可知長(zhǎng)細(xì)比λmax=77.6，故有：λ=lo1/il=354/12.6=28λ＜0.7λmax=0.7×77.6=54.32

（8）式中：λ———肢件長(zhǎng)細(xì)比；λmax———構(gòu)件最大長(zhǎng)細(xì)比。3.3.2綴條穩(wěn)定性驗(yàn)算橫向剪力V：式中：［σ］—Q235鋼材允許壓應(yīng)力，[σ]=215MPa；fy———屈服強(qiáng)度。每肢斜綴條軸向力N1：式中：V———綴條橫向剪力；cosθ———綴條垂直方向的夾角。剛度驗(yàn)算：λ=li1=488.8/5.9=82.8＜［λ］=150

（11）式中：i1———角鋼慣性半徑，查角鋼∠30×3截面特性表得i1=5.9mm；l———綴條設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。強(qiáng)度驗(yàn)算：N/A=270×103/19.92×102=135(N/mm2)＜215N/mm2

（12）穩(wěn)定性驗(yàn)算：由λ=28，查表知φ=0.943，塑性發(fā)展系數(shù)γ=0.6+0.0015λ=0.642N1/φA1=3.075×103/0.943×175=18.63＜0.642f=138N/mm2

（13）式中：N1———每肢斜綴條軸向力；φ———綴條穩(wěn)定性系數(shù)；A1———角鋼∠30×3截面面積；f———綴條鋼材允許壓力，f=215N/mm2。由式（8）、（11）、（12）、（13）可知：該結(jié)構(gòu)滿足局部穩(wěn)定性要求。3.4單肢穩(wěn)定性驗(yàn)算查特性表可知角鋼∠63×4的線質(zhì)量：m'=3.907kg/mL'=Lc/2=14200/2=7.1mm=m'Lc=3.907×14.2=55.5kgM1=mL'=3941N·m慣性矩I=19.03cm4（此種構(gòu)架撓度在Lc/400之內(nèi)）。所以單肢附著在重力作用下的跨中撓度f(wàn)1為：f1=1/12?M1L2/EI≈7/400＜Lc/400=14.2/400經(jīng)上述計(jì)算可知，該單肢∠63×4角鋼滿足穩(wěn)定性要求。4結(jié)論（1）理論計(jì)算