1、特殊情況下塔機超長附著的設計計算與實際應用特殊情況下塔機超長附著的設計計算與實際應用 目錄目錄1概述概述32 附墻結構布置方案附墻結構布置方案33 附墻桿的計算工況及各桿內力計算附墻桿的計算工況及各桿內力計算43.1 非工作狀態最上層附墻桿受力分析非工作狀態最上層附墻桿受力分析43.2 工作狀態最上層附墻桿受力分析工作狀態最上層附墻桿受力分析84 附墻桿截面設計附墻桿截面設計104.1 選擇材料及截面面積選擇材料及截面面積104.2 桿件整體穩定性的計算桿件整體穩定性的計算114.3 局部穩定性驗算局部穩定性驗算125 單肢角鋼撓度計算單肢角鋼撓度計算136 基座連接螺栓校核基座連接螺栓校核1

2、46.1 右基座連接螺栓校核及接合面工作能力校核右基座連接螺栓校核及接合面工作能力校核146.2 左基座連接螺栓校核及接合面工作能力校核左基座連接螺栓校核及接合面工作能力校核167 基座部位銷軸及耳板強度校核基座部位銷軸及耳板強度校核198 結論結論20參考文獻參考文獻201概述概述1.1 在現代建筑施工中，由于各種現實因素影響，塔機不能按照說明書中約定的常規定位方式進行現場定位，造成現場塔機定位安裝后，受力體系發生變化，不能依據塔機說明書中的普通附著進行安裝，必須重新進行受力分析、計算，重新確定附著的形式、截面尺寸、連接方式以及必要的連接點強度校核等，才能滿足塔機安全使用的需要。施工現場實際

3、影響塔機定位的因素很多，包括圖紙的重復變更導致結構變化、現場負責設備定位的人員缺乏經驗，與技術等相關人員缺乏有效溝通導致定位時沒有考慮建筑物整體結構變化，最終導致附著超長或異型結構等。總之，如果出現以上情況后，由于項目工期比較緊，如果重新定位，將塔吊拆除后重新安裝使用，那么必將造成項目階段性停工、勞務人員窩工、甲方、監理對我司施工水平、進度質疑或進行投訴等，項目損失較大。本文就是通過某項目出現的類似情況，系統分析和描述通過現場勘查，對塔機附著重新設計計算后加工安裝，以最經濟、安全的方法在最短的時間內解決項目的實際問題，確保項目施工生產正常進行。1.2 某工程采用 tc5513 型塔式起重機，基

4、本高度 40m，壁長 55m，附著高度 119m，臂端吊重 1.3 噸，最大起重量 6 噸，平衡重物距塔身中心 12m。本工程建筑高度約為 105米（25 層） ，塔機結構高度約為 120m，設有四套附著裝置，第一附著裝置距基礎面 32m，第二道附著裝置距第一附著裝置 24m，第三道附著距第二道附著 24m，第四道附著距第三道附著 21m，附著點的高度允許現場根據樓層的高度做適當調整。為保證塔吊的安全使用，對附墻桿及其連接件作穩定性及強度驗算。2 附墻結構布置方案附墻結構布置方案 根據施工現場提供的各層樓房面頂板標準，按 tc5513 型塔式起重機的技術標準，本工程需要 4 道附墻，以滿足要求

5、。對于墻面上支座的選擇，既要保證附墻桿一適當的傾角，又要避免附墻桿太長，經綜合比較采用圖 1 所示的布置方式，第四道附著桿中，最長的約為 11 米。圖 1 附墻結構布置方案3 附墻桿的計算工況及各桿內力計算附墻桿的計算工況及各桿內力計算根據附著式塔機所受載荷，塔身內力及支反力的計算分析，對于附著裝備來說，應考慮以下兩種情況：1）塔機滿載工作，受自身的扭矩和風載荷所給的扭矩，且扭矩方向相同。2）塔機非工作狀態，風水平吹向塔臂且與塔臂豎直面垂直。實際使用中，塔機最上面一道附墻受力最大，在此只對最上面一道附墻桿的內力進行分析。3.1 非工作狀態最上層附墻桿受力分析非工作狀態最上層附墻桿受力分析通過經

