塔式起重机顶升套架结构设计分析

2017 年 9 月________________________V〇1.43,N〇.9

Sichuan Building Materials________________________Sep.，2017

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塔式起重机顶升套架结构设计分析

梁志文

(广东省建筑机械厂有限公司，广东广州510000)

摘要：塔式起重机是现代工程建设中必不可少的工程设

1.2顶升套架的结构特点

塔式起重机顶升过程中，_架的上部以及承座连接为法 兰螺栓拼接以及销轴连接，塔式起重机的上部结构荷载会通 过承座传送至其他部位&对于刚度较大的承座来说，套架自 身框架整体刚度不高，为此，需要对套架结构中的零部件进 备，其主要作用是运输施工物资，但是因为塔式起重机在顶 升作业过程中容易引起安全事故（主要是因为顶升套架设计 不合理），所以需对塔式起重机顶升套架结构进行分析，保证 设计的科学、合理#文章首先对顶升套架结构特点和受力特 征进行分析，其次总结了计算要点，然后结合实例分析塔式 起重机顶升套架结构设计方法。

关键词：塔式起重机;顶升套架；结构设计

中图分类号:TH213.3 文献标志码:B

文章编号：1672 -4011(2017)09 -0037 -02 DOI ： 10. 3969/j. issn. 1672 - 4011. 2017. 09. 020

〇前言

塔式起重机是当前建筑施工现场中较为常见的一种物 料运输设备，应用广泛，又称为塔吊。通常起重机的塔身顶 升可以分为内顶升和外顶升两种，其中外顶升可以一次性整 体升高一个标准节，操作十分便捷。3前塔吊顶升中，在上 下塔身的连接断开后，塔身整体的重全部作用于顶升油缸 上，若出现偏差，会引发十分严ffl的后果。

1顶升套架的结构和受力特点

1.1 顶升套架工作原理

顶升套架主弦杆的上端和承座的连接都是通过螺栓或 者是销轴进行的。在套架顶升作业过程中，需要先通过变幅 小车或配重将套架的重心调节至顶升液缸侧，然后松开塔身 和承座间的连接部位，使得液压缸下端的顶升轴支承可以尽 可能地靠近塔身的踏步板。通过套架内侧的滚轮或者足滑 块和塔身的主弦杆相互接触，顺着塔身向上运作。3液压缸 顶升至远端的塔身踏步板时，顶升撑杆需置于踏步板内部， 然后再回缩液压缸。

由于顶升撑杆主要承受了上部的受力，液压也会随之继 续回缩，将顶升轴置于距离液压缸形成最近的塔身踏步板内 后，继续顶升，按照上述步骤不断循环，便可达到预定高 度[1]。通常情况下，套架顶升有三种形式[2]，为中央顶升、 双侧顶升以及单侧顶升。中央顶升就是将液压缸中心线与 塔身的中心线调整至统一水平线上，这种顶升方式的应力均 衡，但是不能引人标准节;双侧顶升足将液压缸对称布置于 套架内部两侧，可以引人一次标准节但是因为重型塔基的顶 部塔身较大，会增加塔身的宽度，易出现尺寸超限的问题。

收稿日期=2017 -06 -23

作者简介：梁志文（1990 -)，男，广东广州人，本科，助理工程师，主要

从事塔吊及施工升降机设计及管理工作。

行合理布设，从而提升套架自身刚度，使其负荷能力得以发 挥。在顶升作业结束后，从套架的侧面可以引人标准节，但 是需注意的是，套架结构在引人标准节后，这个侧面范围内 不能布设腹杆，而没有腹杆的支撑作用，则框架自身的抗扭 刚度以及强度均有所降低，套顶升侧面如圈1所示。与此 同时，对于塔式起重机来说，因为一个标准节的质tt较大，会 对套架结构施加一定的作用力，产生一定的附加弯矩。

图1 套架顶升侧面主视图

1.3顶升套架的受力特点

在顶升作业时，套架需承受较大的负荷，为了保证结构 应力均衡，避免不平衡弯矩的产生，需在实际顶升作业过程 中对结构的重:心进行调整，尤其是上部结构，需保证其重心 和油缸的中心线在同一水平线上D:但是重心调整也会产生 负面影响，如当重心作用于油缸的中心线时，存在很多不可 控因素，如风荷载，当风向与起重臂呈90°垂直卖系时，风载 荷就会对塔身的m心产生扭转载荷，而因为风荷载的方向以 及风力不是固定的，因而应力关系也是断变化的。当顶升 至一定高度时，需要就风振对套架结构的影响进行综合考 量，而不平衡荷载霈要由套架结构和标准节之间的上下两组 滑块共同承受。滑块固定于套架上，可以承受压力，但是不 能承受拉力，套架部荷载的变化也会改变滑块的受力，将 其集中于塔身的标准节上，使得滑块和标准节相互脱离a

