塔式起重機塔身標準節(jié)接頭結構型式分析

文朝輝，王永新WEN Zhao-hui, WANG Yong-xin(.湖北江漢建筑工程機械有限公司，湖北 荊州 43400；.山東電力建設第一工程公司，山東 濟南 503)

塔式起重機塔身標準節(jié)接頭結構型式分析

文朝輝1，王永新2
WEN Zhao-hui, WANG Yong-xin
(1.湖北江漢建筑工程機械有限公司，湖北 荊州 434020；2.山東電力建設第一工程公司，山東 濟南 250131)

[摘 要]從結構設計、工藝性、經濟性等方面著手，對塔式起重機常用塔身接頭型式逐一進行全面對比分析，指出其連接方式的結構特點及應用范圍，為塔式起重機塔身接頭設計選型提供參考依據。

[關鍵詞]塔式起重機；塔身；標準節(jié)；接頭

1 概 述

塔式起重機（以下簡稱塔機）是廣泛應用于各類建筑、水利、電力、橋梁、造船等工程建設領域中最重要的物料提升設備。隨著建構筑物的不斷增高，物料的提升高度相應增加，這就要求塔機的起升高度必須隨之增高，才能把物料吊運到相應作業(yè)面高度。起升高度的增高可通過在已有塔身基礎上，逐漸增加標準節(jié)來實現的，這也體現了塔機不同于其他起重設備的突出優(yōu)勢。

為將新增加的標準節(jié)與原有塔身標準節(jié)可靠地連接在一起，標準節(jié)之間的連接，除接頭應互相匹配外，還應滿足一定的要求，如連接方式必須可靠、操作簡單方便等，這是因為塔機的增高和降低十分頻繁的緣故。從以上可以看出，塔身標準節(jié)是整個塔機上重要的結構部件，無論設計制造，還是安拆使用，接頭的結構型式都占有極其重要的地位；與此同時，為控制接頭的制造和使用成本，使其具有較好的經濟性，還應兼顧接頭具有較好的加工工藝性。為保證上述要求，現根據塔身標準節(jié)主弦桿的結構型式、整機起重力矩方面等多方面因素，對常見的標準節(jié)連接接頭結構在設計、工藝性、經濟性、使用等方面進行總結與探討，為塔機塔身接頭的設計選型提供參考依據。

2 標準節(jié)接頭典型結構

國內外塔機生產廠家眾多，產品規(guī)格及型號亦千差萬別，其中最為典型的區(qū)別體現在塔身結構型式的多種多樣，且各自獨具特色。例如：Liebherr公司的HC系列塔機，均采用矩形斷面鋼管焊接結構塔身；Potain公司的TOPKIT系列塔機，其中包括我國引進技術大量生產，并為大家所熟知的F0/23B、H3/36B塔機，其塔身主弦桿、腹桿均采用角鋼制成；Linden公司早期的8000系列塔機，其塔身標準節(jié)均采用圓鋼管結構等。無論采用哪種型式的主肢截面，都是生產廠家根據自身條件，經過多年的更新換代，逐漸形成了自身的傳統與優(yōu)勢，并傳承至今，這也是塔機模塊化設計發(fā)展的必然結果。

塔身標準節(jié)主要由主弦桿、腹桿、連接接頭及塔身通道等零件組成。主弦桿可直接采用各種軋制型鋼，也可由軋制型鋼或鋼板組合焊接而成。常用的型鋼有角鋼、圓管、實心圓鋼、方管、H型鋼等多種，有時由于型鋼尺寸或截面特性不符合設計要求，也可采用焊接拼接截面，如焊接方管、焊接H型鋼等，采用何種主肢截面取決于塔機的起重性能、供貨條件、經濟效益及開發(fā)系列產品的規(guī)劃和需要。

塔身各相鄰標準節(jié)通過主弦桿上的接頭相互連接，因此主弦桿的截面類型在很大程度上決定了所能采用接頭的合理結構型式。根據組成標準節(jié)接頭連接件的不同，常見塔機標準節(jié)接頭一般可分為高強度螺栓連接、銷軸連接、瓦套連接3種連接方式。

2.1 高強度螺栓連接

高強度螺栓連接又可分為2種型式，即摩擦型螺栓連接和承壓型螺栓連接，其中摩擦型螺栓連接制造工藝簡單、工作性能可靠、成本低廉，頗為生產廠家和廣大用戶所青睞，特別以中小型塔機應用最為廣泛。

摩擦型螺栓連接有以下優(yōu)點：連接螺栓采用較大的預緊力，能保證相鄰標準節(jié)間的端面能緊密接觸，最大程度消除了節(jié)間的間隙，進而保證了塔身的整體剛度；能減小或消除標準節(jié)因制造原因產生的誤差對塔身的影響；加工簡單，工藝要求不高，安裝方便快捷；被連接零件通過焊接與主弦桿母材相連接，對母材無削弱，無需對連接部位進行特殊加強處理。這些特點恰恰是某些銷軸連接所不具備的。