6、驗分析，考慮塔臂處于平行于墻面或垂直于墻面時附著桿受力最大，最為危險，故按此兩種工況分析附著桿受力情況，塔機非工作狀況時附著裝置受力如圖 2 所示。其中，查 tc5513 型塔機技術參數，得出塔身及塔臂所受均布風載荷為： 0.27/qkn m最大傾覆力矩： 1980mkn m:彎扭塔臂水平慣性力： 84fkn水平塔臂所受風載對其扭矩，其中為塔身中心到起重端的最大距離，為塔身中心到平1l2l衡端的距離：222212()0.27(5512 )388.922q llmknm風扭塔臂所受的風載荷對塔身上部集中力為：12()0.27(55 12)18.09wfq llkn圖 2 塔機非工作狀態下附著桿受

7、力圖在此參照建筑機械2002 第 2 期：當塔身有超過三道附墻時，最上一道附墻的支反力為：(1.23/ )(/2)wfm lfql其中，l 為每層附墻桿間距，在此取 24m；m 為塔身根部的綜合彎矩；根據上式，解得塔臂平行于墻面時附著桿受力為：x1.23 1980/2484185.48fkn2y18.090.27 24/2 1.23 (0.27 140 /2)/24156.94fkn按塔身扭轉變形比例關系，得出最上層風扭為：119.3knmm風扭同理，利用以上公式，得到塔機垂直于墻面時附著桿受力為：218.090.27 24/2 1.23 (0.27 140 /2)/24156.94xfkn1

8、.23 1980/2484185.48yfkn119.3knmm風扭則非工作狀態下，塔機附墻桿內部受力圖如圖 3 所示。圖 3 非工作狀態受力分析經分析，塔機附墻桿有 4 個未知反力，故屬于一次超靜定問題，可采用力法原理進行解決。力法的基本方程為：11110pf其中，為靜定結構的位移，；1p1iipffea 為結構位移系數，；1111iif fea 為受單位力時各桿件的軸向力；if1f 為各桿件在外力作用下的內力；if 為 1 號桿件的實際受力。1f現對塔臂平行于墻面時非工作狀態下各附墻桿內力進行分析計算。將 d 桿斷開，對其加載單位力，則塔機在 d 桿斷開情況下變為靜定結構，如圖1f 4 所

9、示。圖 4 附墻桿力法受力圖則根據平衡方程，可以得出在 d 斷開情況下，受工作力各桿內力為：if4122214433xyxyxyf yf xmf lf hf xmf lf hmf xf lf l受單位力作用下，列平衡方程，各桿內力為：if416225334411f llf llf lf l 解得各桿內力結果如表 1 所示。表 1 桿件內力表桿件編號(kn)if()if kn( )il m桿長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則 1 桿實際受力為：1/10657.69220.1148.42/ii iii iii iii if fleaf flfknf fleaf fl 2 桿實際受力為：2221108.58fff fkn 3 桿實際受力為：333127.11fff fkn4 桿實際受力為：4441119.31fff fkn（備注：正號代表拉力，符號代表壓力）同理（省略計算過程） ，非工作狀態下塔臂垂直于墻面時各附墻桿內力為：1234163.37144.8643.2653.12fknfknfknfkn 3.2 工作狀態最上層附墻桿受力分析工作狀態最上層附墻桿受力分析塔機正常工作狀態主要受

11、到風載荷（塔臂）及回轉機構產生的扭矩。通過經驗分析，考慮塔臂處于平行于墻面或垂直于墻面時附著桿最為危險，故按此兩種工況分析附著桿受力情況，塔機工作狀況時附著裝置受力簡化圖如圖 5 所示。其中，塔身及塔臂所受均布風載荷為：0.27/qkn m最大傾覆力矩：1570mkn m:彎扭塔臂水平慣性力：20fkn水平塔臂所受風載對其扭矩及工作時的工作扭矩，其中為塔身中心到起重端m風扭m工扭1l的最大距離，為塔身中心到平衡端的距離：2l222212()0.27(5512 )320708.922q llmmmmknm扭風扭工扭工扭塔臂所受的風載荷對塔身上部集中力為：12()0.27(55 12)18.09w

