塔式起重机塔身接头连接方式的研究

杨志林

摘 要：塔式起重机塔身标准节的施工质量直接影响了整机质量和工作可靠性。就塔式起重机塔身标准节的连接方式进行了研究，针对当前塔机生产企业普遍采用的几种连接方式进行了结构分析，阐述了其结构特点及应用范围，并对塔身标准节接头的设计、制造和选型使用提出了建议，旨在为塔式起重机塔身接头设计选型提供参考和依据。

关键词：塔式起重机；塔身；标准节；高强度螺栓连接

中图分类号：TH213.3 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.22.109

1 概述

塔式起重机（以下简称塔机）有很高的塔身和很长的臂架，可以提供一个很大的施工范围，因此，广泛应用于建筑施工和工业起重领域。塔身一般由很多个标准节组成。为了将新增加的标准节与原有塔身标准节可靠地连接在一起，标准节之间要进行连接。目前，标准节的连接主要有销轴连接、螺栓连接两种方式。在进行塔机标准节连接的过程中，除了接头应互相匹配外，还应满足一定的要求，比如连接方式必须可靠、操作简单、经济效益好等。从国内市场分析，螺栓连接型式在中小型塔式起重机中得到了广泛应用，销轴连接则主要应用于中大型塔式起重机，两种连接方式各有优缺点。本文将对其常见的标准节连接接头结构在设计、工艺、经济性、使用等方面进行探讨，从而为塔机塔身接头的设计选型提供参考和依据。

2 标准节接头典型结构

塔身标准节主要由主弦杆、腹杆、连接接头及塔身通道等零件组成。主弦杆可直接采用各种轧制型钢，也可由轧制型钢或钢板组合焊接而成。常用的型钢有角钢、圆管、实心圆钢、方管、H形钢等多种，某些时候因型钢尺寸或截面特性不符合设计要求，也可采用焊接拼接截面，比如焊接方管、焊接H形钢等，采用何种主肢截面取决于塔机的起重性能、供货条件、经济效益及开发系列产品的规划和需要。

塔身各相邻标准节通过主弦杆上的接头相互连接，因此，主弦杆的截面类型在很大程度上决定了所能采用接头的合理结构型式。根据组成标准节接头连接件的不同，常见塔机标准节接头一般可分为高强度螺栓连接、销轴连接、瓦套连接三种连接方式。

2.1 高强度螺栓连接

高强度螺栓连接又可分为2种类型，即摩擦型螺栓连接和承压型螺栓连接。其中，摩擦型螺栓连接的制造工艺简单、工作性能可靠、成本低廉，颇为生产厂家和广大用户所青睐，特别是在中小型塔机中应用最为广泛。

摩擦型螺栓连接有以下优点：①连接螺栓采用较大的预紧力，能保证相邻标准节间的端面能紧密接触，最大程度地消除了节间的间隙，保证了塔身的整体刚度；②能减小或消除标准节因制造原因产生的误差，进而消除对塔身的影响；③加工简单，工艺要求不高，安装方便快捷；④被连接零件通过焊接与主弦杆母材相连接，对母材无削弱，无需对连接部位进行特殊加强处理。这些特点恰恰是某些销轴连接所不具备的。

摩擦型螺栓连接的缺点为：①在使用M30以上高强度螺栓时，人力拧紧有一定困难，需借助专用工具才能拧紧；②多个螺栓连接必须考虑连接时螺栓受力不均以及高空安装作业空间有限等。

因接头具体结构型式的差异，摩擦型高强度螺栓连接接头方式有各自适合的适用范围，按目前实际使用情况说明如下。

图1所示的接头结构由单角钢、螺栓套焊接而成。由于主肢为单角钢，一般可布置2个螺栓，通过合理布置螺栓位置，可使螺栓承拉时对主肢产生的局部弯矩较小；受角钢型号大小的限制，采用这种接头型式的塔机时，其起重力矩通常不会很大，一般在100 t·m以下为宜。

2.2 销轴连接

销轴连接的原理是通过承压和剪切来传递主弦杆内力，力的传递路線十分简单。为了减少轴孔间隙对塔身的影响，配合精度要求较高。为了传递主弦杆内力，此类结构一般需有额外的鱼尾板或榫头等连接附件。有些连接结构销轴贯穿母材，进而对母材造成了削弱，因此，在母材开孔部位必须补强。与螺栓连接结构比较，销轴连接结构较为复杂，工艺要求高，成本相对较高。此外，对销轴表面处理有较高的要求，否则一旦生锈，再次安装、拆卸将非常困难。

