特殊情况下塔机超长附着的设计计算与实际应用

1、特殊情况下塔机超长附着的设计计算与实际应用特殊情况下塔机超长附着的设计计算与实际应用 目录目录1概述概述32 附墙结构布置方案附墙结构布置方案33 附墙杆的计算工况及各杆内力计算附墙杆的计算工况及各杆内力计算43.1 非工作状态最上层附墙杆受力分析非工作状态最上层附墙杆受力分析43.2 工作状态最上层附墙杆受力分析工作状态最上层附墙杆受力分析84 附墙杆截面设计附墙杆截面设计104.1 选择材料及截面面积选择材料及截面面积104.2 杆件整体稳定性的计算杆件整体稳定性的计算114.3 局部稳定性验算局部稳定性验算125 单肢角钢挠度计算单肢角钢挠度计算136 基座连接螺栓校核基座连接螺栓校核1

2、46.1 右基座连接螺栓校核及接合面工作能力校核右基座连接螺栓校核及接合面工作能力校核146.2 左基座连接螺栓校核及接合面工作能力校核左基座连接螺栓校核及接合面工作能力校核167 基座部位销轴及耳板强度校核基座部位销轴及耳板强度校核198 结论结论20参考文献参考文献201概述概述1.1 在现代建筑施工中，由于各种现实因素影响，塔机不能按照说明书中约定的常规定位方式进行现场定位，造成现场塔机定位安装后，受力体系发生变化，不能依据塔机说明书中的普通附着进行安装，必须重新进行受力分析、计算，重新确定附着的形式、截面尺寸、连接方式以及必要的连接点强度校核等，才能满足塔机安全使用的需要。施工现场实际

3、影响塔机定位的因素很多，包括图纸的重复变更导致结构变化、现场负责设备定位的人员缺乏经验，与技术等相关人员缺乏有效沟通导致定位时没有考虑建筑物整体结构变化，最终导致附着超长或异型结构等。总之，如果出现以上情况后，由于项目工期比较紧，如果重新定位，将塔吊拆除后重新安装使用，那么必将造成项目阶段性停工、劳务人员窝工、甲方、监理对我司施工水平、进度质疑或进行投诉等，项目损失较大。本文就是通过某项目出现的类似情况，系统分析和描述通过现场勘查，对塔机附着重新设计计算后加工安装，以最经济、安全的方法在最短的时间内解决项目的实际问题，确保项目施工生产正常进行。1.2 某工程采用 tc5513 型塔式起重机，基

4、本高度 40m，壁长 55m，附着高度 119m，臂端吊重 1.3 吨，最大起重量 6 吨，平衡重物距塔身中心 12m。本工程建筑高度约为 105米（25 层） ，塔机结构高度约为 120m，设有四套附着装置，第一附着装置距基础面 32m，第二道附着装置距第一附着装置 24m，第三道附着距第二道附着 24m，第四道附着距第三道附着 21m，附着点的高度允许现场根据楼层的高度做适当调整。为保证塔吊的安全使用，对附墙杆及其连接件作稳定性及强度验算。2 附墙结构布置方案附墙结构布置方案 根据施工现场提供的各层楼房面顶板标准，按 tc5513 型塔式起重机的技术标准，本工程需要 4 道附墙，以满足要求

5、。对于墙面上支座的选择，既要保证附墙杆一适当的倾角，又要避免附墙杆太长，经综合比较采用图 1 所示的布置方式，第四道附着杆中，最长的约为 11 米。图 1 附墙结构布置方案3 附墙杆的计算工况及各杆内力计算附墙杆的计算工况及各杆内力计算根据附着式塔机所受载荷，塔身内力及支反力的计算分析，对于附着装备来说，应考虑以下两种情况：1）塔机满载工作，受自身的扭矩和风载荷所给的扭矩，且扭矩方向相同。2）塔机非工作状态，风水平吹向塔臂且与塔臂竖直面垂直。实际使用中，塔机最上面一道附墙受力最大，在此只对最上面一道附墙杆的内力进行分析。3.1 非工作状态最上层附墙杆受力分析非工作状态最上层附墙杆受力分析通过经

