肖丹玲

廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣東 廣州 510500

塔式起重機(jī)（以下簡稱“塔機(jī)”）具有起升高度高、起重量大、作業(yè)范圍廣、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代建筑領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為現(xiàn)代施工中必不可少的關(guān)鍵設(shè)備，是施工企業(yè)裝備水平的標(biāo)志。由于塔機(jī)重心高、回轉(zhuǎn)半徑大、長期處于露天作業(yè)等特點(diǎn)，在工作及非工作狀態(tài)下受周邊環(huán)境影響很大，其中臺風(fēng)是自然界對塔機(jī)影響危害最大而且最為頻繁的因素，臺風(fēng)對沿海地區(qū)的影響尤甚。

2014年7月18—19日，超強(qiáng)臺風(fēng)“威馬遜”先后在海南、廣東、廣西3次登陸。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海南省在本次臺風(fēng)中至少有119臺塔式起重機(jī)與33臺其他類型的起重機(jī)械倒塌、110臺塔式起重機(jī)受到不同程度損傷[1]。臺風(fēng)“彩虹”于2015年10月4日正面登陸湛江，造成當(dāng)?shù)亟ㄖさ?2臺塔機(jī)倒塌，40臺塔機(jī)受損。臺風(fēng)“天鴿”于2017年8月23日在珠海市金灣區(qū)登陸，造成珠海市建筑工地110臺塔機(jī)倒塌，27臺塔機(jī)受損[2]。

臺風(fēng)對起重機(jī)械尤其是塔機(jī)的破壞而造成的直接和間接損失觸目驚心，臺風(fēng)對建筑起重機(jī)械造成的重大危害已經(jīng)引起建設(shè)行政主管部門、建筑施工企業(yè)、制造廠商及租賃安裝單位的高度重視，解決該問題迫在眉睫。

若能對塔式起重機(jī)的抗風(fēng)性能等級進(jìn)行評估，并有針對性地采取抗風(fēng)措施，將有助于提高塔式起重機(jī)抵抗臺風(fēng)破壞的能力。國內(nèi)也有學(xué)者針對塔式起重機(jī)的抗風(fēng)計(jì)算進(jìn)行研究，鄢長等[3]通過對外附式塔吊附著撐桿及相連附墻設(shè)置的受力計(jì)算分析，制定了合理的塔吊附著方案；夏燁等[4]提出大跨橋梁施工過程中附著高聳塔吊精細(xì)化抗風(fēng)分析流程，并以南京長江五橋?yàn)槔?，對橋?塔吊聯(lián)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抖振風(fēng)荷載時程分析，并進(jìn)行了安全性綜合評價；殷揚(yáng)等[5]圍繞MD3600塔吊在蘇通大橋應(yīng)用中的抗風(fēng)安全評估分析進(jìn)行了模態(tài)識別測試、結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測、風(fēng)速場和抖振力模擬、結(jié)構(gòu)有限元時程響應(yīng)分析、有限元計(jì)算結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析和模型優(yōu)化，以及索塔-塔吊聯(lián)合體系抗風(fēng)安全性評估等科研工作；陳偉等[6]研究了塔機(jī)風(fēng)荷載CFD數(shù)值模擬方法，并將模擬結(jié)果與規(guī)范風(fēng)載荷數(shù)值進(jìn)行對比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確有效及設(shè)計(jì)規(guī)范僅考慮順風(fēng)向風(fēng)載荷的準(zhǔn)確性和塔機(jī)沿順風(fēng)向進(jìn)行放置能有效抗風(fēng)的正確性，但尚無學(xué)者提出塔吊抗臺風(fēng)性能等級的評估方法。

通過現(xiàn)場踏勘，對塔式起重機(jī)破壞模式進(jìn)行分析可知，建筑工地塔吊在臺風(fēng)侵襲下的破壞主要表現(xiàn)為：無附著獨(dú)立塔式起重機(jī)超過最大自由高度發(fā)生整體倒塌、無附著獨(dú)立塔式起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)螺栓連接失效發(fā)生破壞、附著式塔式起重機(jī)懸臂高度超過最大懸高，在最上道附著處失效發(fā)生折斷破壞、附著式塔式起重機(jī)附著連接失效而發(fā)生倒塌或傾斜。

