林涌鋒 陳玉驥 劉善晴 麥毅康 梁嘉偉 包亮明

摘 要：本文對(duì)塔吊模型進(jìn)行研究，以竹皮為材料，從結(jié)構(gòu)比選論證、材料及方案選擇、設(shè)計(jì)計(jì)算、施工制作、荷載試驗(yàn)到優(yōu)化模型等過程，對(duì)塔吊模型進(jìn)行優(yōu)化分析。通過模型制作與加載試驗(yàn)，考察塔吊結(jié)構(gòu)模型的受力特征和承載能力，以觀察到特征分析模型的破壞特點(diǎn)，針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)對(duì)模型加以優(yōu)化。此外，利用Midas Civil對(duì)模型進(jìn)行模擬加載受力分析，并驗(yàn)證試驗(yàn)加載結(jié)果。最后，得出最優(yōu)荷重比的塔吊模型選型及其截面尺寸。

關(guān)鍵詞：塔吊模型；邁達(dá)斯建模；結(jié)構(gòu)分析

中圖分類號(hào)：TU318 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）17-0043-04

Structural Analysis and Optimization of Tower Crane Model

LIN Yongfeng CHEN Yuji LIU Shanqing MAI Yikang LIANG Jiawei BAO Liangming

Abstract： In this paper， the tower crane model was studied. With bamboo skin as the material， the tower crane model was optimized and analyzed from the process of structural comparison and selection， material and scheme selection， design calculation， construction production， load test and optimization model. Through the model making and loading test， the stress characteristics and bearing capacity of the tower crane structure model were investigated in order to observe the damage characteristics of the characteristic analysis model， and the model was optimized according to the single link. In addition， Midas Civil was used to simulate the loading of the model， and the loading results were verified. Finally， the model selection and section size of tower crane with optimal load ratio were obtained.

Keywords： tower crane model；MIDAS modeling；structural analysis

1 項(xiàng)目研究的目的

塔式起重機(jī)是高層建筑物施工不可或缺的設(shè)備，在土木工程建設(shè)中占有重要地位。本項(xiàng)目基于2017年廣東省結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽，以塔吊模型為對(duì)象，開展這種結(jié)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)，該研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程價(jià)值。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，按照最優(yōu)荷重比的目標(biāo)，在塔吊結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)中，培養(yǎng)了相關(guān)人員的開拓創(chuàng)新精神及塔吊結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化能力；在一次次結(jié)構(gòu)優(yōu)化和荷載試驗(yàn)中不斷提高觀察分析結(jié)構(gòu)響應(yīng)現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的能力，加深對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作的精神，為今后從事土木工建設(shè)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 方案比選

通過傳力路徑等結(jié)構(gòu)概念對(duì)模型體系進(jìn)行定性分析，了解各個(gè)體系的主要受力特征，討論設(shè)計(jì)塔吊結(jié)構(gòu)方案，選出3個(gè)較優(yōu)的方案。具體方案如下。

2.1 方案一

方案一的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該塔吊結(jié)構(gòu)高700mm，寬130mm，吊臂長度420mm，平衡臂長255mm。塔身是一個(gè)矩形，截面為140mm×130mm，總共分為4層，其中最上層高160mm。

本模型在吊臂及平衡臂上采用下承式懸臂構(gòu)造，利用拉條控制其下沉撓度；塔身采用桁架式結(jié)構(gòu)，中間用拉條進(jìn)行防失穩(wěn)加固，增強(qiáng)了模型的穩(wěn)定性。

2.2 方案二

方案二的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本方案采用斜拉平衡臂和吊臂的方式，使得自重比單純桁架結(jié)構(gòu)輕，也更好地利用了竹皮抗拉性能強(qiáng)的特點(diǎn)。塔身采用常規(guī)的桁架結(jié)構(gòu)，充分利用桿件受壓和竹拉條受拉，以提高塔身的穩(wěn)定性。此外，用斜桿固定豎桿，不讓其失穩(wěn)[1]。