其缺點是：在使用M30以上高強度螺栓時，人力擰緊有一定困難，需借助專用工具才能擰緊；多個螺栓連接必須考慮連接時螺栓受力不均以及高空安裝作業(yè)空間有限等。

因接頭具體結構型式的差異，摩擦型高強度螺栓連接接頭方式有各自適合的使用范圍，按目前實際使用情況說明如下。

圖1所示接頭結構由單角鋼、螺栓套焊接而成。因主肢為單角鋼，一般可布置2個螺栓，通過合理布置螺栓位置，可使螺栓承拉時對主肢產生的局部彎矩較?。皇芙卿撔吞柎笮〉南拗?，采用這種接頭型式的塔機，其起重力矩通常不會很大，一般在100tm以下為宜。

圖2接頭結構由單角鋼、厚板焊接而成。這種接頭的螺栓布置在角鋼內部，受結構本身的制約，不宜使用2個及以上的連接螺栓。這種接頭在受拉時，會對主肢有較大的局部偏心彎矩，因此采用這種接頭的塔機其起重力矩更小，一般在50tm以下為宜。

圖3、圖4及圖5接頭結構由方管或圓管、螺栓套焊接組成。主弦桿可為方形或圓形，在其外圍可布置更多的螺栓套，連接的承載力可以更大，應用范圍更廣?？紤]到主弦桿外緣一般作為頂升時的導向軌道，故一般最多能布置3～4個螺栓套，塔機起重力矩一般控制在250tm以下為宜。圖3所示2個螺栓的合力作用線不在主弦桿截面形心位置，受載時會對主肢產生較大的局部偏心彎矩，因此，這種布置方式就顯得不太合理，較合理的布置形式如圖4及圖5所示。

圖1 螺栓連接接頭一

圖2 螺栓連接接頭二

圖3 螺栓連接接頭三

圖4 螺栓連接接頭四

圖5 螺栓連接接頭五

圖6 螺栓連接接頭六

圖6接頭結構由H型鋼和若干豎向筋板等組成，螺栓處于主弦桿的內部，不影響主弦桿外緣作為頂升套架軌道使用，另外當主弦桿受力較大時，要求的H型鋼截面積也相應較大，主肢外形尺寸也隨之增大，主肢內部可布置4個或6個甚至更多數量的螺栓，接頭的承載力更大，但螺栓布置受擰緊螺栓時扳手所需空間的限制，因此該結構不適合小噸位塔機，應用在300tm以上的塔機較為合理。

圖7接頭結構由H型鋼和厚板焊接組成，螺栓也處于主弦桿內部，可布置2個以上的螺栓，但如厚板與主肢之間沒有加強措施，則接頭的承載力有限，在同等情況下接頭的承載力弱于圖6接頭，該結構適合200～500tm左右的塔機。

承壓型螺栓連接方式見圖8，這種結構承載的基本原理是通過螺桿剪切面來傳遞外力，螺桿與孔為較小間隙的精制孔配合。為傳遞較大的外力，則需采用數量較多的螺栓；但為使安裝簡單方便，則螺栓數量不宜過多，因為螺栓數量越多，螺栓之間的受力也越不均勻；螺栓孔的尺寸精度、位置精度要求也更高，這些特點決定了接頭加工工藝復雜、煩瑣；另外因承壓螺栓數量多，安裝也比較困難，故該結構一般建議用于200tm以內的塔機為宜。

圖7 螺栓連接接頭七

圖8 螺栓連接接頭八

2.2 銷軸連接

銷軸連接的原理是通過承壓和剪切來傳遞主弦桿內力，力的傳遞路線十分簡單明確。為減少軸孔間隙對塔身的影響，配合精度要求較高。為傳遞主弦桿內力，此類結構一般需有額外的魚尾板或榫頭等連接附件。有些連接結構銷軸貫穿母材，會對母材造成削弱，因此，在母材開孔部位必須補強。與螺栓連接結構比較，銷軸連接結構較為復雜，工藝要求高，成本自然也相對較高。另外，對銷軸表面處理有較高要求，否則一旦生銹，再次安裝、拆卸將非常困難。

圖9所示結構由角鋼、內外魚尾板或厚板、銷軸等共同組成，適合于單角鋼結構，因受角鋼型號限制，單角鋼主弦桿承載能力有限。為保證兩銷軸承載均勻和安裝方便，魚尾板及孔等尺寸、位置精度要求較高，工藝成本較高。該結構適合于中等以上噸位塔機，一般在60～300tm左右為宜。

圖10所示結構由平行布置的雙角鋼、內外板和銷軸等共同組成，因銷軸剪切面比圖1所示結構多，再加上雙角鋼的緣故，其承載能力比圖9所示結構大，但該結構的缺點是：平行并列布置的雙角鋼被遮擋的內側面防腐處理困難，各尺寸、位置精度要求更高。因此，出于成本上的考慮，此類結構一般用于較大噸位的塔機，如300～600tm。

