李偉，張騫

(鄭州科潤機(jī)電工程有限公司，鄭州 450015)

0 引言

FZQ系列自升塔式起重機(jī)(以下簡稱塔機(jī))適用于電站、石化、冶金、交通等大型建筑的施工和設(shè)備安裝，同時也適用于超高層民用鋼結(jié)構(gòu)建筑施工和橋梁建設(shè)。該塔機(jī)采用動臂變幅、上部回轉(zhuǎn)、上頂升機(jī)構(gòu)，具有起重量大、作業(yè)范圍廣、起升高度大、抗風(fēng)能力強(qiáng)、自身質(zhì)量小等特點(diǎn)。

為滿足上海外高橋發(fā)電有限責(zé)任公司2×1 000 MW機(jī)組的施工需要，某電力公司委托鄭州科潤機(jī)電工程有限公司對其在用的FZQ600型自升塔機(jī)進(jìn)行了塔身加高設(shè)計及新增塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、附著節(jié)、附著裝置的制造。

1 附著式塔機(jī)塔身的計算

附著式塔機(jī)塔身主要承受的載荷有：塔身在臂根鉸接截面受有回轉(zhuǎn)部分全部質(zhì)量產(chǎn)生的軸向力N，起重臂及物品與平衡臂及配重產(chǎn)生的不平衡彎矩M，回轉(zhuǎn)部分產(chǎn)生的扭矩T，塔機(jī)回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的水平慣性力FH，風(fēng)壓pW。

1.1 強(qiáng)度計算

附著式塔身的強(qiáng)度一般按帶懸臂的多跨連續(xù)梁計算，附著裝置相當(dāng)于一個剛性支點(diǎn)[1]。研究表明，在各附著點(diǎn)之間的桿件內(nèi)力分布比較復(fù)雜，與附著裝置的相對剛性密切相關(guān)。經(jīng)理論分析與試驗(yàn)證明，不論支撐如何，對等截面塔身的最危險截面是在最高附著截面處，該處內(nèi)力與支承情況無關(guān)，所以可以簡化為只計算塔身最危險截面處的強(qiáng)度[2]。

1.2 穩(wěn)定性計算

FZQ系列塔機(jī)為上回轉(zhuǎn)的獨(dú)立式塔身，可看作上端自由、下端固定的等截面柱，按壓彎構(gòu)件進(jìn)行整體穩(wěn)定性和單肢穩(wěn)定性計算。附著式塔身的臨界載荷值受附著裝置的影響很大，與附著裝置的數(shù)量、位置和剛性都有密切關(guān)系。在一般設(shè)計中，對附著式塔身的穩(wěn)定性做了近似計算，即只考慮最上面一道附著裝置的作用(圖1中I-I截面)，這樣計算結(jié)果較為安全。圖1為附著式塔身穩(wěn)定性計算簡圖，其計算長度為μl(μ是長度系數(shù)；l為塔身的實(shí)際長度)。

圖1 塔身穩(wěn)定性計算

1.3 剛性計算

根據(jù)GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》的要求，塔式起重機(jī)在額定起升載荷作用下，塔身在臂架連接處或臂架與轉(zhuǎn)柱連接處的水平靜位移應(yīng)不大于1.34h/100 。其中h為塔身自由高度，對自行式塔式起重機(jī)而言，h為臂架連接處至軌道頂面的垂直距離；對附著式塔式起重機(jī)而言，h為臂架連接處至最高一個附著點(diǎn)的垂直距離[4]。

2 附著式塔機(jī)塔身有限元計算

2.1 FZQ600塔機(jī)的附著參數(shù)

FZQ600塔機(jī)原設(shè)計為3層附著，3層附著點(diǎn)高度(離地)依次為：32.29，53.09，75.09 m；加高設(shè)計后4層附著點(diǎn)高度(離地)依次為：22.49，49.49，70.49，100.49 m，各層附著點(diǎn)以上的最大懸臂尺寸如圖2所示。

圖2 塔身各層附著點(diǎn)參數(shù)

2.2 塔身強(qiáng)度的有限元計算

FZQ600塔機(jī)針對不同的附著狀態(tài)，在承受上述載荷的情況下，都有一種對結(jié)構(gòu)最不利的危險工況：1層附著狀態(tài)最大應(yīng)力發(fā)生在幅度16.5 m、起重量400 kN、臂架0°、平行風(fēng)時工況；2層附著狀態(tài)最大應(yīng)力發(fā)生在幅度16.5 m、起重量400 kN、臂架45°、平行風(fēng)時工況；3層附著狀態(tài)最大應(yīng)力發(fā)生在幅度16.5 m、起重量400 kN、臂架0°、平行風(fēng)時工況；4層附著狀態(tài)最大應(yīng)力發(fā)生在幅度30 m、起重能力200 kN、臂架0°、垂直風(fēng)時工況。各層附著狀態(tài)下的最大應(yīng)力見表1。

