超高层建筑动臂式塔式起重机风作用动力性能分析的方法
【专利摘要】本发明公开了一种超高层建筑动臂式塔式起重机风作用动力性能分析的方法，该方法包括以下步骤：计算臂架，塔身，塔顶受到的风作用力的大小；分别用这些载荷除载荷对应的关键点个数，将风作用力平均分配到关键点上；在工作状态的风作用力和非工作状态的风作用力，进行计算，验证对塔式起重机的影响；对起重机整机受力情况和钢结构中各杆的受力情况进行分析，使得受力合理。本发明通过从塔式起重机的结构强度、稳定性分析风作用动力性能对其影响，并从风载等方面具体分析设计和使用过程存在的抗风问题，提高了塔式起重机能抵御风害的能力，为以后的塔式起重机的加固设计中有借鉴作用。本发明方法简单，操作方便，提高了塔式起重机的安全性能。
【专利说明】超高层建筑动臂式塔式起重机风作用动力性能分析的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于建筑机械【技术领域】，尤其涉及一种超高层建筑动臂式塔式起重机风作用动力性能分析的方法。
【背景技术】
[0002]塔式起重机是建筑施工必不可少的关键设备，是施工企业装备水平的标志性重要装备之一，金属结构作为塔机的主要骨架，其结构强度和刚度决定着塔机的工作可靠性和安全性，因此，对其进行结构静态和动态分析是塔机设计中一项极为重要的工作，近年来，起重机的事故频繁，给国家财产和人身安全造成了很大的损失，也延误了生产和施工的如期完成，从事故的调查结果来看，部分事故是因受风作用力的影响而造成的，因此塔式起重机能有效抵御风害，是促进安全生产和保证作业顺利开展的一项重要工作。
[0003]目前特别是超高层建筑用塔式起重机在设计中很少考虑风作用力在工作中的影响，而由于施工条件的限制，常常超出其限定高度，如果加上风作用力的工作条件，从而可能造成塔吊的倾覆。
【发明内容】
[0004]本发明实施例的目的在于提供一种超高层建筑动臂式塔式起重机风作用动力性能分析的方法，旨在解决目前特别是超高层建筑用塔式起重机在设计中很少考虑风作用力在工作中的影响的问题。
[0005]本发明实施例是这样实现的，一种超高层建筑动臂式塔式起重机风作用动力性能分析的方法，该超高层建筑动臂式塔式起重机风作用动力性能分析的方法包括以下步骤:
[0006]计算臂架，塔身，塔顶受到的风作用力的大小；
[0007]分别用这些载荷除载荷对应的关键点个数，将风作用力平均分配到关键点上；
[0008]在工作状态的风作用力和非工作状态的风作用力，进行计算，验证对塔式起重机的影响；
[0009]对起重机整机受力情况和钢结构中各杆的受力情况进行分析，使得受力合理。
[0010]进一步，计算臂架，塔身，塔顶受到的风作用力的大小的具体步骤为:
[0011]根据塔式起重机的实际受力情况，将配重、吊重、惯性荷载以等效节点荷载施加于相应的节点；
[0012]对于风荷载等效为均布线荷载施加于相应的单元，塔身与侧向支撑桁架问简化为铰接，等效为单自由度的节点约束；
[0013]塔身与固定基础联结节点视为固定支座,六个自由度全部约束。
[0014]进一步，对工作状态下的塔式起重机进行受力分析的具体方法为:
[0015]在工作状态下，取下面3种工况作为计算工况，对塔身进行有限元计算分析，工况
