塔機超長距離附著技術研究

        某工程為一綜合性住宅小區的建設，由多幢多層和小高層建筑組成，其中10 號、11 號為兩幢25層高層建筑，最大高度約為100 m，塔機結構高度約為125 m，每4 層樓房（約16 m）加一道附著裝置，加至第23 層，共設5 道附著裝置。根據施工現場的工程需要，需在兩主樓之間架設1 臺QTZ63 系列5013型塔式起重機，塔機中心與建筑物外墻之間的附著距離為11.17 m，附著點開間跨距為16.34 m，其平面布置如圖1 所示。

        根據塔機生產廠家提供的標準，附著距離一般為3～5 m，附著點跨距為7～8 m[1，2]，遠不能滿足本工程的具體施工要求。針對附著距離較大的問題，我們參考了德國利勃海爾88 HC 型塔機附著距離長達11.6 m 的成功設計經驗[3]，提出QTZ63 系列5013型塔機超長距離附著裝置設計方案，具體如下。
1 附著裝置布置方案
        塔機附著裝置由附著框架和附著桿組成，附著框架多用鋼板組焊成箱型結構，附著桿常采用角鋼或無縫鋼管組焊成格構式桁架結構，受力不大的附著桿也可用型鋼或鋼管制成。
        根據施工現場提供的各層樓面頂板標高，按照QTZ63 系列5013 型塔式起重機的技術要求，需設5道附著裝置，以滿足工程建設最大高度100 m 的要求。附著裝置布置方案如圖2 所示，其中A、B、C 為3 桿，LA=10 800 mm、LB=11 320 mm、LC=14 200 mm。
 附著計算工況及附著桿內力計算
1.  附著裝置計算工況
        根據附著式塔機所受載荷、塔身內力及支反力的計算分析，對于附著裝置來說，應考慮以下兩種情況，如圖3 所示。
（1） 塔機滿載工作，起重臂順塔身X- X 軸或Y- Y 軸，風向垂直臂架。
（2） 塔機非工作工況，起重臂處于塔身對角線方向，風由平衡臂吹向起重臂（GB/T13752—1992 塔式起重機設計規范）。在實際使用中，塔機最上面一道附著桿受力最大[4]，本次設計只對最上面一道附著桿的內力進行計算分析。
2. 塔機滿載工作時附著桿內力計算[5]
        塔機正常工作狀態主要受到風載（塔臂）及回轉機構產生的轉矩作用。其中風載q 定義為：作用在塔機（包括吊重）單位長度上的載荷。根據文獻[4]中風載計算方法，并查QTZ63 系列5013 型塔式起重機技術參數，計算得出風載q=0.27 kN/m，故有：
Mf =1/2•q•l1²－1/2•q•l2² =                                 （1）
1/2×0.27×（50.16²－14.903² )=309.68 kN·m
Mh =fk(P/ω)=370.24 kN·m                                   （2）
式中：
Mf———由風載所產生的轉矩，kN·m；
Mh———由回轉機構所產生的轉矩,kN·m；
l1———工作臂架長度，m；
l2———平衡臂架長度，m；
f———塔機工況系數，f=1.71；
k———載荷換算系數，隨回轉支撐結構的不同選取不同值，此處k=3.676；
P———回轉功率，QTZ63 系列5013 型起重機
P=3.7 kW；
ω———回轉角速度，由QTZ63 系列5013 型塔式起重機主要技術參數表查得ω=0.6 r/min。
塔機滿載工作狀態時附著桿受力分析如圖4所示。
由圖4 附著桿受力分析和平面力系平衡方程ΣX=0，ΣY=0，ΣM=0，可得塔機滿載工作時附著桿傾角及內力如表1 所示。
3. 塔機非工作工況時附著桿內力計算[5]
當塔臂處于塔身對角線方向時，塔臂所受風載和自重對附著桿所產生的力影響最大，風載對塔身的影響可以忽略。塔機非工作工況時附著裝置受力簡化如圖5 所示，最上一道附著裝置3 根附著桿的受力分析如圖6 所示。

表1 附著桿夾角及內力
桿件  LA=10800 mm   LB=11320 mm   LC=14200 mm
角度  α=68.5°    β=62.6°      γ=45°
內力  F1=245 kN    F2=238 kN      F3=30 kN
由圖6 附著桿受力分析和平面力系平衡方程ΣX=0，ΣY=0，ΣM=0，可得塔機非工作工況時附著桿傾角及內力如表2 所示。
由上述兩種工作狀態下的附著桿受力計算可知C 桿受到的內力最大，因此只需驗證C 桿是否滿足強度及穩定性要求即可。
表2  附著桿夾角及內力
桿件  LA=10 800 mm   LB=11 320 mm   LC=14 200 mm
角度  α=68.5°     β=62.6°      γ=45°
內力  F1=- 51 kN    F2=238 kN      F3=270 kN
3 附著桿截面設計[5]
3.1 截面選擇
附著桿結構通常由型鋼(一般用角鋼) 通過綴條或綴板連接而成。在本工程中采用綴條連接方式, 截面形式如圖7 所示。附著桿結構參數：截面尺寸為420 mm×400 mm；附著肢件為等邊角鋼∠63×4；綴條為∠30×3；附著桿截面積A=19.92 cm2；慣性矩Ix=7 496.12 cm4，Iy=6 702.6 cm4；慣性半徑ix=19.4 cm，iy=18.3 cm。選用鋼材為Q235，取許用壓應力[σ]=215
MPa，屈服強度fy=235 N/mm2，對C 桿須進行整體穩定性驗算、局部穩定性驗算和單肢穩定性驗算。