表1 各層附著狀態(tài)下的最大應(yīng)力

不同的附著狀態(tài)下，使用ALGOR建立相對應(yīng)的有限元模型，施加相應(yīng)的載荷，經(jīng)有限元分析計算后，各層附著狀態(tài)下的復(fù)合應(yīng)力如圖3～圖6所示。

圖3 1層附著時塔身最大合成應(yīng)力

圖4 2層附著時塔身最大合成應(yīng)力

圖5 3層附著時塔身最大合成應(yīng)力

圖6 4層附著時塔身最大合成應(yīng)力

由有限元計算結(jié)果可知，弦桿應(yīng)力最大區(qū)域僅限于附著點(diǎn)處很小范圍，并且計算應(yīng)力沿弦桿長度方向迅速降低，這是由于計算時將附著框與塔身接觸處簡化為點(diǎn)接觸，引起弦桿局部計算彎曲應(yīng)力值較實(shí)際應(yīng)力值偏大。因此，可認(rèn)為塔身弦桿實(shí)際應(yīng)力滿足規(guī)范中許用應(yīng)力要求。

2.3 塔身剛性的有限元計算

FZQ600塔機(jī)的塔身端部在不平衡彎矩、水平慣性力和風(fēng)載荷的作用下產(chǎn)生水平方向的側(cè)向位移，位移大小應(yīng)滿足GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》的要求，否則塔機(jī)有傾覆的危險。塔身端部最大變形的計算工況與強(qiáng)度計算工況相同，塔身端部在各工況下的最大位移統(tǒng)計見表2，各層附著狀態(tài)下的塔身端部最大位移變形如圖7～圖10所示。

表2 塔身端部在各工況下的最大位移

圖7 1層附著時塔身端部的最大位移

圖8 2層附著時塔身端部的最大位移

圖9 3層附著時塔身端部的最大位移

圖10 4層附著時塔身端部的最大位移

3 附著式塔機(jī)塔身加高后的安裝

由于塔機(jī)加高后第2層與第3層、第3層與第4層附著點(diǎn)間距過大(分別為27，30 m)，在安裝第2層及第4層附著裝置時，塔身的最大懸臂高度將達(dá)到10～11節(jié)，超過了原塔機(jī)允許的安裝懸臂高度(9節(jié))，所以在塔身頂升接高超出允許的高度時，超出的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)不能用塔機(jī)自身吊裝，而應(yīng)將塔機(jī)上部頂升部分調(diào)整到平衡狀態(tài)，輔以其他方式(如輔助卷揚(yáng)機(jī)、輔助起重機(jī)等)吊裝。塔身的接高程序及其他各部件的安裝按原塔機(jī)圖紙資料及安裝使用說明書進(jìn)行。

4 結(jié)論

(1)借助ALGOR軟件對FZQ600塔機(jī)塔身加高的有限元分析，可知塔身弦桿的最大復(fù)合應(yīng)力發(fā)生在最上層附著位置處，此處由于有限元模型的處理與結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)有差異，引起弦桿局部應(yīng)力較大。實(shí)際結(jié)構(gòu)弦桿與附著框通過滑塊連接，受力接觸面積較大，因此可認(rèn)為塔身弦桿實(shí)際應(yīng)力滿足規(guī)范中許用應(yīng)力要求。

(2)塔身加高后，在保證整機(jī)各部件完好并嚴(yán)格按原設(shè)計參數(shù)及工況工作的情況下，能滿足安全使用的要求。

(3)基于ALGOR的FZQ600塔機(jī)塔身加高有限元分析，為FZQ系列塔機(jī)加高分析提供了可靠的計算依據(jù)。鑒于ALGOR軟件具有操作方便和計算準(zhǔn)確的特點(diǎn)，可以參照此方法對其他形式的塔機(jī)結(jié)構(gòu)加高設(shè)計進(jìn)行有限元分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐格寧.機(jī)械裝備金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]張質(zhì)文，王金諾，程文明.起重機(jī)設(shè)計手冊[M].2版.北京:中國鐵道出版社，2013.

[3]顧迪民.工程起重機(jī)[M].2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1988.

[4]GB/T 3811—2008起重機(jī)設(shè)計規(guī)范[S].