1:起重臂平行于Y轴，风从吊臂吹向配重；工况2:起重臂平行于X轴，与风向垂直；工况3:起重臂与X、Y轴为45°夹角，风向平行于起重臂；[0016]进一步，通过分析比较三种工况可得出以下结论:所受的当风垂直吹向起重机臂架时，作用在臂架上和吊重上的风作用力使起重机机身产生一个扭矩M，把这个扭矩分解到机身的四边平面桁架上，四片平面桁架的腹杆将产生一个应力σ i与风作用力的大小、风心的作用点距机身的水平距离成正比，很显然，风载越大，臂架所处的幅度越大，腹杆中的σ i就越大，另外，臂架自重力、吊重力及回转惯性力也将使塔身腹杆产生一个应力Q1, 02也与幅度大小成正比，在实际设计计算时可以发现，在某一风载时，Q1已经远远大于σ2，说明此时控制腹杆应力值的主要因素为风载，因此，在臂架处于大幅度位置时，要特别注意垂直风造成的机身腹杆的失稳而导致起重机破坏；
[0017]当风顺起重机臂架迎面吹时，起重机在最小幅度时，风载将使起重机臂架绕臂架根铰产生后倾弯距，如果风载超过一定值，并且起重机正好是空钩，这个后倾弯矩将克服臂架自重力的前倾弯矩，使臂架向后倾翻，对于没有设置臂架防后倾装置的起重机，臂架的后倾将导致整机破坏，故应设置有臂架防后倾装置。
[0018]本发明提供的超高层建筑动臂式塔式起重机风作用动力性能分析的方法，通过从塔式起重机的结构强度、稳定性分析风作用动力性能对其影响，并从风载等方面具体分析设计和使用过程存在的抗风问题，提高了塔式起重机能抵御风害的能力，促进了安全生产和保证了作业顺利开展，具有很好的经济效果，有效的节省财力、人力和物力，为以后的塔式起重机的加固设计中有借鉴作用。本发明方法简单，操作方便，提高了塔式起重机的安全性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明实施例提供的超高层建筑动臂式塔式起重机风作用动力性能分析的方法的流程图；
[0020]图2是本发明实施例提供的工况分析示意图；
[0021]图3是本发明实施例提供的有限元分析模型示意图。
【具体实施方式】
[0022]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0023]图1示出了本发明提供的超高层建筑动臂式塔式起重机风作用动力性能分析的方法流程。为了便于说明，仅仅示出了与本发明相关的部分。
[0024]本发明实施例的超高层建筑动臂式塔式起重机风作用动力性能分析的方法，该超高层建筑动臂式塔式起重机风作用动力性能分析的方法包括以下步骤:
[0025]计算臂架，塔身，塔顶受到的风作用力的大小；
[0026]分别用这些载荷除载荷对应的关键点个数，将风作用力平均分配到关键点上；
[0027]在工作状态的风作用力和非工作状态的风作用力，进行计算，验证对塔式起重机的影响；
[0028]对起重机整机受力情况和钢结构中各杆的受力情况进行分析，使得受力合理。
[0029]作为本发明实施例的一优化方案，计算臂架，塔身，塔顶受到的风作用力的大小的具体步骤为:
[0030]根据塔式起重机的实际受力情况，将配重、吊重、惯性荷载以等效节点荷载施加于相应的节点；
[0031]对于风荷载等效为均布线荷载施加于相应的单元，塔身与侧向支撑桁架问简化为铰接，等效为单自由度的节点约束；
[0032]塔身与固定基础联结节点视为固定支座,六个自由度全部约束。
[0033]作为本发明实施例的一优化方案，对工作状态下的塔式起重机进行受力分析的具体方法为:
[0034]在工作状态下，取下面3种工况作为计算工况，对塔身进行有限元计算分析，工况
1:起重臂平行于Y轴，风从吊臂吹向配重；工况2:起重臂平行于X轴，与风向垂直；工况3:起重臂与X、Y轴为45°夹角，风向平行于起重臂。
