摘要：起重机吊装作业作为现代工程项目的重要内容，发挥着日益重要的作用，履带式起重机在进行吊装作业时，各类控制动作会导致起重机系统的运动状态突然发生变化，在此条件下，会对起重机各个结构的稳定性及强度产生极大的影响。本文分析了履带式起重机折线式臂架结构承载能力。
关键词：履带式起重机；折线式臂架结构；承载能力
近年来，随着模块化建造技术的运用和成熟，大吨位及超大吨位的吊装需求逐渐增加，促进了吊装技术的不断发展，履带式起重机的设计制造能力也随之提升。在起重机吊装能力屡创新高的同时，对相应的施工技术提出了更高要求，尤其对吊装作业区域场地地基承载能力的要求更为苛刻。地基承载能力是保证吊装作业安全的重要元素之一
一、原因
履带式起重机发生倾覆的原因包括多个方面，总结起来主要为地面不坚实或者超载。受到计算工具等多方面条件的限制，传统设计中主要以静态分析方法为主，即将瞬时作用的动载荷作为持续作用的静态作用力进行分析。国内规范大部分也以静态设计角度制定各种动载系数，这种设计方法虽然使整个分析计算过程更加简单，但是难以准确真实地反映出履带式起重机的实际工作情况。这种缺陷在小吨位履带式起重机设计中表现的不明显，但是在大吨位设计中较为突出，尤其是国内规范对后翻稳定性动载系数的规定。如果按照国内规范中有关后翻稳定性的要求进行设计，150t 履带式起重机的轨迹应≥ 8m，而国外同吨位产品中的轨迹均在6m 以下。由于臂架结构的细长特点，其稳定性分析必须考虑结构的几何非线性效应。目前比较成熟的几类几何非线性有限元方法包括参考初始构型的完全拉格朗日方法、参考当前构型的更新拉格朗日方法和共旋坐标法。在实际作业过程中，对起重臂臂长的估计不准确或者无法确定载荷重量时，都可能导致载荷重量超过履带式起重机的额定起重量，进而导致起重机发生倾覆事故。
二、履带式起重机折线式臂架结构承载能力
1.节点力平衡形式。履带式起重机的臂架结构是主要的承载部件，起重机的变幅机构，包括桅杆、撑杆和拉板，以外力的形式作用到臂架上，对整体进行极限承载分析需要给出臂架结构的节点力平衡方程。由于吊重是臂架结构承受的主要变化外力，所以这里把吊重考虑成主要变化参量，通过跟踪臂架在不同吊重下的平衡路径求得结构的失稳载荷。从力学原理上讲，起重机各组成部分均产生接地比压，在工作过程中，主臂、吊重、吊钩等可活动部分重量在履带X、Y 方向均引起重量偏载，对整机中心形成偏心力矩，导致起重机整机接地比压不均匀。利用力平移原理，将起重机实际重心力移动至整机中心，使整机重力所产生的压强形成均匀值，然后运用力矩整体平衡原理分别进行各部件X 方向和Y 方向的力矩叠加，得到X 方向和Y 方向的偏心力矩对起重机接地比压的贡献值，最后将其进行修正、累加就能得到相应的接地比压。按照上述方法可快速求得履带式起重机臂架结构的失稳载荷。然而，精确地给出具体结构问题的非线性节点力平衡方程及其切线刚度阵并不是很容易的。以下章节会针对履带式起重机的折线式臂架结构和附加约束机构，给出臂架结构的节点力平衡方程及其切线刚度阵，从而得到含载荷参量的节点力平衡方程的微分形式。引起的压力由两条履带共同承担，每条履带受力故得到左右履带平均接地比压的计算公式： ，右履带受压，左履带受拉，履带所受压力沿Ly方向均匀分布，沿方向呈线性对称分布，b起重机履带板宽度，单位m；上述数学模型的建立，可为接地比压的计算提供快速的方法。
