塔式起重机超长距离附着摘要：由于现代建筑业的蓬勃发展，塔机高度超高、附着超长等各种情况时有发生。

塔机附着装置安装时塔机中心到建筑物距离越远，附着杆的长度就越长，在相同轴向压力作用下，稳定性就越差，同时又长又大的杆件也会给安装带来很大不便。

以有关工程实际施工中高塔附着装置设计为例，研究自升式塔式起重机的超长距离附着技术问题，简述QTZ63 系列5013 型塔式起重机超长附着装置设计的一般计算方法。

通过计算分析和实际应用表明，所设计的附着杆既解决了受压杆过长而引起不稳定的问题，也为施工单位在安装和验算塔式起重机超长距离附着时提供了参考和依据。

关键词：塔式起重机; 附着装置; 结构设计某工程为一综合性住宅小区的建设，由多幢多层和小高层建筑组成，其中10 号、11 号为两幢25层高层建筑，最大高度约为100 m，塔机结构高度约为125 m，每4 层楼房（约16 m）加一道附着装置，加至第23 层，共设5 道附着装置。

根据施工现场的工程需要，需在两主楼之间架设1 台QTZ63 系列5013型塔式起重机，塔机中心与建筑物外墙之间的附着距离为11.17 m，附着点开间跨距为16.34 m，其平面布置如图1 所示。

根据塔机生产厂家提供的标准，附着距离一般为3～5 m，附着点跨距为7～8 m[1，2]，远不能满足本工程的具体施工要求。

针对附着距离较大的问题，我们参考了德国利勃海尔88 HC 型塔机附着距离长达11.6 m 的成功设计经验[3]，提出QTZ63 系列5013型塔机超长距离附着装置设计方案，具体如下。

1 附着装置布置方案塔机附着装置由附着框架和附着杆组成，附着框架多用钢板组焊成箱型结构，附着杆常采用角钢或无缝钢管组焊成格构式桁架结构，受力不大的附着杆也可用型钢或钢管制成。

根据施工现场提供的各层楼面顶板标高，按照QTZ63 系列5013 型塔式起重机的技术要求，需设5道附着装置，以满足工程建设最大高度100 m 的要求。

附着装置布置方案如图2 所示，其中A、B、C 为3 杆，LA=10 800 mm、LB=11 320 mm、LC=14 200 mm。

2 附着计算工况及附着杆内力计算2.1 附着装置计算工况根据附着式塔机所受载荷、塔身内力及支反力的计算分析，对于附着装置来说，应考虑以下两种情况，如图3 所示。

（1）塔机满载工作，起重臂顺塔身X- X 轴或Y- Y 轴，风向垂直臂架。

（2）塔机非工作工况，起重臂处于塔身对角线方向，风由平衡臂吹向起重臂（GB/T13752—1992 塔式起重机设计规范）。

在实际使用中，塔机最上面一道附着杆受力最大[4]，本次设计只对最上面一道附着杆的内力进行计算分析。

2.2 塔机满载工作时附着杆内力计算[5]塔机正常工作状态主要受到风载（塔臂）及回转机构产生的转矩作用。

其中风载q 定义为：作用在塔机（包括吊重）单位长度上的载荷。

根据文献[4]中风载计算方法，并查QTZ63 系列5013 型塔式起重机技术参数，计算得出风载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·mMh =fk(P/ω)=370.24 kN·m （2）式中：Mf———由风载所产生的转矩，kN·m；Mh———由回转机构所产生的转矩,kN·m；l1———工作臂架长度，m；l2———平衡臂架长度，m；f———塔机工况系数，f=1.71；k———载荷换算系数，随回转支撑结构的不同选取不同值，此处k=3.676；P———回转功率，QTZ63 系列5013 型起重机P=3.7 kW；ω———回转角速度，由QTZ63 系列5013 型塔式起重机主要技术参数表查得ω=0.6 r/min。

塔机满载工作状态时附着杆受力分析如图4所示。

由图4 附着杆受力分析和平面力系平衡方程ΣX=0，ΣY=0，ΣM=0，可得塔机满载工作时附着杆倾角及内力如表1 所示。

2.3 塔机非工作工况时附着杆内力计算[5]当塔臂处于塔身对角线方向时，塔臂所受风载和自重对附着杆所产生的力影响最大，风载对塔身的影响可以忽略。

塔机非工作工况时附着装置受力简化如图5 所示，最上一道附着装置3 根附着杆的受力分析如图6 所示。

表1 附着杆夹角及内力杆件LA=10800 mm LB=11320 mm LC=14200 mm角度α=68.5° β=62.6° γ=45°内力F1=245 kN F2=238 kN F3=30 kN由图6 附着杆受力分析和平面力系平衡方程ΣX=0，ΣY=0，ΣM=0，可得塔机非工作工况时附着杆倾角及内力如表2 所示。

由上述两种工作状态下的附着杆受力计算可知C 杆受到的内力最大，因此只需验证C 杆是否满足强度及稳定性要求即可。

表2 附着杆夹角及内力杆件LA=10 800 mm LB=11 320 mm LC=14 200 mm角度α=68.5° β=62.6° γ=45°内力F1=- 51 kN F2=238 kN F3=270 kN3 附着杆截面设计[5]3.1 截面选择附着杆结构通常由型钢(一般用角钢) 通过缀条或缀板连接而成。

