论塔吊超长附着的设计

论塔吊超长附着的设计引论：塔式起重机的安装说明书中对其附着装置的制作、内力、安装使用要求均有详细论述，安装单位按说明执行即可。实际施工中，由于建筑形式多变，往往出现塔机安装位置与建筑物可锚固点的距离超过使用说明的情况，需增长附着杆，或附着杆与建筑物连接的两支座间距改变时，需进行附着计算。本文着重论述附着杆计算、附着支座计算。许多建筑安全计算软件都可以用来进行超长附着的计算，其计算程序大同小异，普遍存在以下二个方面的缺陷：一是附着杆内力计算时，塔吊工况分析不正确，各工况下内力取值不明确，一笔带过，例如品茗安全计算软件对附着第一种工况的计算:塔机满载工作，风向垂直于起重臂，考虑塔身在最上层截面的回转惯性力产生的扭矩和风荷载扭矩。并未给出具体数值，直接得出结果。由于塔吊型号各异，附着高低不同，其回转惯性力产生的扭矩和风荷载扭矩也是不同的，软件中采用同一取值，很难弄清是否与实际相符；二是附着杆设计采用单根型钢，无法进行组合截面的计算，设计出的附着杆选型很大，不能利用。本文通过对附着整体设计过程的分析，对塔吊超长附着的设计一个清晰的思路，有助于实际问题的解决。1、附着杆计算（1）附着杆内力超长附着杆的内力在说明书中一般无规定，需进行计算。附着杆的安装高度在塔机说明书中有规定，最上一道附着装置的负荷最大，应以此道附着杆的负荷作为设计附着杆截面的依据。附着式塔机的塔身可视为一个带悬臂的多支承连续梁，其内力及支座反力计算可采用软件求解，本文利用清华大学土木系结构力学求解器研制组的力学求解器作为例子。塔机参数如下：计算采用广东建机厂的QTZ80B型塔机为例，附着参数如下表，采用力学求解器求塔身内力及其支座反力。一、支座力计算塔机按照说明书与建筑物附着时，最上面一道附着装置的负荷最大，因此以此道附着杆的负荷作为设计或校核附着杆截面的依据。附着式塔机的塔身可以简化为一个带悬臂的刚性支撑连续梁，其内力及支座反力计算如下:风荷载标准值应按照以下公式计算：Wk=W0×μz×μs×βz=0.450×1.170×1.450×0.700=0.534kN/m2；其中W0──基本风压(kN/m2)，按照《建筑结构荷载规范》(GBJ9)的规定采用：本例取W0=0.450kN/m2；μz──风压高度变化系数，按照《建筑结构荷载规范》(GBJ9)的规定采用：μz=1.450；μs──风荷载体型系数：μs=1.170；βz──高度Z处的风振系数，βz=0.700；风荷载的水平作用力：q=Wk×B×Ks=0.534×1.600×0.200=0.171kN/m；其中Wk──风荷载水平压力，Wk=0.534kN/m2；B──塔吊作用宽度，B=1.600m；Ks──迎风面积折减系数，Ks=0.200；实际取风荷载的水平作用力q=0.171kN/m；塔吊的最大倾覆力矩：M=876.000kN.m；如下塔吊荷载分布图：塔身剪力分布图：二、关于附着杆的内力计算各种参考资料均考虑两种情况：计算情况1：塔机满载工作，起重臂顺塔身X-X轴或Y-Y轴，风向垂直起重臂，计算情况2：塔机非工作，起重臂处于塔身对角线方向，风由起重臂吹向平衡臂，如图（a）、（b）所示：附着杆的内力按力矩平衡原理计算计算简图:计算单元的平衡方程:其中:对计算情况1，相关的建筑安全计算软件认为其中θ应从0-360循环,分别取正负两种情况，求得各附着最大的轴压力和轴拉力。应该是偏于安全的。下面是附着杆长度如图示意的情况下，塔机满载工作，起重臂顺塔身X-X轴的工况下的以力学求解器求解的结果：计算情况1下荷载的取值，塔身的剪力可以上步计算结果为准。