[0035]作为本发明实施例的一优化方案，通过分析比较三种工况可得出以下结论:所受的当风垂直吹向起重机臂架时，作用在臂架上和吊重上的风作用力使起重机机身产生一个扭矩Μ，把这个扭矩分解到机身的四边平面桁架上，四片平面桁架的腹杆将产生一个应力O !与风作用力的大小、风心的作用点距机身的水平距离成正比，很显然，风载越大，臂架所处的幅度越大，腹杆中的O1就越大，另外，臂架自重力、吊重力及回转惯性力也将使塔身腹杆产生一个应力O1, O2也与幅度大小成正比，在实际设计计算时可以发现，在某一风载时，O1已经远远大于O2， 说明此时控制腹杆应力值的主要因素为风载，因此，在臂架处于大幅度位置时，要特别注意垂直风造成的机身腹杆的失稳而导致起重机破坏；
[0036]当风顺起重机臂架迎面吹时，起重机在最小幅度时，风载将使起重机臂架绕臂架根铰产生后倾弯距，如果风载超过一定值，并且起重机正好是空钩，这个后倾弯矩将克服臂架自重力的前倾弯矩，使臂架向后倾翻，对于没有设置臂架防后倾装置的起重机，臂架的后倾将导致整机破坏，故应设置有臂架防后倾装置。
[0037]下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
[0038]如图1所示，本发明实施例的超高层建筑动臂式塔式起重机风作用动力性能分析的方法包括以下步骤:
[0039]SlOl:计算臂架，塔身，塔顶受到的风作用力的大小；
[0040]S102:分别用这些载荷除载荷对应的关键点个数，将风作用力平均分配到关键点上；
[0041]S103:在工作状态的风作用力和非工作状态的风作用力，进行计算，验证对塔式起重机的影响；
[0042]S104:对起重机整机受力情况和钢结构中各杆的受力情况进行分析，使得受力合理。
[0043]本发明的工作原理为:
[0044]对于风作用力，先计算臂架，塔身，塔顶受到的风作用力的大小，分别用这些载荷除载荷对应的关键点个数，从而将风作用力平均分配到关键点上，风作用动力性能即在塔式起重机和物品上的风载荷，可分为工作状态的风作用力和非工作状态的风作用力两类；工作状态的风作用力又有三种工况，对于风作用力，先计算臂架，塔身，塔顶受到的风作用力的大小，分别用这些载荷除载荷对应的关键点个数，从而将风作用力平均分配到关键点上；
[0045]如图1所示塔吊的有限元模型，首先对塔机边界条件的处理，根据塔式起重机的实际受力情况，将配重、吊重、惯性荷载等以等效节点荷载施加于相应的节点；对于风荷载等效为均布线荷载施加于相应的单元，塔身与侧向支撑桁架问简化为铰接，等效为单自由度的节点约束，塔身与固定基础联结节点视为固定支座，将其六个自由度全部约束；
[0046]本发明的具体实施例:
[0047]如图2所示风作用动力性能工况分析，起重机的风作用分析包括工作状态和非工作状态二种情况，第一不能遗漏，第二风压取值要准确，工作状态最大计算风压，用于计算金属结构的强度、刚度及稳定性，验算整机工作状态下的抗倾覆稳定性；非工作状态计算风压，用于验算此时起重机金属结构的强度、整机抗倾覆稳定性和起重机的防风抗滑安全装置的设计计算，要根据起重机的特殊性和起重机的具体工作特性明确起重机整机受力情况和钢结构中各杆的受力情况，使得受力合理，避免因受力分析不清而导致设计错误，同时要设置完善、有效、合理的防风装置，比如风速仪提供风速风级报警；
[0048](一)风作用对塔式起重机工作状态下影响:塔身在工作过程中，由于吊臂的旋转，引起塔身受力状态的变化，其受力状况，本发明主要对工作状态下的塔吊进行受力分析，在工作状态下，取下面3种工况作为计算工况，对塔身进行有限元计算分析，由于塔式起重机工作状态的风压不考虑高度变化，一般按六级风压计算；塔机的非工作状态风压均需考虑高度的变化，
