基于ANSYS_workb...塔吊倾斜程度测量与曲线拟合_李航.pdf

工 程 技 术产业创新研究 2023.7 第14 期126基金项目：赤峰学院 2022 年度青年科研基金项目“基于 ANSYSworkbench 的塔吊倾斜程度测量与曲线拟合”（项目编号：CFXYQNZR2216）。作者简介：李航，男，内蒙古赤峰人，硕士研究生，中级职称；研究方向：机械工程。基于 ANSYSworkbench 的塔吊倾斜程度测量与曲线拟合李 航 商国旭 李万敏（赤峰学院，内蒙古赤峰 024000）摘要：塔吊又名“塔式起重机”，是建筑工地上最常用的一种起重设备，塔吊在使用过程中需要避免因安装误差、吊装过载等原因导致的垂直度超差问题，因此要求工程人员在使用中能够便捷有效地测量塔吊倾斜程度。然而塔吊在工作过程中若产生倾斜，塔身在臂架连接处相对于原始竖直位置的水平静位移 x 难以测量。实际工作中，常采用在臂架连接处测量塔身与竖直方向倾角的办法获得塔吊的倾斜程度，然而此倾角无法与静位移量建立联系，因此无法有效获知塔吊垂直度是否超差。本文利用 ANSYS workbench 软件对塔吊进行了实际工况下的有限元分析，得到若干组不同载荷下塔身在臂架连接处的水平静位移，以及塔吊倾斜角，并将两组值拟合为曲线，以期用相对容易获得的倾斜角反映难于获得的水平静位移，解决塔吊偏移距离难以测量的问题。关键词：塔吊；水平位移；倾角；拟合一、引言塔吊是建筑工地上必不可少的一种起重设备，用来吊装施工用的钢筋、木楞、混凝土、钢管等施工的原材料。近年来，因为地基不稳定、起重力矩过大等原因，国内外塔吊倾斜甚至倒塌的事故时而见诸报端。塔吊倾斜一直是施工过程中各施工现场极力避免的重大问题。在行业标准施工现场机械设备检查技术规程（JGJ160-2008）1中以强制性条文的形式明确规定：塔吊垂直度不超过 4的可以安全使用。若是超出 4%则应立即停止使用，重新安装。在GB/T 5031-2019 塔式起重机中第 5.5.2 条刚性要求中对塔式起重机的刚度要求为：在额定的载荷作用下，塔机起重臂根部连接处的水平静位移应不大于 1.34H%，其中H 为最大独立状态下起重臂根部连接处至塔机基准平面的垂直距离2。因此，及时检测塔吊倾斜程度，倾斜角度过大时及时采取措施显得尤为重要。该水平静位移 x 的测量方法通常为经纬仪配合钢板直尺进行测量，如图 1 所示。在实际操作过程中，该测量方式有明显缺点。其一是耗时比较长，同时要求测量人员具有经纬仪的使用经验；其二是经纬仪一般要置于与塔式起重机水平距离 1.5H 处。实际中常常因现场条件限制而得不到最佳的观测点。相对而言，塔吊倾斜后与竖直方向的夹角则相对容易测量（如图 1 所示 1）。工作中常采用测量塔身在臂根连接处与竖直方向夹角的办法对塔吊倾斜程度进行测量。图 1 塔吊倾斜变形示意图然而此夹角值控制值并无现成行业标准，仅利用经验对极值进行估量存在较大误差。实际应用中，可根据测得的倾工 程 技 术INDUSTRIAL INNOVATION 产业创新研究127斜角度，利用塔吊变形后的几何关系近似计算求得 x 值。但是，受起重臂及吊载重物重力作用，塔吊变形并非按照完全线性的理想条件进行，简单利用几何计算，所得结果可能存在较大误差。因此，本文提出利用有限元分析软件，对塔吊进行实际工况下的静力变形分析，求得不同负载下塔吊水平静位移和倾角的计算结果，以期建立塔吊水平静位移与倾角的对应关系曲线，用容易获得的倾角反映难于获得的偏移距离，解决水平静位移难以测量的问题。二、有限元分析（一）模型建立以某型号塔吊为研究对象，建立其三维模型，在控制计算量的同时，保证了计算的准确性，对模型并做如下简化处理：（1）将几何结构、刚度回转机构等效设置为梁单元；（2）适当加大平衡臂部分截面尺寸，从而有效模拟平衡重；（3）为简化模型结构，将对计算结果影响较小的结构如起重钢丝绳、司机室等忽略处理；（4）按梁单元处理起重臂与平衡臂的斜拉索；（5）采用质量单元模拟质量较小且集中的变幅机构等塔机附件3。将模型导入有限元分析软件 ANSYS workbench，设定材料参数如下：塔身、起重臂、平衡臂钢料选择 Q235-B，其弹性模量 E=210GPa，泊松比=0.3，密度为 7850kg/m3，划分网格，建立有限元分析模型见图 2。图 2 塔吊有限元模型（二）设定边界条件根据模型建立后塔吊实际重量，按照两端平衡、即使塔身在水平方向重心不偏移为原则，在塔吊尾端设定配重量 19851kg。将塔吊在底端施加固定约束，起重臂中段施加工作吊重分别为 800kg、1600kg、4000kg、6400kg、8800kg、11200kg、13600kg、16000kg、32000kg、64000kg、128000kg、256000kg 等数值，如图 3 所示。图 3 工作状态分析边界条件（三）获得分析结果分析得到相应的静力变形结果见图 4。工 程 技 术产业创新研究 2023.7 第14 期128图 4 工作条件分析变形结果（节选部分）（四）分析结果提取同时，测量各变形条件下塔身在臂架连接处的水平静位移 x 以及塔身与竖直方向的夹角，如图 5 所示：图 5 塔吊倾角测量示意图得到若干组对应关系数据，见表 1：表 1 不同吊载下 x 方向变形量和倾角值吊载重量（kg）x 向位移（mm）变形角度（）8007.110.0297160014.210.056400035.4970.135640056.7840.214880078.0720.29291120099.3590.371913600120.650.451116000141.930.530132000283.851.056964000567.682.11031280001135.34.21232560002270.78.3799将所得数据拟合成曲线图，如图 6 所示：图 6三、结语本文利用有限元分析软件，对塔吊进行实际工况下的静力分析，求得不同负载下塔吊水平静位移和倾角的计算结果，建立了水平静位移与倾角的对应关系曲线，结果显示：塔身在臂架连接处的水平静位移 x 与塔身倾斜角呈线性关系。根据对应关系曲线，可用容易获得的倾角求得难于获得的偏移距离，方便预测不同倾角下塔身的水平静位移，当位移量过大时及时采取措施，避免事故发生。参考文献：1 JGJ160-2008.施工现场机械设备检查技术规程 S.2 国家市场监督管理总局.塔式起重机：GB/T5031-2019S.2019.3 董富祥.起重机结构有限元分析J.中国新技术新产品，2017（21）：19-20.