12、fq llkn本工程采用四桿式附墻架，附著桿受力如圖 5 所示：圖 5 塔機非工作狀態下附著桿受力圖同上分析，可得工作狀態塔臂平行于墻面時附著桿受力為：100.46156.94217.45xyfknfknmknm （其中，為按塔身變形比例關系等效到最上層附墻桿的扭矩。 ）mm塔臂垂直于墻面時附著桿受力為：156.94100.46217.45xyfknfknmknm同上分析，運用力法原理，解得工作狀態塔臂平行于墻面時各附著桿內力為：1234190.248.578.9846.21fknfknfknfkn 工作狀態塔臂垂直于墻面時各附著桿內力為：1234167.6736.5443.43117.84f

13、knfknfknfkn 綜合比較綜合比較4種工況下各附著桿內力，推出，最大壓力為種工況下各附著桿內力，推出，最大壓力為220.11kn，為非工作狀態塔臂，為非工作狀態塔臂平行于墻面時平行于墻面時d桿受力，在后面只需驗證桿受力，在后面只需驗證d桿穩定性即可。桿穩定性即可。4 附墻桿截面設計附墻桿截面設計4.1 選擇材料及截面面積選擇材料及截面面積鋼材等級：q235 查鋼結構設計規范（簡稱規范）： 2215/fn mm，其中為鋼材許用應力，為屈服應力。2235/yfn mmfyf截面類型：四角鋼組合格構式截面 （b 類）綴條類型：上下：對角三角形 ； 前后：有橫綴條對角三角形（減少由自重引起的下垂

14、彎度和撓度）（1）假設構件的長細比，可由整體穩定公式計算需要的截面面積 a。通常假設，當 n 較大而計算長度較小時，取較小值，反之取較大值。50100:根據值，截面分類和鋼種可查得穩定系數，根據鋼結構公式 4-23，則需要的截面面積為： naf初選 80根據查鋼結構表 4-5，得 235yf0.68832220.11 1014.880.688 215nacmf初選等邊三角鋼 綴條 63 4l30 3l截面積 a 為，則 。24.98cm24 4.9819.92cm（2）由于附墻桿兩端都是鉸連接，根據鋼結構設計規范，查表可得 12100110110 xylllmm0126.4xxyliimm按等

15、穩定性 ( ) 0.45xih0.45yib12126.42800.45126.42800.45xyihmmaibmma查表可得此種構架的撓度應查表可得此種構架的撓度應，為了減少附墻架的撓度，選，為了減少附墻架的撓度，選，400l420hmm綴條一般斜放角度為綴條一般斜放角度為之間最為合適，本設計選用之間最為合適，本設計選用。400bmm4070:554.2 桿件整體穩定性的計算桿件整體穩定性的計算單個角鋼截面特性： 24.98acm419.03xicm1.96xicm 407.89yicm01.26yicm整體截面特性： 219.92acm47496.12xicm19.4xicm 46702

16、.6yicm18.3yicm構件強度計算最大應力： （鋼3222220.11 10110.5/215/19.92 10nn mmn mma材許用應力） 平面內計算長度（mm）：10110根據材料力學第三版公式 14-6，計算平面內長細比： 1011052.1194xxli垂直于 x 軸各斜綴條毛截面面積之和： 213.498xacm根據鋼結構公式 4-30，計算平面內換算長細比：（鋼材許用長細比） 22119.924052.14054.31503.498oxxxaa根據鋼結構表 4-5，查軸心受壓穩定系數：0.721x根據鋼結構公式 4-23，構件平面內穩定計算最大應力：（鋼材許用應力）322