6、验分析，考虑塔臂处于平行于墙面或垂直于墙面时附着杆受力最大，最为危险，故按此两种工况分析附着杆受力情况，塔机非工作状况时附着装置受力如图 2 所示。其中，查 tc5513 型塔机技术参数，得出塔身及塔臂所受均布风载荷为： 0.27/qkn m最大倾覆力矩： 1980mkn m:弯扭塔臂水平惯性力： 84fkn水平塔臂所受风载对其扭矩，其中为塔身中心到起重端的最大距离，为塔身中心到平1l2l衡端的距离：222212()0.27(5512 )388.922q llmknm风扭塔臂所受的风载荷对塔身上部集中力为：12()0.27(55 12)18.09wfq llkn图 2 塔机非工作状态下附着杆受

7、力图在此参照建筑机械2002 第 2 期：当塔身有超过三道附墙时，最上一道附墙的支反力为：(1.23/ )(/2)wfm lfql其中，l 为每层附墙杆间距，在此取 24m；m 为塔身根部的综合弯矩；根据上式，解得塔臂平行于墙面时附着杆受力为：x1.23 1980/2484185.48fkn2y18.090.27 24/2 1.23 (0.27 140 /2)/24156.94fkn按塔身扭转变形比例关系，得出最上层风扭为：119.3knmm风扭同理，利用以上公式，得到塔机垂直于墙面时附着杆受力为：218.090.27 24/2 1.23 (0.27 140 /2)/24156.94xfkn1

8、.23 1980/2484185.48yfkn119.3knmm风扭则非工作状态下，塔机附墙杆内部受力图如图 3 所示。图 3 非工作状态受力分析经分析，塔机附墙杆有 4 个未知反力，故属于一次超静定问题，可采用力法原理进行解决。力法的基本方程为：11110pf其中，为静定结构的位移，；1p1iipffea 为结构位移系数，；1111iif fea 为受单位力时各杆件的轴向力；if1f 为各杆件在外力作用下的内力；if 为 1 号杆件的实际受力。1f现对塔臂平行于墙面时非工作状态下各附墙杆内力进行分析计算。将 d 杆断开，对其加载单位力，则塔机在 d 杆断开情况下变为静定结构，如图1f 4 所

9、示。图 4 附墙杆力法受力图则根据平衡方程，可以得出在 d 断开情况下，受工作力各杆内力为：if4122214433xyxyxyf yf xmf lf hf xmf lf hmf xf lf l受单位力作用下，列平衡方程，各杆内力为：if416225334411f llf llf lf l 解得各杆内力结果如表 1 所示。表 1 杆件内力表杆件编号(kn)if()if kn( )il m杆长ii if flii if fl10110.11010.112-345.20-1.0759.693595.8611.203-240.10-1.2149.092649.5713.404377.721.1749

10、.954412.2613.71则 1 杆实际受力为：1/10657.69220.1148.42/ii iii iii iii if fleaf flfknf fleaf fl 2 杆实际受力为：2221108.58fff fkn 3 杆实际受力为：333127.11fff fkn4 杆实际受力为：4441119.31fff fkn（备注：正号代表拉力，符号代表压力）同理（省略计算过程） ，非工作状态下塔臂垂直于墙面时各附墙杆内力为：1234163.37144.8643.2653.12fknfknfknfkn 3.2 工作状态最上层附墙杆受力分析工作状态最上层附墙杆受力分析塔机正常工作状态主要受