模型底座約束了豎直、水平和轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，所以底座是固定支座，平衡臂和吊臂的竹拉條相當(dāng)于鉸結(jié)點(diǎn)，充分利用了拉條的靈活性，也增大了抵抗彎矩的能力。

2.3 方案三

方案三的結(jié)構(gòu)如圖3至圖6所示。

第三個(gè)方案選型基本與方案二相同，不同的是，此方案中的平衡臂稍微往上翹起，有利于一級(jí)加載時(shí)避免平衡臂受力過大而被破壞。

通過討論分析，我們決定對(duì)方案三進(jìn)行模型優(yōu)化。

3 模型優(yōu)化

3.1 模型特色

本模型的特色在于模型的上部分平衡臂和吊臂處的拉條及塔尖的設(shè)計(jì)。在拉條的作用下，將平衡臂和吊臂處的豎向荷載通過塔尖的斜撐桿和豎撐桿很好地傳遞到模型下部的支撐部分，形成一個(gè)完整的傳力體系。此外，拉條的使用而使平衡臂和吊臂處的桿件均受軸力作用。豎向荷載通過斜撐桿和拉條直接傳到塔身再傳到基礎(chǔ)，故模型具有傳力路徑短的優(yōu)勢(shì)。

3.2 設(shè)計(jì)思路

加載共分3級(jí)進(jìn)行。第1級(jí)荷載，在塔吊的平衡臂（短段）及吊臂（長段）安置加載用的加載條及掛鉤，平衡臂處的配重100N；第2級(jí)荷載，在吊臂端施加重量30N；第3級(jí)荷載，在吊臂端施加自選的重量80～120N（此重量已經(jīng)包括之前的30N）。此外，還有撓度的要求（平衡臂和吊臂加載時(shí)的垂直向下?lián)隙萕）。為了滿足設(shè)計(jì)要求，模型的長端和短端都會(huì)翹起一個(gè)角度，這主要是為了降低加載時(shí)的下降撓度。

對(duì)于模型塔頂，在豎向荷載作用時(shí)，兩端的桿件受壓，容易出現(xiàn)壓桿失穩(wěn)的現(xiàn)象。對(duì)于側(cè)向的失穩(wěn)，我們采用了貼條的方式；對(duì)于豎向失穩(wěn)，短端桿件長度短，不易失穩(wěn)，只采用分段的方式來增強(qiáng)短端壓桿每段的剛度。而長端壓桿長，豎向失穩(wěn)現(xiàn)象嚴(yán)重（壓桿中心處最明顯），因此，我們?cè)趯簵U分段的前提下還增加了2根三角桿作用在2壓桿的中心，且在連接時(shí)用貼條黏合，這樣上下兩個(gè)方向的失穩(wěn)都可以控制[2]。

對(duì)于模型塔身，為滿足設(shè)計(jì)要求，4根支撐桿（壓桿）之間用小三角桿撐開。由于手工制作的誤差，模型塔頂兩處加載點(diǎn)很難對(duì)中，其長端和短端處兩拉條的拉力不等，這就使模型整體不均勻扭轉(zhuǎn)，故而在塔身采用側(cè)向拉條來防止模型扭轉(zhuǎn)過大而被破壞。以此思路設(shè)計(jì)了二維受力的塔吊模型。

3.3 材料截面選擇

3.3.1 材料試驗(yàn)。為了使得結(jié)構(gòu)能承載荷載目標(biāo)值的同時(shí)，整個(gè)模型的自重相對(duì)較輕，又能提高試驗(yàn)效率，我們對(duì)不同尺寸和不同層數(shù)的桿件進(jìn)行測(cè)試。桿件的尺寸及對(duì)應(yīng)的荷載見表1。

3.3.2 截面優(yōu)化。通過對(duì)模型不斷加載試驗(yàn)后，得出較為合理的桿件尺寸，如表2所示。

由圖7至圖9可知，在加載時(shí)，長臂桿及平衡臂桿會(huì)產(chǎn)生彎矩；近平衡臂下豎桿在一級(jí)加載時(shí)承受較大壓力，后由于二級(jí)加載平衡了一部分；近吊臂下豎桿在一級(jí)加載時(shí)主要承受拉力后在二、三級(jí)加載中變?yōu)閴毫?；上豎桿承受的壓力隨著加載的進(jìn)行而不斷增加；斜撐桿主要承受壓力。邁達(dá)斯建模模型受力情況與前面試驗(yàn)加載情況相符。

