塔機(jī)超長距離附著技術(shù)研究

        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、11 號為兩幢25層高層建筑，最大高度約為100 m，塔機(jī)結(jié)構(gòu)高度約為125 m，每4 層樓房（約16 m）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)場的工程需要，需在兩主樓之間架設(shè)1 臺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11.17 m，附著點(diǎn)開間跨距為16.34 m，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3～5 m，附著點(diǎn)跨距為7～8 m[1，2]，遠(yuǎn)不能滿足本工程的具體施工要求。針對附著距離較大的問題，我們參考了德國利勃海爾88 HC 型塔機(jī)附著距離長達(dá)11.6 m 的成功設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[3]，提出QTZ63 系列5013型塔機(jī)超長距離附著裝置設(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100 m 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=10 800 mm、LB=11 320 mm、LC=14 200 mm。
 附著計(jì)算工況及附著桿內(nèi)力計(jì)算
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，對于附著裝置來說，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)只對最上面一道附著桿的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算分析。
2. 塔機(jī)滿載工作時附著桿內(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=0.27 kN/m，故有：
Mf =1/2•q•l1²－1/2•q•l2² =                                 （1）
1/2×0.27×（50.16²－14.903² )=309.68 kN·m
Mh =fk(P/ω)=370.24 kN·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———工作臂架長度，m；
l2———平衡臂架長度，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=3.7 kW；
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=0.6 r/min。
塔機(jī)滿載工作狀態(tài)時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)滿載工作時附著桿傾角及內(nèi)力如表1 所示。
3. 塔機(jī)非工作工況時附著桿內(nèi)力計(jì)算[5]
當(dāng)塔臂處于塔身對角線方向時，塔臂所受風(fēng)載和自重對附著桿所產(chǎn)生的力影響最大，風(fēng)載對塔身的影響可以忽略。塔機(jī)非工作工況時附著裝置受力簡化如圖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=10800 mm   LB=11320 mm   LC=14200 mm
角度  α=68.5°    β=62.6°      γ=45°
內(nèi)力  F1=245 kN    F2=238 kN      F3=30 kN
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=10 800 mm   LB=11 320 mm   LC=14 200 mm
角度  α=68.5°     β=62.6°      γ=45°
內(nèi)力  F1=- 51 kN    F2=238 kN      F3=270 kN
3 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420 mm×400 mm；附著肢件為等邊角鋼∠63×4；綴條為∠30×3；附著桿截面積A=19.92 cm2；慣性矩Ix=7 496.12 cm4，Iy=6 702.6 cm4；慣性半徑ix=19.4 cm，iy=18.3 cm。選用鋼材為Q235，取許用壓應(yīng)力[σ]=215
MPa，屈服強(qiáng)度fy=235 N/mm2，對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。