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2.臂架结构自由度减缩及广义节点力。履带式起重机的臂架结构是由圆环截面钢管组成的细长框架结构。因此，简单地将整个臂架结构简化为一根梁，无法真实地体现臂架结构的力学性质，而且精确地给出简化梁单元的刚度阵并不是很容易的。同时，由于整个臂架结构的细长特点，结构的几何非线性效应不可忽略。一种细长框架结构几何非线性分析的子结构方法，可以有效地处理以上问题。其核心思想可以表述如下。考虑到细长框架结构的几何非线性效应主要体现在大位移和大转动上，将其按长度方向划分为多个子结构，只要划分合理，就能使得在子结构坐标系下，每个节点位移均是小位移。这样每个子结构就能减缩成只含有边界自由度的子结构单元，大大缩减了自由度。根据臂架结构自身的特点：每个臂节的端面均为矩形，在实际使用时各个臂节相互对接。因此，每个臂节的端面都进行了加强处理，可以认为臂架在承载过程中，每个臂节的端面仍保持为矩形截面。按照以上的方法，可以把整个臂架划分为多个子结构，而每个子结构只需要两个端面形心的位移和端面转角就可以表示其所有节点自由度。这样一来，每个臂节都简化成了形式上只有两个节点的广义梁单元，但是简化后的子结构单元保留了臂节的真实信息。子结构单元在保证精度的前提下，可以显著地提高结构分析的效率。
3.附加机构等效节点外力及其导数。传统结构问题的边界条件通常是位移约束，对这类约束的处理方法已经十分成熟。对于履带式起重机的折线式臂架结构，主副臂之间相互铰接并且需要控制吊重的位置。因此，臂架结构在工作过程中不可避免地要受到机构的控制，发生机构位移。因此，臂架所受到的外力不仅包括自重以及吊重，还包括实现铰接和变幅机构的附加外力，包括拉板、桅杆和撑杆等。这些机构向臂架结构施加的外力不仅与结构上的外力作用点位移相关，而且和约束机构本身的运动相关。将拉板简化为非线性的弹簧单元，考虑到拉板本身的质量不可忽略，拉板自身的平衡需要考虑其重力的影响。由于履带式起重机的臂架结构还受到拉板和桅杆等不同形式边界条件的约束，这些约束同样以力的形式添加到臂架结构上，并且给系统带来机构位移。静载荷是当重物处于静止或者匀速起升时的载荷。目前，国内对于起重机倾覆稳定性的静态校核主要采用力矩法实现。该方法主要是通过判断稳定力矩之和与倾覆力矩之和的关系，如果前者更大，则判断起重机处于稳定状态，反之，则说明起重机处于不稳定状态。其中，稳定力矩主要由起重机自重载荷决定，而倾覆力矩则由除起重机自重载荷外的所有载荷决定。起重机即使处于静态稳定性的失稳状态，依然能够保持稳定性，这主要是由于倾覆因素的作用时间无法在起重机发生倾覆前继续发挥作用，起重机的这种稳定性被称为动态稳定性。在对履带式起重机抗倾覆稳定性进行计算的过程中，需要加入相关性系数来保证计算结果的可靠性。此时，主要考虑倾覆因素的极限能量与起重机发生倾覆时的位增能量两者之间的大小关系，来判断起重机的倾覆稳定性。
本文考虑了履带式起重机折线式臂架结构的几何非线性效应，通过子结构自由度凝聚的方法，减缩了臂架结构的自由度，给出了子结构单元的广义节点内力。考虑了变幅机构导致的臂架结构发生机构位移，给出了由机构位移引起的广义节点外力及其导数。在处理具体问题时，操作者需要根据具体的问题特点和主要任务，选取或改造最为合适方法。
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论文作者:凌芝
论文发表刊物:《基层建设》2018年第11期
论文发表时间:2018/6/7
标签：起重机论文; 结构论文; 载荷论文; 节点论文; 力矩论文; 位移论文; 履带论文; 《基层建设》2018年第11期论文;