塔机起重臂腹杆变形问题的研究

马文宇

中建机械有限公司 河北省 065000

摘要：近年来，建筑市场蓬勃发展，带动了整个塔式起重机租赁行业。塔式起重机作为建筑行业中的必备机械，在整个行业中供不应求，甚至出现了一机难求的局面。在这种情况下，一些塔吊在转移过程中直接进入下一个施工现场而不回厂维修，一些盲目发展的租赁公司将一批旧产品进入租赁市场，一些用户以租赁价格为首要考虑租用一批混装塔吊。这些因素增加了塔式起重机使用的潜在安全隐患。

关键词：塔机起重臂；腹杆变形；问题；措施

在塔式起重机吊臂正常运行过程当中,受多方因素影响可能导致吊臂出现弯曲甚至折断。一旦上述问题发生,不但会导致塔式起重机吊臂严重损坏或直接报废,更会对相关人员人身安全构成巨大威胁,经济损失是非常严重的。因此,为预防上述问题的发生,就需要在有限元分析软件的协助下积极且深入的对塔式起重机吊臂强度进行研究与分析,并对其变形位移以及变形应力进行观察,以确保吊臂在尾端起吊状态下受力情况的良好与可靠。本文上述分析中围绕塔式起重机吊臂的强度进行分析,能够为吊臂结构设计提供理论依据,以达到提高吊臂强度水平,节约材料以及降低成本的目的。

1塔式起重机吊臂结构

塔式起重机是动臂装设于高耸塔上部的旋转起重机设备。与其他常规起重设备相比,塔式起重机作业空间大,在房屋建筑施工现场被广泛应用于建筑构件安装以及物料垂直运输工作中,其核心构成部分包括金属结构、电气系统以及工作机构这3个部分,其中金属结构可进一步分为底座、动臂以及塔身等。具体到塔式起重机的吊臂来说,其作为除塔身以外的一大关键受力部分,塔式起重机的主要工作单元均安装于吊臂上,受力结构关系复杂,形式众多且受力大,在实际工作过程中还同时承受压力以及弯矩作用力影响,吊臂回转过程中还会受惯性作用力的影响。臂架设计过程当中必须围绕吊臂强度、刚度、以及稳定性进行逐步计算,正确选定吊点位置并确定吊臂合理强度水平,在结构设计中扮演着非常重要的角色。起吊过程当中,吊点可以将吊臂划分为多个部分,塔式起重机正常作业状态下,各臂架将分别产生最大限度的负弯矩作用力或正弯矩作用力,为了达到优化吊臂设计方案的目的,需要围绕强度、内力进行计算。回转平面中,吊臂等同于悬臂梁,具有静定结果的特点,围绕其强度的计算是相当方便的。而在起升平面当中,塔式起重机吊臂可以视作的多跨连续外伸梁或组合结构,具有超静定性的特点,因此,为解决吊臂在不同工况下的结构设计问题,就需要相关工作人员围绕塔式起重机吊臂的强度问题进行深入分析与探讨。

2主要载荷及最危险工况

塔机在实际使用中，其起重臂受力情况复杂。起重臂承受的主要载荷包括自重、起升载荷、惯性载荷、风载等。对起重臂采用许用应力法计算时，考虑到塔机所受动力学影响，应将载荷按照规范进行放大(即乘以相应的系数)。

主弦和腹杆是平头塔机起重臂的主要受力构件，对起重臂结构进行优化设计时，需分别选取主弦及腹杆最危险载荷的组合工况进行核算。平头塔机起重臂的力学模型为悬臂梁，截面受力主要为弯矩和剪力。依据桁架理论，起重臂的截面弯矩全部由弦杆承受，截面剪力全部由腹杆承受。根据实际工程设计计算经验，起重臂各节主弦的最危险工况是按最大幅度起吊额定载荷，且回转制动伴有风载；起重臂各节腹杆的最危险工况是在各臂节根部处起吊额定载荷后回转制动，且回转平面伴有风载。在起重臂结构优化设计中，可仅验算以上最危险工况。

依据《塔式起重机设计规范》,C7020P塔机起重臂上下弦、斜腹杆最危险工况的载荷情况如下：危险工况下自重载荷为1.1G;上下弦危险工况下起升载荷为1.25Fh,且作用于臂端；斜腹杆危险工况下起升载荷为1.25Fh,且作用于各臂节根部；危险工况下回转惯性力为1.5Fg;危险工况下风压P=250Pa,且风载按水平方向垂直作用于起重臂。这里：G为起重臂实际自重；Fh为实际起升载荷；Fg为实际回转惯性力。

3现状

起重臂作为塔机的主要受力部件，主要由上弦杆、下弦杆、斜腹杆、下弦面内斜腹杆和直杆组成。在日常检测中，发现了弦杆和腹杆变形及断裂问题。下弦杆变形问题和下弦面内直杆断裂问题解决起来相对简单，上、下弦杆受力大，一旦出现变形应停机使用，需经生产厂家或检测机构评估或拆除处理，而腹杆断裂需作加固处理。至于腹杆变形是否能继续使用，本文作一分析。

4建立模型

为了研究起重臂腹杆变形问题，本文以QTZ5610塔机为例建立了整机有限元模型，模型中的杆件以梁单元处理，其材质为Q235B，塔身底部以固定点约束。模型如图4，共有节点537个，单元1232个。

5计算结果

按图四建立模型，将风荷载按均布力施加于各杆件，惯性力按均布力或集中力施加于各杆件或部件所在位置，自重荷载有程序自动处理。

6结果分析

Q235B的屈服点σS为235MPa，抗拉强度σb约是375MPa：按GB/T13752-2017《塔式起重机设计规范》。

起重臂受力杆件安全系数ns按载荷组合C取ns=1.22。

所以，许用应力值[σ]=σS/ns=192.6MPa,即起重臂受力杆件的计算应力应≤192.6MPa。

位置1、3、4、8时，腹杆断裂对上弦杆影响较大，位置8时上弦杆应力增幅较大，增加率达到351.7%，但腹杆断裂后上弦杆应力最大值在位置3，其最大值为120.3MPa≤192.6MPa，并未超过其许用应力；位置2、5时，腹杆断裂前后杆件应力绝对值及其变化率都无明显变化，腹杆断裂对附近杆件影响不大；位置6时，腹杆断裂对上弦杆有重大影响，上线杆应力为276.3MPa>192.6MPa，已超出其许用值；位置7时，腹杆断裂对上、下弦杆都有重大影响，且上弦杆应力213.9MPa>192.6MPa，已超出其许用值，下弦杆应力增加率为63.2%，变化较大。

结论

工程建设存在质量重以及材料用量大的特点,尤其在高层、超高层建筑项目中表现明显。因此,在工程建设活动实践中,必须通过对运输机械设备的应用以促进作业效率的提升。塔式起重机作为施工现场最核心的机械设备之一,具有起升高度大、覆盖范围广等一系列特点与优势,因而应用广泛,对提升垂直运输作业效率意义确切。吊臂作为台式起重机的的核心金属结构部件,其强度水平直接会对整机设计质量以及运行安全、可靠性产生影响。尤其在当前塔式起重机呈现出重载化、大型化以及超高化发展趋势的背景下,有关吊臂的强度问题备受业内人士的关注与重视。

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