塔式起重机附着结构分析

王勇玲/WANG Yong-ling

（浙江省特种设备检验研究院，浙江 杭州 310012）

塔式起重机（以下简称塔机）塔身为一偏心受压杆件模式，当其安装高度超过允许范围后，塔身在上部偏心载荷和弯矩共同作用下，要失去稳定性而弯折倾翻。因此，在塔身加高超过独立高度前，必须在预先设计好的位置安装附着结构，限制塔身在该水平面内两个方向的位移，保证塔身在使用过程中不失稳，能安全使用。

2012年12月，对某施工现场一台塔机进行检验，发现该塔机安装高度为50m（允许的独立高度为40m），装有一道附着，附着杆件由4根工字钢组成，其一端分别与附着框架在4个拐角位置焊接连接,另一端与附着支座焊接，整体形成2个四边形结构。该塔机在检验前已经试运行一段时间，在检验中发现附着杆与附着支座焊接位置有一垂直附着杆件的裂纹。

1 附着杆件连接受力分析

根据塔机使用说明书要求，塔机附着装置应能承受塔身在该平面上两个方向的水平作用力，限制塔身的变形，保证塔身压杆的稳定要求，附着框架与塔身通过顶紧螺杆使其紧密配合，保证塔身与附着框架在接触点处的变形量相等。

当塔机工作时，附着框架位置的塔身受到以上自由端部分的弯矩和垂直向下的偏心载荷作用，在附着框架位置形成一平衡力系，其中塔身主弦杆对附着框架作用一水平力，使附着框架做水平移动。附着杆件对附着框架也作用一水平力，阻止附着框架水平移动。

当附着杆件与附着框架、附着支座焊接连接时，连接点全为刚性，三者成为一个整体。塔身作用在附着框架上的水平力分解成杆件的轴向力和垂直力，轴向力直接作用在杆件上，属于杆件的轴心受拉压问题，计算时只要保证其强度和压杆稳定性即可；垂直作用力作用在杆件上，对杆件及其焊接接头等整体作用一巨大的弯矩（附着杆件长度较长引起弯矩很大）。同时，由于附着杆件与附着框架、附着支座全为焊接连接，因焊接变形等原因，导致部分杆件存在严重的焊接应力，杆件受力不均。某QTZ80塔式起重机说明书中罗列了各个附着装置位置的两个水平力的大小，取其中第一道附着装置的数据计算得到，某一附着杆件的最大弯矩达到89.27tm；轴向力却只有17.6t；按常规计算得到的附着杆件大小尺寸无法满足组合应力要求，从而导致裂纹产生。

当附着杆件与附着框架、附着支座按照JGJ 33-2012 《建筑机械使用安全技术规程》和塔式起重机使用说明书的规定要求铰接连接时，作用在附着框架上的水平力也可分解成与附着杆件垂直和平行的两个水平力，由于附着杆件两端铰接，不承受垂直方向的任何力，只承受杆件轴心拉压应力；而垂直该杆件轴心方向的力由与其成某角度的其他杆件承受，保证所有的力都可分解成杆件的轴向力。计算校核时只要考虑附着杆件的轴心受拉压情况，保证其强度和压杆稳定性即可。

2 附着装置平面布置分析

当采用刚性连接时，由于附着装置中的3个部分已成为一个整体，此时，不管附着装置布置成什么形状，每一组连接都能有效限制附着框架在水平面上的位移，只要整个装置强度足够，也能满足要求。

当附着杆件与附着框架、附着支座之间铰接连接时，有以下两种布置形式。

1）当附着装置按文章开头所述施工现场方式布置，附着杆件与附着框架、附着支座成大四边形结构（各连接点间距较大）。当采用铰接连接时，由于四边形的不稳定结构，附着框架可以在该水平面上大幅游动，不能阻止塔身的水平位移，附着装置失效。

2）当附着装置按说明书要求如图1所示布置时，附着杆件与附着框架、附着支座也成四边形结构，但其中附着支座有两点间距很小，只有300mm理论上应是重叠的，但工艺上不允许，近似三角形结构。此时，由于四边形结构的不稳定性和铰接连接的间隙等因素，附着框架仍可在水平面上小幅游动,但水平位移量能控制在塔身垂直度要求范围内，基本能有效控制塔身水平面上的位移，能满足要求。

图1 附着杆平面布置示意图

3 附着装置计算安装要求

1）根据JGJ 33-2012《建筑机械使用安全技术规程》和塔式起重机使用说明书的规定要求，塔机的附着装置必须将附着杆件与附着框架、附着支座三者用铰接连接，销轴平行塔身方向；且整个附着装置布置成两个或两个以上近似三角形结构，附着杆件的强度和稳定性满足使用说明书中给出的水平力要求即可。该方案计算简单，杆件受力较小，截面尺寸小，省材料，同时可重复使用，不管从节能减排还是从节约成本考虑，都应该首先选择该方案。

2）由于施工现场场地、周围环境等因素限制，无法采用方案1设置附着装置时，如建设厂房、展览馆等建筑，无法设置附着支座，可考虑选择较大独立高度的塔机代替。

3）如方案1和2都不能选择使用，则按图1方案设置附着装置（附着杆件与附着框架、附着支座刚性连接），在附着装置的设计计算时，必须计算校核每根附着杆件的强度和稳定性，要考虑杆件的弯矩和轴向力对杆件及其连接的作用。在使用过程中，必须每天对附着装置进行检查，如有异常，立即停止使用。由于该方案计算复杂，受力大，附着装置自重大，结构复杂，不适合采纳。

总而言之，对于特种设备的设计、制造、安装、改造、维修和使用，都必须严格按照有关法律、法规规范、标准等执行，避免事故的发生和财产的损失，同时应考虑节能减排的要求，为国家、社会多做贡献。