11、到风载荷（塔臂）及回转机构产生的扭矩。通过经验分析，考虑塔臂处于平行于墙面或垂直于墙面时附着杆最为危险，故按此两种工况分析附着杆受力情况，塔机工作状况时附着装置受力简化图如图 5 所示。其中，塔身及塔臂所受均布风载荷为：0.27/qkn m最大倾覆力矩：1570mkn m:弯扭塔臂水平惯性力：20fkn水平塔臂所受风载对其扭矩及工作时的工作扭矩，其中为塔身中心到起重端m风扭m工扭1l的最大距离，为塔身中心到平衡端的距离：2l222212()0.27(5512 )320708.922q llmmmmknm扭风扭工扭工扭塔臂所受的风载荷对塔身上部集中力为：12()0.27(55 12)18.09w

12、fq llkn本工程采用四杆式附墙架，附着杆受力如图 5 所示：图 5 塔机非工作状态下附着杆受力图同上分析，可得工作状态塔臂平行于墙面时附着杆受力为：100.46156.94217.45xyfknfknmknm （其中，为按塔身变形比例关系等效到最上层附墙杆的扭矩。 ）mm塔臂垂直于墙面时附着杆受力为：156.94100.46217.45xyfknfknmknm同上分析，运用力法原理，解得工作状态塔臂平行于墙面时各附着杆内力为：1234190.248.578.9846.21fknfknfknfkn 工作状态塔臂垂直于墙面时各附着杆内力为：1234167.6736.5443.43117.84f

13、knfknfknfkn 综合比较综合比较4种工况下各附着杆内力，推出，最大压力为种工况下各附着杆内力，推出，最大压力为220.11kn，为非工作状态塔臂，为非工作状态塔臂平行于墙面时平行于墙面时d杆受力，在后面只需验证杆受力，在后面只需验证d杆稳定性即可。杆稳定性即可。4 附墙杆截面设计附墙杆截面设计4.1 选择材料及截面面积选择材料及截面面积钢材等级：q235 查钢结构设计规范（简称规范）： 2215/fn mm，其中为钢材许用应力，为屈服应力。2235/yfn mmfyf截面类型：四角钢组合格构式截面 （b 类）缀条类型：上下：对角三角形 ； 前后：有横缀条对角三角形（减少由自重引起的下垂

14、弯度和挠度）（1）假设构件的长细比，可由整体稳定公式计算需要的截面面积 a。通常假设，当 n 较大而计算长度较小时，取较小值，反之取较大值。50100:根据值，截面分类和钢种可查得稳定系数，根据钢结构公式 4-23，则需要的截面面积为： naf初选 80根据查钢结构表 4-5，得 235yf0.68832220.11 1014.880.688 215nacmf初选等边三角钢 缀条 63 4l30 3l截面积 a 为，则 。24.98cm24 4.9819.92cm（2）由于附墙杆两端都是铰连接，根据钢结构设计规范，查表可得 12100110110 xylllmm0126.4xxyliimm按等

15、稳定性 ( ) 0.45xih0.45yib12126.42800.45126.42800.45xyihmmaibmma查表可得此种构架的挠度应查表可得此种构架的挠度应，为了减少附墙架的挠度，选，为了减少附墙架的挠度，选，400l420hmm缀条一般斜放角度为缀条一般斜放角度为之间最为合适，本设计选用之间最为合适，本设计选用。400bmm4070:554.2 杆件整体稳定性的计算杆件整体稳定性的计算单个角钢截面特性： 24.98acm419.03xicm1.96xicm 407.89yicm01.26yicm整体截面特性： 219.92acm47496.12xicm19.4xicm 46702

16、.6yicm18.3yicm构件强度计算最大应力： （钢3222220.11 10110.5/215/19.92 10nn mmn mma材许用应力） 平面内计算长度（mm）：10110根据材料力学第三版公式 14-6，计算平面内长细比： 1011052.1194xxli垂直于 x 轴各斜缀条毛截面面积之和： 213.498xacm根据钢结构公式 4-30，计算平面内换算长细比：（钢材许用长细比） 22119.924052.14054.31503.498oxxxaa根据钢结构表 4-5，查轴心受压稳定系数：0.721x根据钢结构公式 4-23，构件平面内稳定计算最大应力：（钢材许用应力）322