[0049]工况1:起重臂平行于Y轴，风从吊臂吹向配重；
[0050]工况2:起重臂平行于X轴，与风向垂直；
[0051]工况3:起重臂与X、Y轴为45°夹角，风向平行于起重臂，
[0052]通过分析比较三种工况可得`出以下结论:所受的当风垂直吹向起重机臂架时，作用在臂架上和吊重上的风作用力使起重机机身产生一个扭矩M，把这个扭矩分解到机身的四边平面桁架上，四片平面桁架的腹杆将产生一个应力σ I与风作用力的大小、风心的作用点距机身的水平距离成正比，很显然，风载越大，臂架所处的幅度越大，腹杆中的σ I就越大，另外，臂架自重力、吊重力及回转惯性力也将使塔身腹杆产生一个应力σ?，ο2也与幅度大小成正比，在实际设计计算时可以发现，在某一风载时，σ I已经远远大于σ2，这就说明此时控制腹杆应力值的主要因素为风载，因此，在臂架处于大幅度位置时，要特别注意垂直风造成的机身腹杆的失稳而导致起重机破坏；
[0053]当风顺起重机臂架迎面吹时，起重机在最小幅度时，风载将使起重机臂架绕臂架根铰产生后倾弯距，如果风载超过一定值，并且起重机正好是空钩，这个后倾弯矩将克服臂架自重力的前倾弯矩，使臂架向后倾翻，对于没有设置臂架防后倾装置的起重机，臂架的后倾将导致整机破坏，故应设有臂架防后倾装置；
[0054]( 二)风作用对非工作状态起重机的影响:非工作状态下风荷载对起重机的钢结构设计、抗倾覆稳定性和防风抗滑安全装置起决定作用，起重机安全规程中规定:在轨道上露天作业的起重机，当遇强台风停止工作时，应将起重机锚定住，此时，风对起重机的作用，就同一般的建筑结构相似了，但仍有不同，不同之处在于，一般建筑物与基础的连接是永久的，而起重机与地面(或称基础)为临时连接，田需考虑连接装置场地的限制与操作的方便性；[0055]另外通过有限元分析塔身加固前后在3种载荷工况作用下的位移计算，三种工况塔身的变形均小于塔身高度的1/100，满足塔式起重机设计规范的刚度要求，因此，塔式起重机在进行了有效加固后，使起重机的刚度得到了很大的提高，其理论计算的稳定性和安全性得到了有效地保证；
[0056]通过以下研究对本发明做进一步的说明:
[0057]ABAQUS对材料时变模型的分析步骤
[0058]ABAQUS对材料时变模型的分析步骤如下:
[0059](I)材料刚度非线性特征的描述体系随着重物提升高度的上升，吊绳长度的减小，体系刚度的变化函数，在中后期体现强烈的非线性特征；
[0060]既可以把体系的整体刚度特征定义为时间的函数，也可以定义为竖向位移值的函数，根据体系动力响应的分析特点，定义为时间的函数变量一致，分析步中较容易控制，在得到该函数后，利用场变量，则可以简单地表示出体系整体刚度特征随着体系运动时间的改变关系；
[0061](2)材料刚度非线性时变在ABAQUS中的实现
[0062]利用(材料场变量-时间)这一转换模式实行， 具体步骤如下:
[0063]I)材料刚度特征利用场变量指定
[0064]2)在以上的指定中，给出一个线性变化的刚度函数，为了联系上体系的非线性特征，再根据一个非线性变化的AMP幅值函数定义，与场变量关联，即可表示出前面的非线性刚度时变材性；
[0065]3)对于场变量FILEDl与幅值函数的关联，由于ABAQUS的CAE不支持材料时变的场变量输入，故只能在INP文件中进行修改和处理；
[0066]通过以上三个步骤，即实现了塔机提升过程中，体系刚度时变的动力分析；
[0067]2模型参数确定
[0068]模型参数:
[0069](I)体系运动微分方程建立如下:
[0070]My(t) + Cy(t) + K (t)y(t) = Fw (t) + Fa (t)
