塔式起重机工作状态下的稳定性分析

塔式起重机工作状态下的稳定性分析
朱国庆 14010325
指导教师：郭翔鹰
摘要塔式起重机的稳定性是指塔式起重机在自重和外载荷的作用下抵抗倾翻的能力。

本文通过对影响其工作状态稳定性的相关因素的分析，导出了不同状态下塔式起重机稳定性判定公式，并提出了提高塔式起重机稳定性的措施。

关键词：塔式起重机稳定性分析
一、引言
塔式起重机（tower crane）简称塔机，亦称塔吊，起源于西欧。

动臂装在高耸塔身上部的旋转起重机。

作业空间大，主要用于房屋建筑施工中物料的垂直和水平输送及建筑构件的安装。

随着我国工程建设的快速发展，塔式起重机得到了广泛应用，由于塔式起重机臂架长，工作面大，结构连接点多，整机高度高，操作及现场管理人员专业素质不高等原因，导致起重机倒塌失稳事故经常发生，由此造成了巨大的人员伤亡和财产损失。

塔式起重机的稳定性是指塔式起重机在自重和外载荷的作用下抵抗倾翻的能力。

外载荷的变化通常会导致塔式起重机的稳定性发生变化。

当外载荷达到某一临界条件，塔式起重机失稳倒塌事故就可能会发生。

因此根据可能发生倾覆失稳的各种最不利载荷条
件对塔式起重机的稳定性进行判定校核就显得尤为重要[1]。

塔式起重机稳定性的判别条件为：各种载荷对倾覆边的力矩之和大于零[2]。

利用上
述条件进行计算时，规定起稳定作用的力矩方向为正，起倾翻作用的力矩为负。

实际应用中，可根据塔式起重机的稳定系数判定其稳定性。

塔式起重机的稳定系数可由下式表达：
K=M
稳
倾
式中，M为稳定系数；M
稳为起稳定作用的力矩之和，N·m；M
倾
为起倾翻作用的力
矩之和，N·m。

二、塔式起重机工作状态承受载荷
图1 塔式起重机工作状态承受载荷
塔式起重机工作状态承受载荷如图所示。

G表示起重机机架重量，G1表示起吊物体重量，G2表示平衡块重量，G3表示吊臂重量，与塔身中心线距离为l4，图中未标出。

F A,F B 分别为A、B点处所受约束力。

q为风载，风载方向既可以是图示方向，也可以和图示方向反向。

AB距离为l0，平衡块与机身中心线的距离为l1，物体起吊位置与中心线的距离为l2，塔机高度为l3。

三、塔式起重机工作状态下的稳定性
根据我国“起重机设计规范”（GB3811-83），塔机工作状态下的稳定性应按照三种不同工况进行校核，即○1无风、静载。

○2有风、动载。

○3突然卸载或吊具脱落。

3.1 无风、静载下的稳定性分析
根据图1，计算可得，无风静载条件下，塔式起重机满载并绕B点恰倾翻时，F A=0，此时的稳定系数K取最小值，最小值为：
K=
G·l0+G2·(l1+l0)
G1·(l2−l0)+G3·(l4−l0)
由K的表达式可知，无风静载条件下塔机的稳定性只与起吊物体的重量和起吊位置有关。

根据GB3811-83中的有关规定，K≥1.5，由此可计算出塔机的最大起吊重量。

当塔式起重机空载时，F B=0，此时的稳定系数K为：
K=G·l0+G3·(l4+l0) G2·(l1−l0)
此时必须保证塔机同样不致因为平衡块过重而倾翻。

3.2 有风、动载条件下的稳定性分析
有风动载条件下，考虑危险情形，则风载产生的力矩应为倾翻力矩，即图1所示风载方向。

塔式起重机满载并绕B点倾翻恰倾翻时，F A=0，此时稳定系数K有最小值，最小值为：
K=
G·l0+G2·(l1+l0) q·l3·
l3
2+G3·(l4−l0)+M D
式中，q为风载，M D为各项动载（包括工作机构的加速、启动和制动产生的惯性力）对塔机的倾翻力矩。