4 項(xiàng)目實(shí)施過程中存在的問題及原因分析

①實(shí)際加載的荷載有可能超出桿件模擬計(jì)算出來的值。因?yàn)樵趯?shí)際制作中，模型制作存在一定的手工工藝誤差，加上材料存在偶然性，有些桿件所能承受的荷載值低于設(shè)計(jì)值。此時(shí)，就要在制作上要認(rèn)真負(fù)責(zé)對(duì)待，細(xì)心制作好每一根桿件。此外，還要檢查好材料的完整性，避免出現(xiàn)材料存在缺陷，導(dǎo)致模型應(yīng)力過于集中。

②吊臂與塔身連接部分加載時(shí)彎曲較大。因?yàn)?條柱都要先后承受壓力和拉力，所以必須貼片，從而使節(jié)點(diǎn)變成剛性節(jié)點(diǎn)，吊臂產(chǎn)生撓度，變形產(chǎn)生彎矩傳到柱子，受壓側(cè)的柱子就會(huì)彎曲變形，承載力下降。

③節(jié)點(diǎn)處理不好發(fā)生節(jié)點(diǎn)破壞。手工拼接難免導(dǎo)致本應(yīng)該是軸心受壓有時(shí)發(fā)生偏心連接。在制作完成后，應(yīng)該對(duì)模型的敏感部位或者重要受力點(diǎn)進(jìn)行檢查復(fù)核，減少不必要的錯(cuò)誤。

④塔吊模型加載時(shí)有一定的撓度和變形，在節(jié)點(diǎn)處形成彎矩，對(duì)模型受力產(chǎn)生較大影響，所以要預(yù)先考慮模型的變形，在制作時(shí)就調(diào)整桿件的交匯點(diǎn)位置，確保在加載時(shí)模型變形后力交匯在一點(diǎn)，減小變形的影響，使受力合理。

5 項(xiàng)目實(shí)施過程中創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力方面的收獲

①在研究方面，要勤于動(dòng)腦。創(chuàng)新試驗(yàn)不是一個(gè)普通的試驗(yàn)，在創(chuàng)新的過程中，要依據(jù)書籍。本文的研究是一個(gè)新的領(lǐng)域，因此，筆者需要為自己尋找書籍，了解試驗(yàn)原理，確定創(chuàng)新方向。在創(chuàng)新過程中會(huì)遇到很多問題，這時(shí)就要認(rèn)真思考。

②在創(chuàng)新方面，筆者必須首先確定創(chuàng)新的方向和目標(biāo)。要始終關(guān)注創(chuàng)新，絕不能背離主題，也不能隨意猜測(cè)。必須根據(jù)目的提出猜想，然后通過試驗(yàn)來驗(yàn)證猜想。

③對(duì)本文設(shè)計(jì)的塔吊模型而言，其是理論與實(shí)際的結(jié)合，當(dāng)討論模型選型時(shí)，要定出一個(gè)摸索方向，這個(gè)方向是設(shè)計(jì)人員思考、動(dòng)腦、討論和思想碰撞的結(jié)果。模型制作更是重中之重，要思考每一根桿件的相互拼接，每根桿件的細(xì)心制作都極大地鍛煉了設(shè)計(jì)人員的毅力，使其思考問題更加全面。

④由于模型制作和試驗(yàn)需要花費(fèi)大量的時(shí)間，所以必須要有一個(gè)高效率的實(shí)施方法?？紤]到塔吊模型需要解決力臂這個(gè)大難題，設(shè)計(jì)人員將塔吊分為吊臂和塔身上下兩部分，在保證上部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)理想方案后，再結(jié)合下半部分進(jìn)行整體試驗(yàn)，避免反復(fù)試驗(yàn)時(shí)造成塔身被破壞。

參考文獻(xiàn)：

[1]李廉錕.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]孫訓(xùn)方.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2010.