在本工程中采用缀条连接方式, 截面形式如图7 所示。

附着杆结构参数：截面尺寸为420 mm×400 mm；附着肢件为等边角钢∠63×4；缀条为∠30×3；附着杆截面积A=19.92 cm2；惯性矩Ix=7 496.12 cm4，Iy=6 702.6 cm4；惯性半径ix=19.4 cm，iy=18.3 cm。

选用钢材为Q235，取许用压应力[σ]=215 MPa，屈服强度fy=235 N/mm2，对C 杆须进行整体稳定性验算、局部稳定性验算和单肢稳定性验算。

3.2 附着杆整体稳定性验算对附着杆整体稳定性及受压附着杆特性参数进行计算，详细数据见表3 及表4。

表3 附着杆截面特性特性A/cm2 Ix/cm4 ix/cm Iy/cm4 iy/cm单角钢4.98 19.03 1.96 7.89 1.26整体19.92 7496.12 19.4 6702.6 18.3表4 受压附着杆特性参数特性βm M/kN·m W/cm3 NE/kNX 平面内1.0 2.198 225.79 658.79Y 平面外1.0 1.807 201.89 587.85表4 中：βm———平面内外稳定弯矩等效系数；M———1 阶弯矩；W———受压最大杆件的毛截面抵抗矩；NE———欧拉临界力除以抗力分项系数λ=1.1所得参数。

构件强度计算最大应力：N/A = 270×10³/19.92×10²=136 (N/mm2)＜215 N/mm2 (3)式中：N———受力最大附着杆C 的内力，N=F3=270kN；A———附着杆C 的截面积。

查钢结构设计规范得附着杆在图7 截面形式下Q235 钢材的容许长细比［λ］=150。

(1) X 平面内计算长度：L=14 200 mm验算构件X 平面内长细比：λx=L/ix=14 200÷194=73.2垂直于X 轴各斜缀条毛截面积之和：Aix=3.498 cm2验算构件X 平面内换算长细比：式中：λx———构件在X 平面内的长细比；Aix———对X 轴各斜缀条毛截面积之和。

查轴心受压构件的稳定性系数表得轴心受压稳定系数：φx=0.721，由表4 得出构件X 平面内稳定计算最大应力：206 (N/mm2)＜215 N/mm2式中：βmx———X 平面内构件稳定弯矩等效系数；Mx———X 平面内构件1 阶弯矩；φx———X 平面内构件受压稳定性系数；Wxi———X 平面内构件毛截面抵抗矩；NEx———参数，NEx=π²EA/（1.1λx²），Q235 钢的弹性模量E=206×10³ N/mm2。

（2）Y 平面内计算长度：L=14 200 mm验算构件Y 平面内长细比：λy=L/iy=14 200÷183=77.6垂直于Y 轴各斜缀条毛截面面积之和：Aiy=3.498 cm2验算构件Y 平面内换算长细比：式中：λy———Y 平面内构件的长细比；Aiy——对Y 轴各斜缀条毛截面积之和。

查轴心受压构件的稳定性系数表得轴心受压稳定系数：φy=0.693，由表4 得构件Y 平面内稳定计算最大应力：213 (N/mm2 )＜215 N/mm2 （7）式中：βmy———Y 平面内构件稳定弯矩等效系数；My———Y 平面内构件1 阶弯矩；φy———Y 平面内构件受压稳定性系数；Wyi———Y 平面内构件的毛截面抵抗矩；NEy———参数。

由式（3）～（7）可知：该结构满足整体稳定性要求。

3.3 附着杆局部稳定性验算3.3.1 肢件稳定性验算取肢件计算长度lo1=354 mm，倾角α=55°，查角钢∠63×4 截面特性表得：i1=imin=1.26 cm，由3.2计算可知长细比λmax=77.6，故有：λ=lo1/il= 354/12.6 =28λ＜0.7λmax=0.7×77.6=54.32 （8）式中：λ———肢件长细比；λmax———构件最大长细比。

3.3.2 缀条稳定性验算横向剪力V：式中：［σ］—Q235 钢材允许压应力，[σ]=215 MPa；fy———屈服强度。

每肢斜缀条轴向力N1：式中：V———缀条横向剪力；cosθ———缀条垂直方向的夹角。

刚度验算：λ= li1= 488.8/5.9 =82.8＜［λ］=150 （11）式中：i1———角钢惯性半径，查角钢∠30×3 截面特性表得i1=5.9 mm；l———缀条设计长度。

强度验算：N/A= 270×10³/19.92×10² =135 (N/mm2 )＜215 N/mm2 （12）稳定性验算：由λ=28，查表知φ=0.943，塑性发展系数γ=0.6+0.0015λ=0.642N1/φA1= 3.075×10³/0.943×175 =18.63 ＜0.642f=138 N/mm2 （13）式中：N1———每肢斜缀条轴向力；φ———缀条稳定性系数；A1———角钢∠30×3 截面面积；f———缀条钢材允许压力，f=215 N/mm2。

由式（8）、（11）、（12）、（13）可知：该结构满足局部稳定性要求。