何正春
浙江省特种设备科学研究院 浙江杭州 310020
摘 要：如今高层建筑工程的建设发展非常迅速，因而附着式塔式起重机得到了较好的应用。这种机械设备主要是进行垂直运输，运输量很大且使用频率较大，因此其塔吊的稳定性非常关键。在使用过程中如果需要的塔吊高度比其独立工作高度的最大值还大，就需要使用附墙结构约束塔身，这样才能更加稳定。附墙结构的性能对塔身约束的效果有关联，进而影响塔身稳定性。所以，本文从附墙结构刚度的角度出发，分析其对塔身稳定性的影响。
关键词：稳定性；塔式起重机；附墙刚度
在建筑工程建设中，通常在材料、构件等的装卸、提升、搬运作业中会使用到塔式起重机，是非常重要的机械设备。在结构上具有笔直的塔身，上部安装有起重臂，可以垂直起吊。在起吊的高度达不到实际要求时，就需要借助附着结构，附墙能够使塔身得到保护，保证作业过程的安全稳定，因此附墙的刚度因素会对塔机的塔身稳定性产生一定的影响。
1.附墙结构受力分析
塔机附墙结构主要是对塔身起到约束的作用，使塔身的工作稳定性更高，能够承受塔机上部结构的自重以及外部荷载。塔机在使用的过程中，由于高度会不断增加，为了能够使塔身的稳定性更好，需要利用附墙结构传递外力，因此附墙结构的性能和受力会对塔身的稳定性产生影响。需要对附墙结构的受力情况进行分析和计算，然后才能够判断结构刚度具体产生的影响。
附墙结构所承受的外力经过分解后可以看作沿坐标轴x方向的水平作用力Fx和沿y轴方向的垂直作用力Fy还有附着结构绕z轴旋转的扭矩M。一般来讲，附墙结构中框架材料刚度和各附着杆的材料刚度比值较大，在分析计算时，以框架刚度为主，误差范围能够满足计算精度的要求。附墙结构的内力计算等同于静定结构求解，通过力矩平衡原理就可以得出各单位力作用下附墙结构所受内力大小。
2.塔机有限元模型简化
在有关国家标准规范中有明确的规定，关于塔机承载结构部件钢材的受力变形要保证在任何状态下都符合弹性变形的范围。塔机在作业过程中，由于受力的情况较为复杂，对其塔身稳定性影响因素的分析，只采用线性分析可能会使计算结果出现较大的偏差，因此还需要使用非线性分析。
由于塔机结构组成的复杂性，在建立有限元分析时为了能够使效率更高，需要科学的简化模型。简化时需要注意，附墙钢结构应当按照其准确的尺寸细致绘制并拼装成有限元分析模型，而细小构造对计算结果影响很小的就可以简化。在建立的回转结构模型简化时，由于相比较塔机整体来讲，结构尺寸非常小，质量是较为集中的，而且能够较好的抗变形，在建模时可以简化为能够集中施力的刚性单元节点。对于塔身模型建立的简化时，塔身的构成主要是标准节组装，材料刚度较大且承载能力较强，是塔机上部结构部件的主要支撑体。塔身要有足够的刚度，可以承受外部荷载带来的倾覆力矩，这样塔机使用过程中才能有更好的安全稳定性。所以，模型建立中需要对塔身节点进行约束。附墙结构在塔机使用过程中的受力变形主要是轴向拉伸，支撑体可以简化成二力杆，另外其他结构像平衡臂、起重臂以及塔帽可以简化成线体。
3.边界条件处理
在建立塔机的有限元模型时得知，塔身要能够承受作业过程中由于外部荷载而引起的倾覆力矩，因此对于塔身主弦杆底部节点需要加以约束，标准节之间的连接是刚性连接，附墙结构的两侧与建筑物和塔身分别进行基座铰接，节点的平动自由度需要加以约束。另外，塔机在作业过程中需要承受外部荷载和自重，要想对塔身稳定性影响因素进行有效的分析，施加外部荷载是不可缺少的。塔机自重包含电气设备、自身钢结构、作业过程中一直在某一部件上的物料，在不使用时塔机的自重是静态的，而在作业过程中，结构由于会出现振动，自重会存在动载效应，这时模型软件对于自重的计算需要增加一个相应的系数，在其中定义一个荷载模式，对于重力可以进行自动计算。另外，考虑风荷载参数对塔身稳定性的影响，由于空气流动在遇到工程结构时会在其表面形成力的作用，这就是风荷载。在塔机作业过程中，由于环境是处在外部露天，所以风荷载是必然存在的。在建立的模型中施加风荷载可以等效为静力荷载后再施加其他塔机结构。
4.塔身稳定性分析
对塔身稳定性分析比较常用的方法是线性屈曲分析和非线性屈曲分析，线性屈曲分析主要是以初始结构形态为参照，通过小位移的线性原理分析，然后可以得知对应屈曲荷载影响因子。非线性屈曲分析主要是通过刚度矩阵对其结构变形后的形态进行建立，然后得出对结构稳定性影响的作用力。线性屈曲分析主要是通过结构特征方程来计算求解，从而得出结构在出现屈曲时的临界荷载和破坏形态。非线性屈曲分析则是依照势能原理，得出结构在某一时刻的非线性平衡方程表达式。
R
t-F
t=0
其中Rt表示外部荷载向量，Ft表示内力向量。在t+?t时刻，有外部荷载增加时，系统的平衡被打破，进而有增量平衡方程式。在非线性屈曲分析中，通常使用的方法是增量迭代法，使用线性逼近非线性计算，使计算的精度达到预期要求。在达到平衡的临界状态时，关于荷载值的大小，可以通过迭代计算得出荷载-系数曲线然后进行判断。
附墙刚度不同系数下，对屈曲荷载的影响如下图1曲线图所示。
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从曲线图中可以看出，在附墙刚度较小时，塔机的屈曲荷载基本上没有变化，当刚度达到一定的数值后，屈曲荷载的增加量变化就非常大，而刚度又达到一定值后，屈曲荷载就会趋于稳定。
结束语：
总而言之，在如今的环境下，塔式起重机的应用越来越广泛，由于高层建筑的不断出现，起重机起升高度在达不到作业要求时，就会需要使用附墙结构来进一步稳定塔身，因此附着结构的性能以及受力等会对塔身稳定性产生影响。通过非线性屈曲分析，得出附墙刚度系数和屈曲荷载之间的关系曲线，从而得出附墙刚度对塔身稳定性的影响。
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