塔式起重机结构的有限元分析与安全评定

摘要：随着我国建筑行业的发展，塔起重机在我国建筑业的应用越来越广，塔式起重机作为一种在建筑工地上高空作业的工具，其安全操作与技术应用是很多人都关心的问题。本文的目的就是通过分析塔式起重机的有限元法，来分析塔式起重机在建筑作业时的模型建立、以及塔式起重机在应用了有限元方法后，其在建筑作业上的安全性如何。作为一种现代力学的计算方法，有限元的出现帮助建筑学在整体工程结构上形成了单元分剖，使塔式起重机的稳定性进一步增强。

关键词：稳定性；安全评定；有效分析

1 有限元分析软件ANSYS

在以前的工程问题求解中，为了能够获得解析解，研究人员只有采用很多的假设和简化，最终获得的结果只能在相对简单的情况下使用。随着科学技术的不断发展和完善，对于材料特性和边界条件比较复杂的情况，工程师可以采用数值方法得出令人满意的答案。而有限元法正是这样数值方法之一。有限元方法的有效发展全面依赖于两个重要的工具，在工程人员进行实际计算的过程当中，是需要电子计算机进行配合使用的。因此，在有限元计算方法当中，有限元、计算机及矩阵需要全面达成三位一体的使用组合，在相关理论当中研究人员使用了一种较为常见的方式进行连续介质问题的处理（有限元法）。

2 建立有限元模型

2.1 塔式起重机的结构

塔式起重机按照结构的划分可分为塔身、塔头、平衡臂、起重臂等，这些结构是组成塔式起重机的主要成分，也是塔式起重机承重的主体与力学结构运动的主体。详见图1。

2.2 单元类型的选择

在进行建模的过程当中，设计人员要针对塔式起重机自身所拥有的金属特点、结构特点、壳、质量、杆、梁等单元进行有限元模型的构造。在实际过程中应在线性弹性工作范围内进行工作。使用在软件的建模梁单元主要是以（4、44、188、189）其中是（二次线性）单元。单元主要采用了主自由度的原理，是结构力学当中较为经典的梁弯曲理论构造出的单元。全面忽略了剪切变形所带来的影响，并在变形之前做出了假定且在变形之后还能够保持平坦。该线仍然垂直于光束，因此，光束所造成的弯曲问题全面转化成一维的问题，beam4装置并不是用在跨度及高度较大的高粱当中，因为横向剪切变形会引起梁的额外偏转，垂直于平面中间的截面并不会垂直于翘曲和平面中间。因此设计人员必须考虑到横向剪切变形所引起的影响。

請参见表1.BEAM4单元具有比BEAM188单元更强的非线性分析功能。对于该项目的平头塔式起重机，BEAM188装置可用于满足分析要求。

2.3 应力计算

“为了研究有限元分析结果对塔式起重机选择不同单元类型的影响，我采用了两种不同的方式建模并进行比较。分别是采用空间BEAM188单元模拟了臂架，平衡臂和塔架结构的所有弦杆，所有腹杆均采用LINK8单元进行模拟，用弦杆采用BEAM188单元建模进行应力计算为方案一，用和腹杆采用BEAM199单元模拟进行应力计算为方案二的方案2。两种建模方案计算得到的各部件的最大应力见图2”。

从图2中可以看出，在两种方案下获得的计算结果的相对误差不超过1%。然而，当选择光束杆用于光束单元建模时，需要添加诸如调整截面方向的操作，这增加了工作量。杆单元（LINK8），弦使用梁单元（BEAM188）建模。当选择混合单元时，梁单元和杆单元共享节点，并且公共节点具有旋转自由度。旋转自由度主要反映在梁的弯曲上，并且杆将围绕公共节点旋转并且仅承受轴向的动力。

3 基于软件的塔机剩余寿命预测

最保守的寿命疲劳预测法，能够有效地保证工程当中的精确度。基于软件剩余寿命预测分析步骤如下：

①有限元分析的结果导入进行疲劳分析，需要在有限元模型当中进行获取应力或应变结果，MSCFatigue软件所提供了非常丰富全面的软件接口，数据可选择来自MSC/Nastran、MSC/marc、ansys5及abaqus等。选择所进行分析的类型，然后由设计人员将有限元分析软件所输出的最终文件导入MSCFatigu当中。

②在进行分析的过程中将其选择设置为“analysis”功能模块针对参数进行设置，并选择节点平均、结果位置以及分析方法等各项参数。全面使用S-N计算法针对塔机自身的最小寿命进行计算，也是此塔机自身所拥有的全部寿命。要针对其所剩余的寿命进行计算便需要设计人员将其历年所进行工作的实际情况进行统计。精准的将塔机在历年工作当中所有的情况全面统计出来对设计人员来讲非常困难，需要设计人员准确地将每次起吊的情况记录下来，这一要求在一定情况上来讲是无法做到的。可选择在施工现场进行短期的记录和观测，通过针对其所统计的数据进行分析从而获取其历年工作当中的情况，也可以根据塔机所租赁的工作量等方面来计算得出塔机每年所进行工作的天数。需要注意的是所统计出的天数时间要与有限元分析所得出的结果达到相同一致。