塔身扭矩是塔身所承受的由于回转惯性力（包括起吊构件重、塔机回转部件自重产生的惯性力）而产生的扭矩与由于风力而产生的扭矩之和。本例中的取值由厂家提供，建议在超长附着设计时，要求厂家提供相关数据，以求计算结果的准确性。塔机位于回转的启、制动状态；风向与回转方向一致；最大起重量为200000N及其所在的工作幅度为22.4m。2）风载每节吊臂的风载Fwb＝3212N，吊重风载Fwz＝6000N，配重块的风载Fwg＝2062N，平衡臂风载Fwp＝34500N和起升机构风载Fwq＝850N。3）行走惯性力配重块的行走惯性力Hpz＝6270N,起升机构的行走惯性力Hq＝200N，平横臂的行走惯性力Hp＝1940N，每节吊臂的行走惯性力Hn＝171.5N、383N、628.5N、688.5N、906N、922.8N、1009.6N、196N，短拉杆行走惯性力Hdl＝96N，长拉杆行走惯性力Hcl＝920N，变幅机构行走惯性力Hbj＝98N，吊重的行走惯性力Hdz＝4.8N。4）整机扭矩M总=MF+Mg＝693650Nm，其中风载的扭矩MF＝507330Nm，行走惯性力的扭矩Mg＝186320Nm。下面是附着杆长度如图示意的情况下，塔机满载工作，起重臂顺塔身X-X轴的工况下的以力学求解器求解的结果：计算情况2下荷载的取值：此情况下无扭矩作用，风力按塔机使用地区的基本风压值计算。风载每节吊臂的风载Fwb＝3212N，配重块的风载Fwg＝2062N，平衡臂风载Fwp＝34500N和起升机构风载Fwq＝850N。在工况2如下图塔身剪力分布图附着杆轴力图：上述两种情况下各杆都有受压及受拉的情况，为安全及制作方便，建议选用各杆中最大的压力值及拉力值进行杆件设计。各杆的设计截面也应统一，以利制作与安装。2、附着杆的截面选用建议选用组合型钢截面，超长附着杆的长度＞18米之后，其自重可能在数吨之上，给附着框的设计加工带来很大困难，选用组合截面，一方面组合截面可形成对称的截面形式，满足使用要求，另一方面也是控制附着杆自重的需要。如下图的示意形式。组合型钢截面应做成对称形式，使两个方向上的长细比一致。型钢型号的选择采用试算法，一般采用槽钢时可从[18起算，角钢可从∠10起算。附着杆长细比λ不应大于100，截面选择后可先验算其长细比，符合后进行强度验算，如下所述：杆件轴心受拉强度验算验算公式:σ=N/An≤f其中σ---为杆件的受拉应力；N---为杆件的最大轴向拉力；An---为杆件的截面面积。2．杆件轴心受压强度验算验算公式:σ=N/φAn≤f其中σ---为杆件的受压应力；N---为杆件的轴向压力；An---为杆件的截面面积。λ---杆件长细比，φ---为杆件的受压稳定系数；附着支座连接的计算附着支座与建筑物的连接多采用与预埋件在建筑物构件上的螺栓连接。预埋螺栓的规格和施工要求如果说明书没有规定，应该按照下面要求确定：1．预埋螺栓必须用Q235钢制作；2．附着的建筑物构件混凝土强度等级不应低于C20；3．预埋螺栓的直径大于24mm；4．预埋螺栓的埋入长度和数量满足下面要求：其中n为预埋螺栓数量；d为预埋螺栓直径；l为预埋螺栓埋入长度；f为预埋螺栓与混凝土粘接强度（C20为1.5N/mm^2，C30为3.0N/mm^2）；N为附着杆的轴向力。5．预埋螺栓数量，单耳支座不少于4只，双耳支座不少于8只；预埋螺栓埋入长度不少于15d；螺栓埋入端应作弯钩并加横向锚固钢筋。当预埋螺栓埋设位置处于建筑物边梁上时，必须埋设在边梁钢筋的内侧。