塔式起重机附着杆的计算和安装要求

塔式起重机附着杆的计算和安装要求
【摘要】：塔式起重机附着杆是超过自由高度安全工作的关键性结构，在使用前必须进行强度校核和稳定性校核，本文根据拉压杆的强度设计准则和稳定性设计准则介绍了各附着杆的校核方法，并简要说明了附着杆的安装要求。

【关键词】：塔式起重机附着杆强度稳定校核安装
塔式起重机是建筑行业中非常常见的起重机械，当塔式起重机的使用高度超过自由高度时，就必须增加附着框和附着杆，附着框是厂家标准配置的，而附着杆很多情况下需要单独加工（以四川建筑机械厂出的C4513为例，附着装置结构简图如图1，附着杆结构见图如图2，可为槽钢、工字钢等），由于塔式起重机是一种高危险性机械，附着杆加工之前必须先进行计算校核，即使是现成的附着杆，在安装之前也要重新进行计算校核，只有当确定该杆是安全杆之后才能安装使用。

本例以某工程的C4513塔吊为例，介绍附着杆的计算校核过程。

图 1 附着及附着杆简图图2附着杆简图
1 附着杆的计算校核
在本例中，附墙位置选在两根立柱上，图3所示图形为根据C4513塔机附着外框和建筑物的实际尺寸绘制而成，由于塔身所受扭矩几乎全部由最高一道附着承担，故选择最高一道附着为研究对象，以此道附着杆的负荷作为设计或校核附着杆的依据，然后根据强度失效判据和稳定性判定准则进行检验各杆的安全性。

1.1 附着杆内力计算
附着杆的结构形式一般有M,N型两种方式，本例为N型，选材可以采用工字钢、槽钢、钢管、方钢等，在这里就以槽钢对接成方钢样式、三杆连接为例分别对三个附着杆进行计算和校核。

如图1所示。

附着杆的受力主要是受拉压力，所以附着杆的计算可简化为拉压杆计算，取附着框为研究对象，三个附着杆所受内力分别为f1、f2、f3, 塔机所受的外载荷有：平衡臂和起重臂产生的不平衡力矩、动载荷，风载荷、回转惯性力等所有这些外载荷在塔身截面将合成为一剪力R,力R的最大值在塔式起重机的说明书
中可直接查到使用，力R角度可以变化，力R与X轴夹角为θ，其他尺寸参数如图所示。

附着杆选用16#Q235槽钢，中间加缀板连接，如图2所示。

附着框的受力分析图如图3所示，该图为根据现场位置和建筑物实际尺寸绘制，附着位置及杆长、其他尺寸均如图中标示：
图3附着杆内力计算简图
三个附着杆的内力分别用f2、f3、f1表示，附着框中心o到各杆内力的垂直距离由图中可以直接得到，取附着框为研究对象，由一般物体的平衡条件，可分别由Σy=0, Σx=0和ΣMO=0（各力对o点取矩）得出以下3个方程：
sinθ×R=sin58°×f1+ sin40°×f3+sin58×f2
cosθ×R+cos58 °×f2=cos58°×f1+cos40°×f3
0.3168 f1 =1.3736 f3+0.3168 f2
由以上三个方程可求出f1=R(0.59 sinθ+0.583 cosθ)
f2=R(0.59 sinθ-0.83 cosθ)
f3 =0.326R cosθ
在塔吊工作过程中，θ角是可以随意变化的，力R的最大值在说明书中查到为157.6kN,根据上面三个式子求出各附着杆所受的最大内力，计算校核此种情况下杆件的安全性，如果杆件在最大压力和最大拉力的情况下都是安全的，说明该附着杆安全，由图不难看出在以下三种工况下的可能存在最大拉压力：1、当θ=90度或θ=270度时。

f1=92.984 kN，f2=92.984 kN，f3 =0
f1=-92.984 kN，f2=-92.984 kN，f3 =0
2、θ=0或θ=180度时。

f1=91.88 kN，f2=-130.8 kN，f3 =51.378 kN
f1=-91.88 kN，f2=130.8 kN，f3 =-51.378 kN
3、θ=45度或135度
f1=130.65 kN，f2=-0.17 kN，f3 =36.248 kN
f1=-130.65 kN，f2=0.17 kN，f3 =-36.248 kN
由此可求出最大内力发生在f2杆上f2=130.8 kN。