1 塔式起重機(jī)抗臺風(fēng)性能等級評價

1.1 基本技術(shù)參數(shù)

某塔式起重機(jī)（圖1）的基本參數(shù)如下：鋼材型號為Q345B，主肢為135 mm×12 mm方管，斜腹桿為80 mm×5 mm方管，水平橫桿為50 mm×4 mm方管，兩端橫桿為80 mm×5 mm方管。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)外截面尺寸為1.8 m×1.8 m×2.5 m，數(shù)量22節(jié)，總高55 m。

圖1 塔式起重機(jī)總裝示意

1.2 抗臺風(fēng)性能等級評價方法

采用SAP2000對塔吊模型進(jìn)行驗(yàn)算，取配重為16 t，基本風(fēng)壓為1 kN/m2，計(jì)算塔式起重機(jī)風(fēng)荷載wk＝0.8βμzμsw0，其中：μs為體型系數(shù)，取1.95；β為風(fēng)振系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0為計(jì)算風(fēng)壓。地面粗糙度設(shè)為B類，即施加在節(jié)點(diǎn)上的風(fēng)荷載為Fx＝Σ1.56βμzw0Ai，其中，Ai為與塔吊節(jié)點(diǎn)相鄰的三角形單元的面積。

塔吊起升高度160 m可以覆蓋絕大多數(shù)建筑和市政工程，因此只進(jìn)行160 m高度內(nèi)的驗(yàn)算。針對該塔式起重機(jī)，即以10 m為分區(qū)布置風(fēng)荷載。針對臺風(fēng)（11～13級）、強(qiáng)臺風(fēng)（13～15級）、超強(qiáng)臺風(fēng)（15～17級）分別進(jìn)行計(jì)算風(fēng)壓、風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值及內(nèi)力計(jì)算，其中計(jì)算風(fēng)壓w0＝v2/1 600，v為臺風(fēng)10 min平均風(fēng)速，風(fēng)力等級與計(jì)算風(fēng)壓對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 風(fēng)力等級、10 min平均風(fēng)速與計(jì)算風(fēng)壓對應(yīng)關(guān)系

將計(jì)算獲得的最大拉/壓應(yīng)力σ1.0與材料極限σmax進(jìn)行比較，可以得到塔機(jī)剛好達(dá)到材料極限時的計(jì)算風(fēng)壓wmax＝1.0σmax/σ1.0，將其換算為風(fēng)速vmax＝（1 600wmax）1/2，即可得到其抗臺風(fēng)性能等級。

1.3 塔身抗臺風(fēng)性能等級評價

1.3.1 最大自由度下的抗風(fēng)等級

對于該塔式起重機(jī)在設(shè)計(jì)最大自由高度46 m時的非工作狀態(tài)下，驗(yàn)算此時能抵抗的風(fēng)力等級（圖2），此時標(biāo)準(zhǔn)節(jié)18節(jié)，自由高度45 m。

圖2 空載下無附著塔式起重機(jī)驗(yàn)算

此時塔吊發(fā)生最大位移，在塔吊起重臂頂端發(fā)生2 380 mm位移，最大拉應(yīng)力值為560 MPa，最大壓應(yīng)力為－480 MPa，均遠(yuǎn)大于塔式起重機(jī)鋼材Q345B強(qiáng)度極限，可抵抗的風(fēng)壓為0.544 kN/m2，對應(yīng)風(fēng)速29.76 m/s，對應(yīng)可抵抗的風(fēng)力等級為10級。

1.3.2 不同附著位置對最大自由高度下抗風(fēng)等級的影響

對該塔機(jī)設(shè)置1道附著，取附著高度分別為20.0、22.5、25.0、27.5、30.0、32.5、35.0 m進(jìn)行驗(yàn)算，附著離墻1.8 m，附著類型如圖3所示，對該塔吊模型重新進(jìn)行計(jì)算，其抗風(fēng)等級計(jì)算結(jié)果見表2。