17、2220.11 10153.3/215/0.721 19.92 10 xnn mmn mma平面外計算長度：mm10110l 根據材料力學第三版公式 14-6，計算平面外長細比： 1011055.2183yyli垂直于 y 軸各斜綴條毛截面面積之和：213.498yacm根據鋼結構公式 4-30，計算平面內換算長細比：（鋼材許用長細比） 22119.924055.24057.21503.498oyyyaa根據鋼結構表 4-5，查軸心受壓穩定系數：0.693y根據鋼結構公式 4-23，構件平面外穩定計算最大應力：（鋼材許用應力）3222220.11 10159.5/215/0.693 19.92

18、 10ynn mmn mmfa 通過上述計算可知，桿件應力小于其臨界應力，故桿件整體穩定性符合工作要求。通過上述計算可知，桿件應力小于其臨界應力，故桿件整體穩定性符合工作要求。4.3 局部穩定性驗算局部穩定性驗算1) 肢件穩定性驗算取 01354lmm55查鋼結構附表 14 知：1min1.26iicm011max3542812.6280.70.7 5337.1li2) 綴條穩定性驗算根據鋼結構公式 4-37，得橫向剪力：219.92 102155.0398523585yfafvkn根據鋼結構公式 4-38，得每肢斜綴條軸向力： 1/25.0393.075cos2 cos35vnkn根據鋼結構

19、公式 4-31，進行剛度驗算：22354(3542 8.5)l 488.8mm查表可知15.9imm（鋼材許用長細比） 1488.882.81505.9li強度驗算3222220 10110.5/215/19.92 10nn mmn mma穩定性驗算 查鋼結構附表 17-3 知 280.9430.60.00150.64232213.075 1018.63/0.642138/0.943 175nn mmfn mma通過計算得知，綴條與肢件均滿足穩定性要求，故附墻桿局部穩定性達標。通過計算得知，綴條與肢件均滿足穩定性要求，故附墻桿局部穩定性達標。5 單肢角鋼撓度計算單肢角鋼撓度計算線質量 63 4

20、l3.907/mlkg m101105.05522llm3.907 10.1139.5mml lkg單1957mm gln m:單q235 鋼的彈性模量 32206 10/en mm慣性矩 （此種構架撓度應在之內）419.03icm400l在重力作用下的跨中撓度：2199.6912400400400mllfei所以單肢角鋼強度滿足要求。所以單肢角鋼強度滿足要求。經綜合分析，塔式起重機最上層附著桿在最大受力工況下，其整體穩定性與局部穩定經綜合分析，塔式起重機最上層附著桿在最大受力工況下，其整體穩定性與局部穩定性均能符合要求，故可以安全使用。性均能符合要求，故可以安全使用。6 基座連接螺栓校核基座

21、連接螺栓校核6.1 右基座連接螺栓校核及接合面工作能力校核右基座連接螺栓校核及接合面工作能力校核本次結構共有基座兩個，每個基座上共有耳板兩對，螺栓 6 個，右基座連接附著桿a、b，左基座連接附著桿 c、d。在上述四種工況下，a、b 桿受拉，c、d 桿受壓，右基座受力如圖 6 所示。現校核右基座連接螺栓，取四種工況下綜合拉力最大值，經比較，非工作狀態下塔臂平行于墻面時，a、b 桿對基座產生傾覆力矩較大；工作狀態下，塔臂垂直于墻面時，a、b 桿對基座產生拉力較大。故對此兩種情況下基座連接螺栓進行強度校核。圖 6 右基座受力簡圖（1）右基座螺栓預緊力的計算非工作狀態下塔臂平行于墻面時，。119.31

22、afkn27.11bfkn橫向力cos76cos6839oovabfffkn豎向力sin76sin68141oohabfffkn傾覆力矩1578516.4abmffknm（逆時針）在豎向力作用下，各螺栓所受工作拉力為：hf14123.56haffknz在傾覆力矩作用下，根據機械設計第七版公式 5-31，螺栓所受最大拉力為：maxmax6222116400 0.17523.52 (0.1750.175 )iimlfknl因此，螺栓所受最大拉力為：max47afffkn根據機械設計第七版公式 5-24，底板接合面不滑移條件，可得：0()mhsvbmcf zffk fcc其中，為接合面的摩擦系數，查