图2所示的结构由角钢、内外鱼尾板或厚板、销轴等共同组成，适合于单角钢结构。由于受角钢型号限制，单角钢主弦杆承载能力有限。为了保证两销轴承载均匀和安装方便，鱼尾板及孔等尺寸、位置精度要求较高，工艺成本较高。该结构适合于中等以上吨位塔机，一般在60～300 t·m为宜。

2.3 瓦套连接

瓦套连接其实也是螺栓连接的一种，但因其连接构造特殊，与其他螺栓连接有很大的区别，所以单独列出分类。瓦套连接亦称之为瓦套法兰盘连接，也形象地称为哈夫抱瓦连接，最早见于Linden8000系列平头塔机。该系列塔身标准节均采用无缝钢管焊接而成，标准节之间的连接构造颇为独特，如图3所示。该连接每两节塔身标准节主弦杆接头之间上下相对，相对的主弦杆接头之间通过法兰盘式端头的端面相对接，外围用2个半圆、带有台阶式子口的抱瓦卡固，并用4个直径较小的普通螺栓紧固。接头螺栓采用内六方扳手即可安装，安装简单、方便，但抱瓦和接头体的加工精度要求高。这种塔身接头连接的特点是：上、下两端构造完全相同，通过法兰盘端面和抱瓦子口构造传力。据试验结果，采用这种连接构造最大可传递多达200 t的轴力，因此，采用该类接头的塔机通常为大型或超大型塔机。

3 标准节接头结构设计及选型注意事项

在结构有限元软件十分普及的今天，与以往传统的手算相比，对塔机整机结构进行电算分析也并非是困难、复杂的工作。众所周知，节点设计是钢结构计算中的重点和难点，而塔机塔身接头结构复杂，且活动可拆卸，更是节点设计中的重中之重。塔身整体结构的电算可选择适合、相对简单的梁杆单元进行有限元简化计算，而要进一步对接头进行更加详细、深入的细部计算，需建立较为复杂的三维实体单元模型，加之目前在螺栓连接、销轴连接等方面的理论研究仍存在较大的争议，完善计算的方法还在不断摸索中，进而无法验证有限元计算结果的正确性。因此，在接头设计中，应在不断总结以往成熟经验的基础上，采取手算与电算相结合的方法进行对比分析。

塔身标准节主弦杆及接头承受载荷的大小及方向是变化的，产生的应力为交变应力，直接影响到塔身及整机的疲劳寿命；在标准节主弦杆与接头过渡连接处，其截面变化明显，必然存在应力集中现象，按照相关规范要求，对包括接头在内的塔身进行疲劳强度计算显得尤为重要。为了防止结构疲劳破坏，在一些关键部位应采取适当的构造措施，尽可能地减小甚至消除应力集中。

塔机塔身标准节的安装和拆卸为高空作业，且较为频繁。统计数据表明，安装和拆卸时发生的事故在塔机事故中占有很大比例，且绝大多发生在增加或拆卸塔身标准节前后。因此，接头的设计选型应在保证受力符合规范的前提下，把安全放在第一位。在结构的构造设计上，应注意精打细算、精益求精，节点构造力求简洁，尽可能地减少零部件的数量和质量；在外观处理上，不应强求对称美观和工艺方便。

4 结束语

总之，作为塔机基础部件的标准节，它的施工质量将直接影响塔机的质量及安全性。标准节的连接方式有很多，在对塔机塔身标准节进行连接时，要根据塔机的类型、用途、起重性能、产品定位及远景规划，综合考虑连接方式以及结构的选择，以合理利用其各项优点。本文就上述问题进行了研究和分析，以期为塔式起重机在今后更好地制造、选择和使用奠定基础。

参考文献

[1]张朋，王凯晖.塔式起重机塔身标准节接头应力集中分析[J].建筑机械，2009（19）.

[2]林华，王圣，赵毅.塔式起重机标准节斜腹杆开裂事故分析[J].建筑安全，2011（10）.

〔编辑：张思楠〕