[0071]K(t)_随提升时间，吊索长度改变而变化的刚度系数
[0072]Fw (t)_ 风荷载
[0073]Fa⑴-吊臂变幅力
[0074]上式与常规动力体系比对，主要差异在于刚度系数随动变化，按前述假定，将吊臂和吊绳的振动作为高阶振型滤去，主要分析重物的水平振动模式，则按瞬时动平衡条件可知，刚度系数为吊绳长度或运行速度的函数，当运行速度为匀速时，也可直接表示为起吊时间的函数，可得刚度系数与提升时间的函数关系为
W
[0075]^(0 = —-:
//-V
[0076](2)模型分析中基本参数的选择
[0077]取M900D为分析对象如表1所示，
[0078]表1 M900D分析对象
[0079]
【权利要求】
1.一种超高层建筑动臂式塔式起重机风作用动力性能分析的方法，其特征在于，该超高层建筑动臂式塔式起重机风作用动力性能分析的方法包括以下步骤: 计算臂架，塔身，塔顶受到的风作用力的大小； 分别用载荷除载荷对应的关键点个数，将风作用力平均分配到关键点上； 在工作状态的风作用力和非工作状态的风作用力，进行计算，验证对塔式起重机的影响； 对起重机整机受力情况和钢结构中各杆的受力情况进行分析，使得受力合理。
2.如权利要求1所述的超高层建筑动臂式塔式起重机风作用动力性能分析的方法，其特征在于，计算臂架，塔身，塔顶受到的风作用力的大小的具体步骤为: 根据塔式起重机的实际受力情况，将配重、吊重、惯性荷载以等效节点荷载施加于相应的节点； 对于风荷载等效为均布线荷载施加于相应的单元，塔身与侧向支撑桁架问简化为铰接，等效为单自由度的节点约束； 塔身与固定基础联结节点视为固定支座，六个自由度全部约束。
3.如权利要求1所述的超高层建筑动臂式塔式起重机风作用动力性能分析的方法，其特征在于，对工作状态下的塔式起重机进行受力分析的具体方法为: 在工作状态下，取下面3种工况作为计算工况，对塔身进行有限元计算分析，工况1:起重臂平行于Y轴，风从吊臂吹向配重；工况2:起重臂平行于X轴，与风向垂直；工况3:起重臂与X、Y轴为45°夹角，风向平行于起重臂。
4.如权利要求3所述的超高层建筑动臂式塔式起重机风作用动力性能分析的方法，其特征在于，通过分析比较三种工况可得出以下结论:所受的当风垂直吹向起重机臂架时，作用在臂架上和吊重上的风作用力使起重机机身产生一个扭矩Μ，把这个扭矩分解到机身的四边平面桁架上，四片平面桁架的腹杆将产生一个应力σ i与风作用力的大小、风心的作用点距机身的水平距离成正比，很显然，风载越大，臂架所处的幅度越大，腹杆中的O1就越大，另外，臂架自重力、吊重力及回转惯性力也将使塔身腹杆产生一个应力％，σ2也与幅度大小成正比，在实际设计计算时可以发现，在某一风载时，Q1已经远远大于σ2，说明此时控制腹杆应力值的主要因素为风载，因此，在臂架处于大幅度位置时，要特别注意垂直风造成的机身腹杆的失稳而导致起重机破坏； 当风顺起重机臂架迎面吹时，起重机在最小幅度时，风载将使起重机臂架绕臂架根铰产生后倾弯距，如果风载超过设定值，并且起重机正好是空钩，这个后倾弯矩将克服臂架自重力的前倾弯矩，使臂架向后倾翻，对于没有设置臂架防后倾装置的起重机，臂架的后倾将导致整机破坏，故应设置有臂架防后倾装置。
【文档编号】B66C23/00GK103778321SQ201410000301
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月2日 优先权日:2014年1月2日
【发明者】彭雪鹏, 王永红, 孙荣庆 申请人:彭雪鹏