圖3 附著示意

從表2可以看出，當(dāng)塔吊高度為45 m時，在僅設(shè)置1道附著的情況下，塔式起重機(jī)的附著高度在32.5 m時可抵抗的風(fēng)力等級最大，考慮到塔式起重機(jī)附著處的支座及塔式起重機(jī)的質(zhì)量等問題，對高度為最大自由高度的塔式起重機(jī)，當(dāng)附著高度位于25.0～27.5 m范圍內(nèi)時，具有較好的抗臺風(fēng)性能。

表2 不同附著高度下45 m高度塔式起重機(jī)抗風(fēng)等級

1.3.3 不同抗風(fēng)等級下的最大自由高度

計(jì)算不同自由高度下的塔式起重機(jī)抗風(fēng)等級，以此確定不同抗風(fēng)等級下的最大自由高度，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 不同抗風(fēng)等級下最大自由高度

由表3可知，自由高度為20 m時可抵抗的風(fēng)力等級為17級，自由高度為25 m時可抵抗的風(fēng)力等級為15級，自由高度為30 m時可抵抗的風(fēng)力等級為12級。因此，對于建筑工地的塔式起重機(jī)，為能達(dá)到防御15級以上臺風(fēng)的程度，最大自由高度不宜超過25 m。

1.3.4 不同附著布置方案下的抗風(fēng)等級

由1.3.3節(jié)的驗(yàn)算，對于第1道附著高度，可取為20 m（25 m）。對高度在30～160 m的塔式起重機(jī)進(jìn)行附著設(shè)計(jì)驗(yàn)算，結(jié)果見表4所示。

由表4可知：對塔式起重機(jī)抗臺風(fēng)能力影響較大的主要為懸臂端高度和附著間距；懸臂端高度越小，抗風(fēng)等級越高；相同的懸臂端高度但附著間距不同對塔式起重機(jī)的抗臺風(fēng)能力也有影響，塔式起重機(jī)抗臺風(fēng)能力與附著間距和懸臂高度的比值有關(guān)，與附著支撐數(shù)量也有關(guān)，比值越大，附著支撐數(shù)量越多，抗臺風(fēng)能力越強(qiáng)。對附著支撐支座處應(yīng)力分析，可知，最上部一道附著支座處的支座反力最大，在設(shè)計(jì)附著支撐時，對最上一道附著支撐應(yīng)做加強(qiáng)處理。

表4 不同高度塔式起重機(jī)抗風(fēng)性能等級

1.4 附著驗(yàn)算

塔機(jī)有很多種附著方式，在實(shí)際工程中常用的形式如圖4所示，塔身根部可視為固端支承，每道附著裝置在該處對塔身構(gòu)成約束。多數(shù)塔機(jī)的附著裝置都為N形附著裝置，如圖4（a）所示，本文主要也是對圖4（a）所示的附著樣式進(jìn)行研究分析。

圖4 塔式起重機(jī)附著形式

非工作狀態(tài)下，引起塔機(jī)附著撐桿內(nèi)力的外載荷有重力產(chǎn)生的不平衡力矩及風(fēng)載荷。為計(jì)算出臺風(fēng)下附著撐桿中可能出現(xiàn)的最大內(nèi)力，在確定計(jì)算狀態(tài)時要從兩方面考慮：其一，按附著式塔機(jī)的非工作狀態(tài)計(jì)算風(fēng)壓；其二，要考慮塔身正方向、吊臂縱方向與建筑物附著墻面間的位置關(guān)系?？紤]上述諸因素后可確定兩種計(jì)算狀態(tài)，如圖5所示。

圖5 塔式起重機(jī)非工作狀態(tài)下的受風(fēng)情況示意

由于建筑物的存在，根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中對體型系數(shù)的規(guī)定可知，塔式起重機(jī)附著在非工作狀態(tài)1下更為不利，因此本文進(jìn)行了非工作狀態(tài)1下的附著驗(yàn)算。對不同高度不同附著布置下塔式起重機(jī)最大附著內(nèi)力進(jìn)行分析后，從分析結(jié)果來看，附著式塔式起重機(jī)最大附著內(nèi)力發(fā)生在最上一道附著支撐處，且塔式起重機(jī)的懸臂高度對最大附著內(nèi)力的影響最大，對可抵抗風(fēng)力等級的影響也較大。相同懸臂高度下，最大附著內(nèi)力隨塔式起重機(jī)高度的變化呈線性變化（圖6），隨著懸臂高度的增加，塔式起重機(jī)附著內(nèi)力與懸臂高度呈線性增加（圖7）。