1.2附着杆的强度校核
图4 附着杆受力简图
如图4所示，考虑到附着杆自身重量的影响，由图3知杆2长度为3.084米，查型钢表知16#槽钢参数：单位重量为19.74 kg/米,Wy=17.55cm3,截面积25.15cm2,。

附着杆重力G1=2×3.084米×19.74kg/米×10N/kg=1217.56 N
考虑到缀板的重量，再乘以系数1.3的总重G=1.3× G1=1582.828 N
杆2所受的最大正应力为：σmax=f2/A+G/w。

σmax=130.8×103/(2×25.15×10-4)+1582.828/(2×17.55×10-6)=71.1MPa
参考《建筑机械钢结构》，知钢材的许用应力的安全系数ns=1.5.Q235槽钢的屈服强度σs=235MPa,
许用应力[σ]= σs/1.5=156.7 MPa.
由强度设计准则得出：
σmax =71.1 MPa =2b0/3,厚度tp>=b0/40,且不小于6毫米。

查型钢表16号槽钢对虚轴的回转半径i1=1.82cm
缀板宽度bp>=2b0/3=2×12.5cm/3=8.33cm,取bp=12cm.
缀板厚度tp>=b0/40=12.5/40=3.13毫米，取tp=8毫米
缀板间净距离l01=Λ1i1=25×1.82cm=45.5cm,取l01=45cm
缀板中心间距离l1= l01+bp=45cm+12cm=57cm
分肢线刚度R1= I1/i1=83.4/1.82=45.82
缀板惯性矩：根据材料力学表3-1中关于矩形惯性矩计算公式
Ip=（1/12）lp×(bp)3=(1/12) ×12cm×123cm=1728cm4
两缀板线刚度和：2×Ip/ b0=2×1728/12.5=276.4
线刚度比值：276.4/45.82=6.03>6
缀板的刚度满足。

（2）缀板的内力计算、强度计算
根据《建筑机械钢结构》表1-1，Q235钢材的屈服强度fy=235MPa,设计强度f=215 MPa,根据《建筑机械钢结构》公式5-66、5-70、5-71得：
组合体内剪力V=(2a×f/85) ×fy/235
=(2×25.15×10-4×215×106/85) =12.7kN
一侧缀板内力V1=V/2=12.7/2=6.35 kN
缀板剪力T= V1×l1/b0=6.35×60cm/12cm=31.75 kN
与肢件连接处的弯矩M=T×b0/2=31.75×12.5×10-2/2=1.98kN.m
缀板与肢件间用角焊缝连接，角焊缝承受剪力和弯矩的共同作用，因角焊缝强度设计值为ffw=160 MPa，小于钢材的强度设计值，所以只需计算焊缝而不用计算缀板强度。

焊缝采用焊脚hf=6毫米，焊缝长度lw=120毫米。

根据《建筑机械钢结构》公式3-12及相关参数说明得：
焊缝的有效厚度he=0.7hf，强度设计值增大系数βf=1.22
焊缝的截面积Aw=2×he×lw=2×0.7×6×10-3×120×10-3=1.008×10-3m2
焊缝的截面模量Ww= 2×he×lw2/6=2×0.7×6×10-3×(120×10-3)2/6=20.16×10-6m2
焊缝中的应力：τf=T/Aw=31.75×103/1.008×10-3=31.5×106
σf=M/Ww=1.98×103/20.16×10-6=0.098×109
根据《建筑机械钢结构》公式3-12，验算焊缝的强度
（σf/βf）2+τf2 = (0.098×109/1.22)2+(31.5×106)2=83.6MPa<ffw=160 MPa
焊缝强度满足要求。

2 附着杆的安装要求
经过以上对附着杆的计算，附着杆是安全杆，可以施工使用，但在安装过程中还需注意以下几个问题。

（1）附着杆安装时首先用销轴将附着杆和附着框连接，然后在两个侧面用经纬仪测塔吊的垂直度，如果偏差较大，可以使塔吊吊起一个重物，调整大臂位置，直到塔吊基本垂直为止，此时开始焊接附着杆。

（2）如果所选的附着点墙壁较薄，在预埋钢板时将附着点周围的钢筋加密，增强附着点的强度。

（3）相邻两道附着杆中杆3的斜向必须相反。

结语
塔式起重机属特种机械设备，在项目部管理中属机械安全管理的重点，坚持“安全第一”的生产方针，因此在塔式起重机的使用中，附着杆校核是一项非常重要的一步。