③载荷谱分析，经过设计人员进行分析塔机自身所承受的载荷被规划为随机载荷。所进行承受着随机载荷的工作塔机，在由设计人员对其进行疲劳强度、寿命的计算以及疲劳试验前，需要针对其载荷谱进行准确的确定。对塔机历年施工的工程状况进行全面的统计和有效地分析，构建出相应的荷载谱。

④运行疲劳分析软件将进行创建有限元载荷工况及载荷谱进行关联以后再有设计人员针对其疲劳寿命进行全面的分析。其软件成功运行后便可自动生成寿命计算结果的相关列表及云图等信息。根据最终所得到的列表和云图，可以获得该塔机自身的最小寿命，运用s-n法计算出该塔机自身的最小寿命也是全寿命。

4 强化起重机施工现场有限元分析的方法

4.1 提升设计人员综合素养

设计人员的综合素养与技术水准是质量达标的前提。在做好有限元分析工作的同时，要强化施工有限元分析人员的综合素养和技术培训的提升，还要全面了解创新技术的情况。以此减少施工过程中的隐患问题，全面培养施工人员的敬业精神。

4.2 加强信息化有限元分析

多媒体信息技术网络的快速发展为起重机施工有限元分析提供了新的手段和方法，在起重机有限元分析的整体因素中，起重机工作需要的是信息技术的支撑。因此，起重机代表应该全面利用现代化信息技术，在起重机内部设立完整的信息网络，确保网络信息可以及时地进行沟通交流，让起重机工作能够高效、稳定地开展，进一步提升整体起重机有限元分析工作的效益和质量[3]。

4.3 重点加强起重机动态有限元分析工作

起重机的工作贯穿于起重机有限元分析的全部过程，由于起重机动态有限元分析工作的开展是阶段性进行的，起重机的各阶段出现的问题都各有差异，因此在起重机过程中必须要依据各阶段的具体情况抓住的重点内容，例如：在开发阶段前期主要实施起重机目标和工作流程的交流协商，起重机后期的重点就是依据法律规定与合同约束关系的工作，这就要求起重机工作要依据起重机的进展，准确地掌握相互关系的发展，能够高效及时地进行沟通调解，解决矛盾争执，从而提升起重机实施的效率。

塔机在进行安装过程之前需要对塔机整体以及各部分零部件进行细致的检查。主要包括了塔机结构是否变形、塔机机身是否存在疲劳性裂痕和焊接裂缝以及磨损裂口等缺陷，同时要检查好定轴的定位情况。零部件方面要注意检查地脚螺栓和螺母是否存在缺陷或者咬合问题，或者不同型号螺栓螺母的混装等情况。在安置塔机的地基处要做好基础设计、施工和完成验收工作。塔机安置基础的设计和施工的方案，设计和实际施工的方案要通过正规通道进行审批和复核，在塔吊的基础工程开始施工的时候要保证设备安置地点的强度符合安置塔机的要求，安全部件周围的钢筋混凝土要达到预先设定的抗压承受能力和抗拉承受能力以及较强的抗弯矩能力。基础地基的地脚螺栓露出地面的距离要保证足够长，每个螺栓要通过双螺母进行预紧。在安装之前需要对各个零部件的基础面进行处理，保证基础水平度不高于千分之一，工作不仅要从技术层面下足功夫，而且还要设立一套完整的有限元分析制度体系，通过有限元分析来缩小施工过程中的一些专业性配合问题；设立以建设单位起重机代表为主体的统一领导，并且设立专门的工作人员来进行指挥，完善施工单位的工作。建设单位中的有限元分析人员首先要整体掌握程序设计要求标准，这样才能统一相关专业的职工单位，保障施工的每个环节都有序进行。设立问题责任制度体系，在责任制度体系的基础上创建奖励惩罚制度，提升施工人员的积极性，创建严格的中间验收制度，隐蔽验收制度和中间验收制度是能够做好有限元分析工作的核心，因为现阶段的工作已经从图纸阶段步入实物性阶段，各个专业之间的矛盾和问题更加直观和突出，与此同时也是对施工起重机质量保证的一个重要环节，通过参建单位的仔细核查能保证起重机施工的质量。

5 结语

综上所述，虽然我国的塔机起重设备得到了广泛地应用也取得了卓越的成效，但是在具體的使用过程当中存在着各种问题，只有合理地解决好这些问题，有效地防范塔机作业中可能出现的安全事故，真正做到防患于未然。同时，各个塔机起重设备的生产厂家、施工单位以及建筑的有限元分析监督层都需要按照上述的方式进行施工有限元分析，只有这样才能有效地控制重大安全事故的发生。本文采用有限元分析软件与疲劳分析软件M S C / F A T I G U E 相结合方法预测塔机的剩余寿命，为在役塔机的安全评估又提供了一种新方法。此方法的研究，为在役塔机能否继续服役、还能服役多长时间提供参考。

参考文献：

[1] 基于BS7910的塔式起重机臂架结构安全评定方法研究[D].西南交通大学， 2018.

[2] 边晓伟， 杨东东， 张帆. 塔式起重机结构有限元设计计算[J]. 建筑机械， 2017.

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