圖6 不同懸臂高度不同塔式起重機(jī)高度附著支撐內(nèi)力變化

圖7 塔機(jī)不同懸臂高度下附著支撐內(nèi)力變化

2 塔式起重機(jī)抗強(qiáng)臺風(fēng)措施

塔式起重機(jī)還應(yīng)進(jìn)行基礎(chǔ)抗傾覆及連接驗(yàn)算、整體穩(wěn)定性驗(yàn)算、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)抗風(fēng)性能驗(yàn)算等計(jì)算，最后根據(jù)各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果綜合得到抗臺風(fēng)等級評價。根據(jù)上述驗(yàn)算結(jié)果，塔式起重機(jī)如需抵抗15級以上強(qiáng)臺風(fēng)，可采取以下措施：

1）塔身設(shè)計(jì)宜優(yōu)先采用風(fēng)力系數(shù)較小的構(gòu)件和擋風(fēng)較小的結(jié)構(gòu)。

2）將吊鉤升到最高處，小車收至最小幅度；塔式起重機(jī)吊臂必須處于自由旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，清除回轉(zhuǎn)半徑所有障礙[6]。

3）降低塔身高度是提高塔式起重機(jī)抗臺風(fēng)能力最有效的方法。施工現(xiàn)場條件不允許降低塔身和套架時，可采用雙塔身自我附著、纜風(fēng)繩附著或變徑塔身。

4）附著間距宜小于25 m，且最大自由懸臂端高度宜小于20 m。非工作工況時，總高100 m內(nèi)最大自由端高度不應(yīng)大于最大獨(dú)立高度的75%；總高100 m以上的最大自由端高度不應(yīng)大于最大獨(dú)立高度的60%。各道附著的間距應(yīng)充分考慮臺風(fēng)影響，合理設(shè)置。

5）最上一道附著裝置以上的塔身可視作懸臂梁，在風(fēng)載荷作用下，最大彎矩將出現(xiàn)在最上一道附著裝置處，同時，其內(nèi)力也最大。因此，以最大計(jì)算風(fēng)壓來驗(yàn)算附著裝置，對保證塔式起重機(jī)防臺風(fēng)來說尤為重要。

6）標(biāo)準(zhǔn)節(jié)節(jié)間的連接部位及頂升踏步處等受力節(jié)點(diǎn)處應(yīng)有防止局部失穩(wěn)的加強(qiáng)措施，加強(qiáng)節(jié)主肢桿內(nèi)側(cè)宜進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)或材料加厚。

7）最上一道附著裝置處是塔身承受彎矩、扭矩最大的截面，因此需要有加強(qiáng)措施，塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接處或有水平腹桿的位置就能起到加強(qiáng)作用。

8）相比采用穿孔型，附著桿的調(diào)節(jié)螺桿調(diào)節(jié)處更適合采用六角頭型，其不存在截面突然減少的危險位置，也不存在應(yīng)力集中，相反在實(shí)際使用中，也常見調(diào)節(jié)螺桿在穿孔處斷裂的例子。

9）對超強(qiáng)臺風(fēng)下最大自由高度獨(dú)立的塔式起重機(jī)，可采用設(shè)置鋼絲繩進(jìn)行抗臺風(fēng)加固，纜風(fēng)繩錨固在地面處，且與地面呈60°角。

3 結(jié)語

臺風(fēng)同大多數(shù)自然災(zāi)害一樣，是無法避免的，我們只有認(rèn)識它的規(guī)律，掌握防御它的方法，才能減災(zāi)防禍。本文提出了一種通過塔式起重機(jī)材料極限應(yīng)力與單位風(fēng)荷載作用下應(yīng)力比值確定極限風(fēng)速，進(jìn)而確定塔式起重機(jī)抗臺風(fēng)性能等級的評價方法，并以建筑工地常見的某型號塔式起重機(jī)為例，采用SAP2000建立計(jì)算模型，進(jìn)行了最大自由高度、不同附著位置、不同附著方案下的塔身及附著抗臺風(fēng)性能等級評價，最后給出了塔式起重機(jī)抗強(qiáng)臺風(fēng)的措施建議。