塔机主肢螺栓松动的塔身顶端位移研究

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摘要：塔式起重机单肢螺栓松动研究是塔机塔身钢结构损伤研究的重要部分。本文对单肢螺栓松动的塔身进行分析，得到单肢螺栓松动状况下松动程度与塔身顶端位移的关系，并利用QTZ315塔机进行计算验证。顶端位移研究为塔机安全检测研究打下基础。

关键词：塔机；钢结构；松动；位移特征

中图分类号：TH213.3 文献标识码： A 文章编号：

0引言：

损伤位置检测及损伤程度的判断是结构损伤检测主要研究方向。基于塔机顶端位移量的单物理量整体状态检测作为综合损伤的输出，是结构安全最直接的指标。学者进行了关于塔机超载状况[1]与地基沉降[2]状况特征倾角模型的后续研究。

通过对单肢螺栓松动的塔身进行分析，得到单肢螺栓松动状况下松动程度与塔身顶端位移的关系。利用QTZ315塔机进行计算验证，得到塔身相同层不同松动状况的塔身顶端位移规律和各层相同松动程度相同的塔身顶端位移规律。

1单肢螺栓松动的弯曲强度、刚度随吊臂角度的变化规律

如图1， 3号为松动主肢。假设3号主肢完全松动，回转角度θ，塔身截面在起重臂方向的截面特性如下：

图1 回转塔身刚度示意图

当时，弯曲强度最弱，；当时，即弯曲强度最高，。

松动层以上的塔身弯曲刚度极端状态是由另外三根主肢提供弯曲刚度，弯曲刚度变化规律为：

当起重臂回转到45°位置时，松动层以下的塔身弯曲刚度不变，弯曲强度最弱；塔身主肢发生松动时，松动层以上的塔身刚度在塔机平衡重处于45°位置时到达最小值，为。

2塔机塔身单肢松动顶端位移量分析

2.1力学模型

塔身上部相对塔身产生一个指向地心的正压力F和由于偏心造成的弯矩M。建立力学模以及形变简图如下图2所示：

图2 塔机正常状态的力学模型简图及形变

2.2变形量分析

如图1所示，3号主肢为松动主肢，松动层以下的塔身在起重臂方向的刚度不会发生变化。令松动标准节为过渡节，过渡节以上塔身仍处于完好状态。此时塔身变形简图如下：

图3松动变形图

塔机塔身顶端在平面的位移：

其中：

松动层在平面的位移量；

：松动层上端的塔身在平面的位移量；

：弹性模量；

：未发生螺栓松动的塔身惯性矩；

：松动层以下塔身的高度；

损伤部位上端的结构在平面的变形量要承受下端的偏转角1和上端塔身的偏转2。不考虑重力因素，松动层以上的部分经过2偏转后，旋转角度1。塔机上部弯矩不发生变化。以起重臂塔身平面为基础，损伤位置为坐标零点，有如下图及关系，且，为损伤层以上塔机的高度：

2.3 松动位置的平衡关系分析

当塔身某一层单肢发生松动，由分析可知塔机起重臂处于45°位置时刚度与强度最小。塔身单肢连接松动时松动层位置的塔身偏转角1由下端塔身的弯曲变形角度和由于弯矩作用的标准节平面变形角组成，表示关系如下：

松动位置受拉力作用其拉伸量由螺栓松动量、松动螺栓拉伸量和松动所在主肢的拉伸量三部分组成。拉伸端变形量与压缩主肢变形量有如下关系：

：塔机上部作用弯矩；

：松动螺栓有效拉伸长度；

：松动位置主肢有效拉伸长度，取两节标准节主肢长度；

：螺栓松动量；

：螺栓横截面接；

：弯矩在拉伸端主肢的作用力；

：弯矩在压缩端主肢的作用力

2.4 损伤位置松动位移量有限性

塔机塔身承受上端弯矩的作用，松动端的位移量和压缩端的位移量程相等关系，受压主肢承受弯矩全部作用：

塔机塔身的螺栓松动程度须小于受压主肢承受全部弯矩时的位移量。塔身顶端偏移为：

3 QTZ315塔身单肢螺栓松动的顶端位移分析

3.1塔身各层极限松动量分析

松动端在松动一定程度后，弯矩全部由压缩端主肢承担。在极限松动程度下的塔身顶端位移量分析如下：

图5各层松动极限状况下的塔身顶端位移

表1各层松动极限状况下的塔身顶端位移

3.2塔身各层松动程度相等时的顶端位移量分析

由QTZ315塔机各层松动极限值得知，松动由最底层到最高层松动极限程线性增大，取松动量=1mm。

表2塔机各层松动1mm时顶端位移

图6单肢松动1mm的塔身顶端位移图

由塔身顶端位移规律可知，在发生松动程度相同时，随着松动层的升高塔身顶端位移减小，基本成一次线性关系。

4结论

本文通过对单肢螺栓松动的塔身进行计算分析，得到单肢螺栓松动状况下松动程度与塔身顶端位移的关系。由顶端位移的三次变形合成可知，即松动层的变形产生的角度是顶端变形的主要因素，由于松动极限的存在，松动规律基本呈现线性。因此在塔机检测时，可以通过顶端位移量判断是否发生损伤，并通过其位移大体确定松动层。

参考文献

[1]Wang Jiyong;Song Shijun;Qiao Caifeng;Song Lian'yu.The study on inclination feature model of tower crane under the condition of severe overload. 2011 6th IEEE Joint International Information Technology and Artificial Intelligence Conference, ITAIC 2011, v 2, p 109-115

[2]Song Shijun;Wang Jiyong;Qiao Caifeng.The Study on Tower Crane Foundation Slope ModelBased on Inclination Feature. CECNet 2011 Consumer Electronics,Communications and Networks.