23、表取 0.16；f 為防滑系數，取 1.2；sk 取 0.8。mbmccc將數據代入上式，得：036.13fkn工作狀態下塔臂垂直于墻面時，。154.62afkn44.78bfkn同理，按照上述公式計算此工況下螺栓所需預緊力，得出：042fkn則螺栓預緊力應在兩者中取較大值，在此取。042fkn（2）右基座螺栓強度校核非工作狀態下塔臂平行于墻面時，根據機械設計第七版公式 5-18，右基座螺栓所受最大拉力為：20420.2 4745.6bbmcfffkncc根據機械設計第七版公式 5-14，螺栓拉應力為：22211.31.3 45.6252.417.29444fmpad螺栓按照 5.8 級選取，

24、其屈服強度為 400mpa，取安全系數 1.2，則其許用應力為： 3331.2smpa 故在非工作狀態下塔臂平行于墻面時，右基座螺栓可以安全使用。同理，工作狀態下塔臂垂直與墻面時，按照上述公式校核螺栓強度，得出螺栓的拉應力為：284.5mpa 333mpa故在工作狀態下塔臂垂直于墻面時，右基座螺栓可以安全使用。綜合得出，右基座上螺栓強度滿足要求，可以安全使用。綜合得出，右基座上螺栓強度滿足要求，可以安全使用。（3）校核螺栓組連接接合面的工作能力首先，連接接合面下端的許用擠壓應力應不超過許用值，根據機械設計第七版公式 5-36，可得：3max021() 10116400(6 420.8 141)

25、300 450450 30061.03 1.62.63mphbmcmzffaccwmpa其中，a 為接合面面積，；ab h w 為抗彎截面系數；。26bhw 查機械設計第七版表 5-7，可得混凝土的許用擠壓應力為 3mpa，故接合面下端不致壓碎。同理，按照上述公式，計算工作狀態下塔臂垂直于墻面時接合面抗壓能力，可得：max2.41pmpa查機械設計第七版表 5-7，可得混凝土的許用擠壓應力為 3mpa，故接合面下端不致壓碎。其次，連接接合面上端應保持一定的殘余預緊力，以防止受力時接合面間產生間隙，即最小擠壓應力應大于 0mpa，根據機械設計第七版公式 5-37，可得：min021()11640

26、0(6 420.8 141)300 450450 30061.03 1.60mphbmcmzffaccwmpa故接合面有可能產生間隙，需要改進。故接合面有可能產生間隙，需要改進。同理，按照上述公式，計算工作狀態下塔臂垂直于墻面時接合面的殘余預緊力，可得：min0.95 1.460pmpa故接合面有可能產生間隙，需要改進。故接合面有可能產生間隙，需要改進。綜合以上結論，右基座螺栓組連接接合面的混凝土部分可以承受擠壓力不至于被壓潰，綜合以上結論，右基座螺栓組連接接合面的混凝土部分可以承受擠壓力不至于被壓潰，但是接合面可能會產生間隙，影響其工作能力，建議對結構進行改進。但是接合面可能會產生間隙，影響

27、其工作能力，建議對結構進行改進。6.2 左基座連接螺栓校核及接合面工作能力校核左基座連接螺栓校核及接合面工作能力校核本次結構共有基座兩個，每個基座上共有耳板兩對，螺栓 6 個，右基座連接附著桿a、b，左基座連接附著桿 c、d。在上述四種工況下，a、b 桿受拉，c、d 桿受壓，左基座如圖 7 所示。現校核左基座連接螺栓，取四種工況下綜合拉力最大值，經比較，非工作狀態下塔臂平行于墻面時，c、d 桿對基座產生傾覆力矩及壓力較大。故對此種情況下基座連接螺栓進行強度校核。圖 7 左基座受力簡圖（1）左基座螺栓預緊力的計算非工作狀態下塔臂平行于墻面時，。108.58cfkn220.11dfkn橫向力cos