17、2220.11 10153.3/215/0.721 19.92 10 xnn mmn mma平面外计算长度：mm10110l 根据材料力学第三版公式 14-6，计算平面外长细比： 1011055.2183yyli垂直于 y 轴各斜缀条毛截面面积之和：213.498yacm根据钢结构公式 4-30，计算平面内换算长细比：（钢材许用长细比） 22119.924055.24057.21503.498oyyyaa根据钢结构表 4-5，查轴心受压稳定系数：0.693y根据钢结构公式 4-23，构件平面外稳定计算最大应力：（钢材许用应力）3222220.11 10159.5/215/0.693 19.92

18、 10ynn mmn mmfa 通过上述计算可知，杆件应力小于其临界应力，故杆件整体稳定性符合工作要求。通过上述计算可知，杆件应力小于其临界应力，故杆件整体稳定性符合工作要求。4.3 局部稳定性验算局部稳定性验算1) 肢件稳定性验算取 01354lmm55查钢结构附表 14 知：1min1.26iicm011max3542812.6280.70.7 5337.1li2) 缀条稳定性验算根据钢结构公式 4-37，得横向剪力：219.92 102155.0398523585yfafvkn根据钢结构公式 4-38，得每肢斜缀条轴向力： 1/25.0393.075cos2 cos35vnkn根据钢结构

19、公式 4-31，进行刚度验算：22354(3542 8.5)l 488.8mm查表可知15.9imm（钢材许用长细比） 1488.882.81505.9li强度验算3222220 10110.5/215/19.92 10nn mmn mma稳定性验算 查钢结构附表 17-3 知 280.9430.60.00150.64232213.075 1018.63/0.642138/0.943 175nn mmfn mma通过计算得知，缀条与肢件均满足稳定性要求，故附墙杆局部稳定性达标。通过计算得知，缀条与肢件均满足稳定性要求，故附墙杆局部稳定性达标。5 单肢角钢挠度计算单肢角钢挠度计算线质量 63 4

20、l3.907/mlkg m101105.05522llm3.907 10.1139.5mml lkg单1957mm gln m:单q235 钢的弹性模量 32206 10/en mm惯性矩 （此种构架挠度应在之内）419.03icm400l在重力作用下的跨中挠度：2199.6912400400400mllfei所以单肢角钢强度满足要求。所以单肢角钢强度满足要求。经综合分析，塔式起重机最上层附着杆在最大受力工况下，其整体稳定性与局部稳定经综合分析，塔式起重机最上层附着杆在最大受力工况下，其整体稳定性与局部稳定性均能符合要求，故可以安全使用。性均能符合要求，故可以安全使用。6 基座连接螺栓校核基座

21、连接螺栓校核6.1 右基座连接螺栓校核及接合面工作能力校核右基座连接螺栓校核及接合面工作能力校核本次结构共有基座两个，每个基座上共有耳板两对，螺栓 6 个，右基座连接附着杆a、b，左基座连接附着杆 c、d。在上述四种工况下，a、b 杆受拉，c、d 杆受压，右基座受力如图 6 所示。现校核右基座连接螺栓，取四种工况下综合拉力最大值，经比较，非工作状态下塔臂平行于墙面时，a、b 杆对基座产生倾覆力矩较大；工作状态下，塔臂垂直于墙面时，a、b 杆对基座产生拉力较大。故对此两种情况下基座连接螺栓进行强度校核。图 6 右基座受力简图（1）右基座螺栓预紧力的计算非工作状态下塔臂平行于墙面时，。119.31

22、afkn27.11bfkn横向力cos76cos6839oovabfffkn竖向力sin76sin68141oohabfffkn倾覆力矩1578516.4abmffknm（逆时针）在竖向力作用下，各螺栓所受工作拉力为：hf14123.56haffknz在倾覆力矩作用下，根据机械设计第七版公式 5-31，螺栓所受最大拉力为：maxmax6222116400 0.17523.52 (0.1750.175 )iimlfknl因此，螺栓所受最大拉力为：max47afffkn根据机械设计第七版公式 5-24，底板接合面不滑移条件，可得：0()mhsvbmcf zffk fcc其中，为接合面的摩擦系数，查

