谭恺 1 于景龙2
（1.山东丰汇设备技术有限公司，山东济南250131；2.山东电力建设第一工程公司，山东 济南250131）
摘要：随着经济和社会的发展，为适应工程施工及物流运输的需要，塔式起重机的型式朝着塔身更高、塔臂更长的方向发展，而起重量也朝着更重的目标前进。这也给塔式起重机的设计计算与安全操作带来了挑战。本文以QTZ25塔式起重机为例，进行分析讨论。
关键词：塔式起重机；耦合作用；振动响应
前言
塔式起重机作为一种高耸机械设备通常被应用在港口码头、工矿企业及建筑工地中。随着经济和社会的发展，高层建筑逐渐增多，塔式起重机的高度相应增高，与此同时风荷载对塔吊的影响也随之增大。
1起升工况
1.1载荷
当塔吊突然起升货载时，会对结构产生冲击作用，即产生了附加动载荷。本章采用如前文所述的方法，利用动载系数来考虑这种动载荷。参考08版《起重机设计规范》，选择最不利的起升状态级别HC4，并估算出起升动载系数φ2为1.4。在施加时间上，因塔吊在起升货载时，荷载并不是瞬间施加到吊钩上，钢丝绳从松弛到张紧再使重物离地需要一定的时间，可取加载时间为0.2st261。因此，设定起升冲击时问为0.2s，此时间段内，起升载荷大小从零上升到动载数值，随即迅速降低，直到降为货载重量为止。
1.2载荷的施加
为了简便直观的进行动力学分析及后续各工况对比分析的需要，当对已建的塔吊模型施加上述动载荷时，可采用下述分阶段的加载方式：
（1）初始平稳状态（即空载）：结构仅有自重等静态载荷。此阶段设计载荷时间为20s，时间步长为1s。其目的是为排除因突加结构自重而产生的振动对后续冲击振动造成的干扰，使静载荷因施加方式产生的振动，因结构阻尼的作用在本阶段内消散，使结构的应力及变形趋于平稳从而达到静平衡状态。
（2）冲击状态：将冲击载荷施加到起重臂相应受力节点上（工作幅度最大处），载荷时间为O.2s，时间步长为0.01s。
（3）振动响应状态：当冲击载荷施加完成以后，在起重臂相应受力点直接施加货载重量，载荷时间180s，时间步长为1s。本阶段通过设置足够长的时间以便分析结构受到冲击后的振动变化情况。
2卸载工况
2.1荷载
当悬吊的货载突然卸去时，会对结构产生冲击作用，即产生了附加动载荷。本文采用如前文所述的方法，利用动载系数来考虑这种动载荷。如前文所述，本文参考《起重机设计规范》（GB3811．2008），采用全部卸载时的卸载冲击系数，以此系数与起升载荷的乘积来表示这种动载荷。在卸除起升的全部起升质量时，塔吊结构将承受与起升质量重量相反的载荷，此时卸载冲击系数为负值，根据计算可取0.5。冲击时间亦可取O.2s，在这段时间内，结构起吊的荷载数值由货载重量陡然反向增加为动载数值，而后迅速减小为零。
2.2载荷的施加
为了简便直观的进行动力学分析及后续各工况对比分析的需要，当对已建的塔吊模型施加上述动载荷时，可采用下述分阶段的加载方式：
（1）初始平稳状态：结构上存在自重及货载重量。此阶段设计载荷时间为20s，时间步长为1s。其目的是为排除因突加静载荷（自重和货载）而产生的振动对后续冲击振动造成的干扰，使静载荷因施加方式产生的振动，因结构阻尼的作用在本阶段内消散，使结构的应力及变形趋于平稳从而达到静平衡状态。
（2）冲击状态：将冲击载荷施加到起重臂相应受力节点上f工作幅度最大处，载荷时间为0.2s，时间步长为O.Ols。
（3）振动响应状态：当冲击载荷施加完成以后，此阶段为空载，载荷时间180s，时间步长为1s。本阶段通过设置足够长的时问以便分析结构受到冲击后的振动变化情况。
3 O°风工况
塔身的观察节点由下往上编号分别为：第50号、第82号、第98号、第130号、第158号、第192号，起重臂观察节点离塔身的距离由近至远编号分别为：第276号、第329号，平衡臂观察节点为：第334号。
3.1塔身及塔顶节点位移响应
观察塔身及塔顶节点位移响应的结果会发现：沿塔身从低至高，位移振动规律一致，幅度增大，这和理论计算的结果是一致的。
3.2起重臂及平衡臂位移响应
观察起重臂、平衡臂上个观察点的位移响应的结果会发现：在0°风工况下，起重臂及平衡臂上各点的振动响应与同高度塔身节点的振动响应是一致。