圖9 銷軸連接接頭一

圖10 銷軸連接接頭二

圖11所示結構由方管、方榫頭和銷軸等共同組成，適合于方管結構，因榫頭處主肢開孔較多，截面削弱較大，母材局部必須補強；榫頭通常采用高強度材料鍛后加工，孔精度要求也高，因此這類接頭的成本較高。采用該類接頭的塔機通常噸位較大，一般在300tm以上。

圖12所示結構由連接板或方榫頭和銷軸等共同組成，適合于H鋼結構，連接板或榫頭通常采用高強度材料鍛后加工，與圖11接頭類似，成本也較高。另外，這種主弦桿不限于采用成型H型鋼，也可以采用鋼板焊接組成的H型鋼，因此，采用該類接頭的塔機更大，一般在400tm以上。

圖11 銷軸連接接頭三

圖12 銷軸連接接頭四

圖13所示結構由連接耳板、連接板、銷軸等共同組成，適合于圓鋼截面主弦桿，連接板采用高強度材料鍛后加工。因實心圓鋼回轉半徑較小，為保證主弦桿的穩(wěn)定性，必須采用較大直徑的圓鋼，以獲得較大的單肢計算長度，因此采用該類接頭的塔機通常起重力矩較大，一般在500tm以上。

2.3 瓦套連接

瓦套連接其實也是螺栓連接的一種，但因其連接構造特殊，與其他螺栓連接有很大的區(qū)別，所以單獨列出分類。

瓦套連接亦稱之為瓦套法蘭盤連接，也形象地俗稱為哈夫抱瓦連接，最早見于Linden 8000系列平頭塔機。該系列塔身標準節(jié)均采用無縫鋼管焊接而成，標準節(jié)之間的連接構造頗為獨特（如圖14）：每兩節(jié)塔身標準節(jié)主弦桿接頭之間上下相對，相對的主弦桿接頭之間通過法蘭盤式端頭的端面相對接，其外圍用2個半圓的、帶有臺階式子口的抱瓦卡固，然后再用4個直徑較小的普通螺栓加以緊固（哈夫，即英語half的音譯，此即俗稱的由來）。接頭螺栓采用內六方扳手即可安裝，故安裝簡單，且迅速方便，但抱瓦和接頭體的加工精度要求高。這種塔身接頭連接的特點是：上下兩端構造完全相同，通過法蘭盤端面和抱瓦子口構造傳力，據試驗，采用這種連接構造最大可傳遞多達200t的軸力，因此采用該類接頭的塔機通常為大型或超大型塔機。

圖13 銷軸連接接頭五

圖14 瓦套連接接頭

3 標準節(jié)接頭結構設計及選型注意事項

在結構有限元軟件十分普及的今天，和以往傳統的手算相比，對塔機整機結構進行電算分析也并非是很困難復雜的工作。眾所周知，節(jié)點設計是鋼結構計算中的重點和難點，而塔機塔身接頭結構復雜，且活動可拆卸，更是節(jié)點設計中的重中之重：塔身整體結構的電算可選擇合適且相對簡單的梁桿單元進行有限元簡化計算，而要進一步對接頭進行更為詳細深入的細部計算，需建立較為復雜的三維實體單元模型，再加上目前在螺栓連接、銷軸連接等方面的理論研究仍存在較大的爭議，至今沒有定論，完善的計算方法還在不斷摸索中，從而無法驗證有限元計算結果的正確性，因此在接頭設計上，應在不斷總結吸收以往成熟經驗的基礎上，采取手算和電算相結合的辦法進行對比分析。

塔身標準節(jié)主弦桿及接頭承受載荷的大小及方向是變化的，產生的應力為交變應力，直接影響到塔身及整機的疲勞壽命；在標準節(jié)主弦桿與接頭過渡連接處，其截面變化明顯，必然存在應力集中現象，按照相關規(guī)范的要求，對包括接頭在內的塔身進行疲勞強度計算顯得尤為重要。為了防止結構疲勞破壞，在一些關鍵部位應采取適當的構造措施，盡可能減小甚至消除應力集中。

塔機塔身標準節(jié)的安裝與拆卸為高空作業(yè)，且較為頻繁。統計數據表明，安裝、拆卸時發(fā)生的事故在塔機事故中占有很大的比例，且絕大多發(fā)生在增加或拆卸塔身標準節(jié)前后，因此，接頭的設計選型應在保證受力符合規(guī)范的前提下，把安全放在第一位。在結構的構造設計上，應注意精打細算，精益求精，節(jié)點構造力求更為簡潔，盡可能減少零部件的數量及重量。在外觀處理上，不應強求對稱美觀和工藝方便。

4 結 語

塔機塔身標準節(jié)接頭結構型式的選擇及設計沒有一成不變的固定模式，應根據塔機的類型、用途、起重性能、產品定位及遠景規(guī)劃，并汲取以往經驗等因素綜合考慮、衡量，尤其要根據生產廠家自身現有的制造條件，以及工藝性、經濟性等方面因素全面權衡和綜合分析，并結合產品系列化、模塊化的要求，再做出最終選擇。

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（編輯 賈澤輝）

［中圖分類號］TU212；TH213.3

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)03-0036-05

［收稿日期］2015-01-25

Analysis of tower crane standard section joint structure