23、表取 0.16；f 为防滑系数，取 1.2；sk 取 0.8。mbmccc将数据代入上式，得：036.13fkn工作状态下塔臂垂直于墙面时，。154.62afkn44.78bfkn同理，按照上述公式计算此工况下螺栓所需预紧力，得出：042fkn则螺栓预紧力应在两者中取较大值，在此取。042fkn（2）右基座螺栓强度校核非工作状态下塔臂平行于墙面时，根据机械设计第七版公式 5-18，右基座螺栓所受最大拉力为：20420.2 4745.6bbmcfffkncc根据机械设计第七版公式 5-14，螺栓拉应力为：22211.31.3 45.6252.417.29444fmpad螺栓按照 5.8 级选取，

24、其屈服强度为 400mpa，取安全系数 1.2，则其许用应力为： 3331.2smpa 故在非工作状态下塔臂平行于墙面时，右基座螺栓可以安全使用。同理，工作状态下塔臂垂直与墙面时，按照上述公式校核螺栓强度，得出螺栓的拉应力为：284.5mpa 333mpa故在工作状态下塔臂垂直于墙面时，右基座螺栓可以安全使用。综合得出，右基座上螺栓强度满足要求，可以安全使用。综合得出，右基座上螺栓强度满足要求，可以安全使用。（3）校核螺栓组连接接合面的工作能力首先，连接接合面下端的许用挤压应力应不超过许用值，根据机械设计第七版公式 5-36，可得：3max021() 10116400(6 420.8 141)

25、300 450450 30061.03 1.62.63mphbmcmzffaccwmpa其中，a 为接合面面积，；ab h w 为抗弯截面系数；。26bhw 查机械设计第七版表 5-7，可得混凝土的许用挤压应力为 3mpa，故接合面下端不致压碎。同理，按照上述公式，计算工作状态下塔臂垂直于墙面时接合面抗压能力，可得：max2.41pmpa查机械设计第七版表 5-7，可得混凝土的许用挤压应力为 3mpa，故接合面下端不致压碎。其次，连接接合面上端应保持一定的残余预紧力，以防止受力时接合面间产生间隙，即最小挤压应力应大于 0mpa，根据机械设计第七版公式 5-37，可得：min021()11640

26、0(6 420.8 141)300 450450 30061.03 1.60mphbmcmzffaccwmpa故接合面有可能产生间隙，需要改进。故接合面有可能产生间隙，需要改进。同理，按照上述公式，计算工作状态下塔臂垂直于墙面时接合面的残余预紧力，可得：min0.95 1.460pmpa故接合面有可能产生间隙，需要改进。故接合面有可能产生间隙，需要改进。综合以上结论，右基座螺栓组连接接合面的混凝土部分可以承受挤压力不至于被压溃，综合以上结论，右基座螺栓组连接接合面的混凝土部分可以承受挤压力不至于被压溃，但是接合面可能会产生间隙，影响其工作能力，建议对结构进行改进。但是接合面可能会产生间隙，影响

27、其工作能力，建议对结构进行改进。6.2 左基座连接螺栓校核及接合面工作能力校核左基座连接螺栓校核及接合面工作能力校核本次结构共有基座两个，每个基座上共有耳板两对，螺栓 6 个，右基座连接附着杆a、b，左基座连接附着杆 c、d。在上述四种工况下，a、b 杆受拉，c、d 杆受压，左基座如图 7 所示。现校核左基座连接螺栓，取四种工况下综合拉力最大值，经比较，非工作状态下塔臂平行于墙面时，c、d 杆对基座产生倾覆力矩及压力较大。故对此种情况下基座连接螺栓进行强度校核。图 7 左基座受力简图（1）左基座螺栓预紧力的计算非工作状态下塔臂平行于墙面时，。108.58cfkn220.11dfkn横向力cos