3.3 O°风应力响应
提取55个截面处的应力进行比较，可以发现在第3号单元（塔底）达到最大，其值为236.3 MPA，如图所示。
塔身第3单元应力时间响应曲线
4起升与Oo风荷载耦合工况
起升过程可以存在于风作用的任意阶段，为使耦合工况更好的与起升工况、风载工况进行比较，本文的加载方式模仿起升工况单独作用下模式，分三个阶段，施加过程如下：
（1）风载单独作用下：设计载荷时间为20s，时间步长为O.1s，此过程风载单独作用。
（2）冲击荷载与风载共同作用下：将冲击载荷施加到起重臂相应受力节点上（工作幅度最大处），载荷时间为0.2s，时间步长为0.01s，此过程冲击荷载及风载共同作用。
（3）风载及吊重共同作用下：冲击载荷施加完成后，设置响应时间180s，时间步长为0.1s，此阶段吊重荷载及风载共同作用。与前文相同，塔身的观察节点由下往上编号分别为：第50号、第82号、第98号、第130号、第158号、第192号，起重臂观察节点离塔身的距离由近至远编号分别为：第276号、第329号，平衡臂观察节点为：第334号。
4.1塔身及塔顶位移响应
观察塔身及塔顶节点位移响应的结果会发现：
4.1.1沿塔身从低至高，位移振动规律一致，幅度增大。
4.1.2在有冲击激励（起升）时刻振幅会发生突变，随后振动趋势与风载单独作用下一致。
4.2起重臂及平衡臂位移响应
观察起重臂、平衡臂上各观察点的位移响应结果会发现：在起升与0°风耦合工况下，起重臂、平衡臂上各观察点的振动响应与同高度塔身节点的一致。
4.3应力响应
提取55个截面处的应力进行比较，可以发现在起升与O°风荷载耦合工况中，第1号单元（塔底）的应力最大，其值为262.3MPA。
5卸载与O°风荷载耦合工况
卸载过程可以存在于风作用的任意阶段，为使耦合工况更好的与卸载工况、风载工况进行比较，本文的加载方式模仿卸载工况单独作用下模式，旋加过程如下：
（1）风载及吊重共同作用下：设计载荷时间为20s，时间步长为O.1s，此过程吊重荷载及风载共同作用。
（2）卸载冲击荷载与风载共同作用下：将冲击载荷施加到起重臂相应受力节点上（工作幅度最大处），载荷时间为0.2s，时间步长为0.01s，此过程卸载冲击荷载及风载共同作用。
（3）风载单独作用下：冲击载荷施加完成后，留给响应时间180s，时间步长为0.1s，此阶段风载单独作用。与前文相同，塔身的观察节点由下往上编号分别为：第50号、第82号、第98号、第130号、第158号、第192号，起重臂观察节点离塔身的距离由近至远编号分别为：第276号、第329号，平衡臂观察节点为：第334号。
5.1塔身及塔顶位移响应
观察塔身及塔顶节点位移响应的结果会发现：
5.1.1沿塔身从低至高，位移振动规律一致，幅度增大。
5.1.2在有卸载冲击激励时刻振幅会发生突变，随后振动趋势与风载单独作用下一致。
5.2起重臂及平衡臂位移响应
观察起重臂、平衡臂上各观察点的位移响应结果会发现：在卸载与0。风耦合工况下，起重臂、平衡臂上各观察点的振动响应与同高度塔身节点的一致。
5.3应力响应
提取所选择的55个截面处的应力并进行比较，可发现：在卸载与O°风荷载耦合工况中，在第3号单元（塔底）的应力最大，其值为236.1MPA。
6结语
综上所述，无论是起升工况还是卸载工况，起重臂上距回转中心越近的节点，振动幅度则越小；在冲击荷载（起升、卸载）的作用下，起重臂与其对应拉杆连接处以及起重臂与塔身连接处的应力较大，有可能会最先达到屈服，所以在设计塔吊时要特别注意。
参考文献：
[1]崔乐芙．建筑塔式起重机[M]．北京：中国环境科学出版社，2011
[2]朱冰，谷立臣，姬鹏斌．QTZ630塔式起重机的有限元动力学分析[J]．建筑机械，2011 （15）
论文作者:谭恺 1,于景龙2
论文发表刊物:《建筑建材装饰》2015年9月上
论文发表时间:2016/9/1
标签：载荷论文; 重臂论文; 工况论文; 步长论文; 节点论文; 荷载论文; 位移论文; 《建筑建材装饰》2015年9月上论文;