常取M D=1.25G1·l2。

由K的表达式可知，有风、动载条件下的稳定性除与起吊物体的重量和起吊位置有关，还与风载和工作机构的加速、启动、制动产生的惯性力矩有关。

根据GB3811-83的有关规定，可知K≥1.1，由此可推算出塔机工作时可以允许的最大风载。

此种情况下，同样需要考虑空载情形，此时计算时，风载应取与图1所示方向反向，以考虑最危险情况下，塔机绕A点倾翻时的情形，计算方法同上。

3.3 突然卸载或吊具脱落时的稳定性分析
突然卸载时，考虑危险情形，风载荷起倾翻作用，此时若恰绕A点倾翻，塔机稳定系数K为：
K=
G·l0+G3·(l4+l0)
G2·(l1−l0)+ξ·G1(l2+l0)+q·l3·
l3
2
式中，ξ是由于突然卸载而取的载荷系数，根据GB3811-83，ξ可取为0.2。

此时塔机稳定性与物体重量和位置，以及风载都有关。

此时K值应大于1，才可保证塔机不会倾翻。

四、影响塔式起重机工作状态稳定性的因素
根据以上分析可知，影响塔式起重机工作状态稳定性的因素主要有以下几个方面。

4.1 超载
塔式起重机的超载运行状态是指起重机在其起升载荷超过其最大允许起升载荷下
运行的状态[1]。

超载运行主要是由于起重机操作者对起吊重物的质量估计不足造成的。

被吊重物质量越大，起升载荷产生的倾翻力矩也相应增大。

而且一般情况下，重物质量越大，面积也越大，导致其迎风面积增加，也会降低起重机稳定性。

因此，塔式起重机严禁超载作业。

4.2 惯性载荷
惯性载荷的产生主要是由于启动与制动过程中产生的惯性载荷以及货物及塔式起
重机的转动部分在旋转时产生的离心载荷[3]。

在正常操作情况下，惯性载荷一般不会对
塔机整体稳定性造成影响，但操作者违反操作规程或机构调速失效，会造成上述两种惯性力突然增大，影响起重机的稳定性。

4.3风载荷
风载荷是塔式起重机工作状态稳定性的重要影响因素。

由于塔式起重机一般比较高，所以迎风面积大，风力作用也比较大，由此产生的倾翻力矩也很大。

规范规定，工作状态的风速上限为20m/s[4]。

若塔式起重机在超过设计规定的风力下工作，就可能会导致失稳倾翻。

因此，对于安装高度较大的塔式起重机，一般会在塔顶安装风速仪，随时监测风速。

表1 风级风速风压对照表
4.4配重载荷
配重载荷即平衡块重量。

为增加塔式起重机在吊重时的稳定性，往往在起重机后部增加一定数量的配重，并将各机构尽量往后布置。

当塔机空载时，这些重量就构成向后倾翻的力矩，再加上风载，就有可能导致塔机向后倾翻。

因此塔机配重既要保证工作状态的稳定性，又要保证空载时的稳定性。

五、结论
本文对塔式起重机三种工作状态下倾翻的情况进行了分析并对各状态临界条件下的稳定系数公式进行了推导。

由稳定系数公式可知影响塔式起重机工作状态下的稳定性因素主要有重物质量和起吊位置，惯性载荷，风载荷和配重。

其中重物质量和风载荷对起重机稳定性的影响尤为突出。

因此起重机在使用时需标明最大载荷和工作风载。

而且重物起吊时应平稳、缓慢降低惯性载荷对起重机稳定性的影响。

参考文献
[1]潘凤鸣,林梅,冯永华.塔式起重机工作状态稳定性判定及影响因素分析[J].机械研究与应用,2009,02:35-36.
[2]王嘉顺,朱国征.塔式起重机的稳定性[J].劳动保护,2003,01:62-63.
[3]文淑珍.塔式起重机失稳倾覆原因分析[J].建筑安全，1999（5）：12-13.
[4]龚赐立，朱森林，刘刚.塔式起重机整机稳定性浅析[J].建筑机械化，2008（4）：63-65.。