28、61cos70115.96oovcdfffkn竖向力sin61sin70307.51oohcdfffkn倾覆力矩1646628.93dcmffknm（逆时针）在竖向力作用下，各螺栓孔所受工作压力为：hf307.5151.256haffknz在倾覆力矩作用下，根据机械设计第七版公式 5-31，螺栓所受最大拉力为：maxmax6222128931 0.17541.332 (0.1750.175 )iimlfknl因此，螺栓所受轴向工作载荷为：max9.92afffkn根据机械设计第七版公式 5-24，仍取螺栓预紧力，校核底板接合面042fkn不滑移条件是否满足，可得：0()0.45(6 420.8

29、 307.51)224.1mhbmcf zffkncc1.2 115.96139.15svk fkn其中，为接合面的摩擦系数，查表取 0.16；f 为防滑系数，取 1.2；sk 取 0.8。mbmccc故接合面满足不滑移条件，在此取。042fkn（2）右基座螺栓强度校核非工作状态下塔臂平行于墙面时，根据机械设计第七版公式 5-18，左基座螺栓所受最大拉力为：20420.2 9.9240bbmcfffkncc根据机械设计第七版公式 5-14，螺栓拉应力为：22211.31.3 40220.517.29444fmpad螺栓按照 5.8 级选取，其屈服强度为 400mpa，取安全系数 1.2，则其许

30、用应力为： 3331.2smpa 故在非工作状态下塔臂平行于墙面时，右基座螺栓可以安全使用。综合得出，右基座上螺栓可以安全使用。综合得出，右基座上螺栓可以安全使用。（3）校核螺栓组连接接合面的工作能力首先，连接接合面下端的许用挤压应力应不超过许用值，根据机械设计第七版公式 5-36，可得：max0321()128931(6 420.8 307.5) 10300 450450 30063.692.866.55mphbmcmzffaccwmpa其中，a 为接合面面积，；ab h w 为抗弯截面系数；。26bhw 查查机械设计机械设计第七版表第七版表5-7，可得混凝土的许用挤压应力为，可得混凝土的许

31、用挤压应力为3mpa，故接合面下端可，故接合面下端可能被压碎，需要改进。能被压碎，需要改进。其次，连接接合面上端应保持一定的残余预紧力，以防止受力时接合面间产生间隙，即最小挤压应力应大于 0mpa，根据机械设计第七版公式 5-37，可得：min0321()128931(6 420.8 307.5) 10300 450450 30063.692.860.830mphbmcmzffaccwmpampa故接合面不会产生间隙，不影响正常工作。综合以上结论，左基座螺栓组连接接合面的混凝土部分可能承受挤压力被压溃，影响综合以上结论，左基座螺栓组连接接合面的混凝土部分可能承受挤压力被压溃，影响其工作能力，但

32、是接合面不会会产生间隙。其工作能力，但是接合面不会会产生间隙。7 基座部位销轴及耳板强度校核基座部位销轴及耳板强度校核基座部位销轴为直径 50，共 4 根，分别连接 4 根附墙杆，主要承受附墙杆对其的剪切。基座共有耳板 8 个，每 2 个为一对，用于连接销轴，主要承受销轴对其的挤压作用，在此主要校核销轴的剪切强度与耳板的挤压强度是否满足要求。根据材料力学第七版公式 2-23，计算其剪切强度：fa其中，a 为受剪面积，在此为销轴的横截面积。 f 为各杆内力，在此取四种工况下各杆内力最大值，取。因为是220fkn双剪切面，故在此需除以 2。解得：3322110 10220 10456.03504fmpada销轴材料为 q235，许用剪切应力为，故，销轴剪切强度满足要 100mpa 求。根据材料力学第七版公式 2-24，计算其挤压强度：bsbspa其中，a 为挤压面积，在此为耳板受挤压的矩形面积。50 18 22a f 为各杆内力，在此取四种工况下各杆内力最大值，取。220fkn解得：3220 1077.850 18 22bsbspmpaa根据机械设计第七版