28、61cos70115.96oovcdfffkn豎向力sin61sin70307.51oohcdfffkn傾覆力矩1646628.93dcmffknm（逆時針）在豎向力作用下，各螺栓孔所受工作壓力為：hf307.5151.256haffknz在傾覆力矩作用下，根據機械設計第七版公式 5-31，螺栓所受最大拉力為：maxmax6222128931 0.17541.332 (0.1750.175 )iimlfknl因此，螺栓所受軸向工作載荷為：max9.92afffkn根據機械設計第七版公式 5-24，仍取螺栓預緊力，校核底板接合面042fkn不滑移條件是否滿足，可得：0()0.45(6 420.8

29、 307.51)224.1mhbmcf zffkncc1.2 115.96139.15svk fkn其中，為接合面的摩擦系數，查表取 0.16；f 為防滑系數，取 1.2；sk 取 0.8。mbmccc故接合面滿足不滑移條件，在此取。042fkn（2）右基座螺栓強度校核非工作狀態下塔臂平行于墻面時，根據機械設計第七版公式 5-18，左基座螺栓所受最大拉力為：20420.2 9.9240bbmcfffkncc根據機械設計第七版公式 5-14，螺栓拉應力為：22211.31.3 40220.517.29444fmpad螺栓按照 5.8 級選取，其屈服強度為 400mpa，取安全系數 1.2，則其許

30、用應力為： 3331.2smpa 故在非工作狀態下塔臂平行于墻面時，右基座螺栓可以安全使用。綜合得出，右基座上螺栓可以安全使用。綜合得出，右基座上螺栓可以安全使用。（3）校核螺栓組連接接合面的工作能力首先，連接接合面下端的許用擠壓應力應不超過許用值，根據機械設計第七版公式 5-36，可得：max0321()128931(6 420.8 307.5) 10300 450450 30063.692.866.55mphbmcmzffaccwmpa其中，a 為接合面面積，；ab h w 為抗彎截面系數；。26bhw 查查機械設計機械設計第七版表第七版表5-7，可得混凝土的許用擠壓應力為，可得混凝土的許

31、用擠壓應力為3mpa，故接合面下端可，故接合面下端可能被壓碎，需要改進。能被壓碎，需要改進。其次，連接接合面上端應保持一定的殘余預緊力，以防止受力時接合面間產生間隙，即最小擠壓應力應大于 0mpa，根據機械設計第七版公式 5-37，可得：min0321()128931(6 420.8 307.5) 10300 450450 30063.692.860.830mphbmcmzffaccwmpampa故接合面不會產生間隙，不影響正常工作。綜合以上結論，左基座螺栓組連接接合面的混凝土部分可能承受擠壓力被壓潰，影響綜合以上結論，左基座螺栓組連接接合面的混凝土部分可能承受擠壓力被壓潰，影響其工作能力，但

32、是接合面不會會產生間隙。其工作能力，但是接合面不會會產生間隙。7 基座部位銷軸及耳板強度校核基座部位銷軸及耳板強度校核基座部位銷軸為直徑 50，共 4 根，分別連接 4 根附墻桿，主要承受附墻桿對其的剪切。基座共有耳板 8 個，每 2 個為一對，用于連接銷軸，主要承受銷軸對其的擠壓作用，在此主要校核銷軸的剪切強度與耳板的擠壓強度是否滿足要求。根據材料力學第七版公式 2-23，計算其剪切強度：fa其中，a 為受剪面積，在此為銷軸的橫截面積。 f 為各桿內力，在此取四種工況下各桿內力最大值，取。因為是220fkn雙剪切面，故在此需除以 2。解得：3322110 10220 10456.03504fmpada銷軸材料為 q235，許用剪切應力為，故，銷軸剪切強度滿足要 100mpa 求。根據材料力學第七版公式 2-24，計算其擠壓強度：bsbspa其中，a 為擠壓面積，在此為耳板受擠壓的矩形面積。50 18 22a f 為各桿內力，在此取四種工況下各桿內力最大值，取。220fkn解得：3220 1077.850 18 22bsbspmpaa根據機械設計第七版