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计算载荷及计算方法

2.1顶升载荷分析

如图2所^，顶升套架顶升过程中因为受到了上部的载 荷，水平载荷和上部结构就会产生不平衡力矩。上部载荷通

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过套架的主弦以及液压缸，然后通过顶升的踏步板将载荷传 送至塔身的主弦杆，不平衡力矩也会随着滚轮传送至塔身主 弦。图2中，上部荷载为FN，水平荷载为Fx，上部结构引发 的不平衡力矩为Ma

者的外形差异应控制为400〜500 mm;对于液压顶升油缸，需 要对安装距离以及运行过程进行合理设计。设计中，将标准 节的高度记为A，标准节下部的水平腹杆所处位置的大小记 为B，滚轮支架上滚轮底部与底板上部之间的距离记为C，标 准节所需的空间最小值记为计算如下：

L=A+B-C+30式中，30为两个标准节引进过程中的间隔距离，m。 液压油缸的最低行程即计算如下：

Hmm = L - A/2 + P

式中，P为一次顶升的空程，一般为40 mm。油缸安装 尺寸和油缸的行程有着密切联系，而具体数值的确定需要依 2.2套架计算方法

因为_架为空间桁架结构，当顶升液压缸的顶升角度不 同时，滚轮承受的外部载荷也有所差异。义章采用ANSYS 对顶升套架的受力关系进行计算。2.2.1传统算法

在传统ANSYS套架计算方法中，多是从上到下进行，先 对套架液压缸以及滚轮的应力进行校正，然后分别计算套架 主弦杆以及顶部施加竖向应力、水平应力以及弯矩，再对各 杆件以及滚轮的具体受力进行计算。该方法的应用可以反 映出套架的受力大小，只需依然施加应力和弯矩两个参数便 可进行推测，但是最终的计算数据可能与实际应力存在差 异，由此表明，该方法的应用不能客观反映出会架的受力 关系。2.2.2新算法

因为顶升液压缸或者是顶升撑杆受到竖向的载荷是固 定不变的,可通过液压缸或者是顶升撑杆便可对套架承受的 载荷进行计算。在计算时，需要先将液压缸或者是顶升撑杆 的竖向以及水平载荷_人ANSYS模型中，然后约束套架主 弦杆顶部的应力，并控制滚轮在垂直塔身主弦杆方向上的移 动，如图3所尔，依据建立的模型进行计算。新的计算方法 得出的结论更接近实际应力情况，计算更加高效和准确s

图3 套架结构载荷约束示意图

3设计实例

本文以TC6016塔机为例，对顶升套架结构设计方法进

行论述。设计过程中，需要注意以下问题:依据标准节的实

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据液压油缸的最低行程即进行设置a

由于从套架结构自身角度来说，其框架整体的应力较为 均衡，而顶升套架上下W之间导向滚轮的间隔距离也为正 比。根据相关规定，自升式塔机在加节操作时也就是顶升循 环过程中，即使顶升油缸的活塞杆全部暴露，塔身上部的断 面高度和顶升套架上排的导向滚轮，中心线的高差应该> 60 mme所以，上层导向滚轮的横向布设，其极限位置应该依据 L以及预留的调控空间进行确认。套架在顶升过程中，因为

操作环节较多，为了保证设计方案中各项参数设置的合理 性，可采用相关应用软件进行过程模拟，然后确定最后的设 计参数[3] 〇

塔机在顶升作业时，顶部的平衡应力关系会发生改变， 而产生的荷载也全部由套架导向滚轮承受，但是因为双向滚

轮的结构具有其特殊性，可以保证各塔机各方向上的受力相 同。但是滚轮不具备上述作用，在顶升作业过程中，若管 轮的轮缘和主弦杆之间的距离过大，那么就不具备正确的导 向作用，甚至会出现啃轨问题。所以，单管轮通常都被应用 于中小型的塔基上。从设备自身性能来说，因为机械设备运 作要求不同，需要依据现场施工的作业要求进行设计，方可 满足工程生产需求。

4结束语

因为塔式起重机顶升套架结构的受力较为特殊，应力关

系较为复杂，可以借助ANSYS辅助设计计算工作。在套架 进行顶升作业时，顶升油缸以及套架的连接处受力较大，在 套架设计过程中，应对局部进行加强处理。但是因为塔机套 架的机构受力关系复杂，若人工计算，则计算难度较大，计算 工作量较大，故而可以采用信息技术进行模拟，以保证设计 参数合理$

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