对塔式起重机附着装置力学分析的系列思考

声明：本系列文章经作者 圆周率 授权发于本公众号，关于文章任何疑问可加作者QQ65986956进行交流沟通。

 （一）

        在建筑工程施工过程中，塔吊成为必不可少的施工起重机械。随着塔吊高度的增加，需要不断的增设附墙以防塔吊失稳倾覆。随塔机出厂时，塔机制造厂家均会配置一本使用说明书告之客户附墙的安装尺寸及安装方式，可惜的是，说明书中的尺寸和方式一般比较单一且不可改变，然而实际工程中的建筑结构形式千变万化，不能因为附墙的安装形式单一而改变结构的构造，反之，需要使用者随建筑物结构的形式变化合理布置塔机附墙的安装方式。

        本系列文章的目的就是探讨笔者在工程检测过程中遇到的各类问题和附墙的特殊安装形式与各位网友做沟通和探讨，共同研究附墙安装形式的合理性及可行性。

直角附墙撑杆是否可行？

        众所周知，附墙撑杆在安装时均会与建筑物结构保持一定夹角，且角度均小于90°（如下图节点1和节点6的夹角）。

工程中偶尔因为建筑结构附着点限制，导致与建筑结构的附着点处撑杆夹角约等于90°

        不管是图1和图2，附墙撑杆都已经构成了几何不变体系，也就是说，载荷传递给附墙撑杆并不会令其产生运动，载荷传递给附墙撑杆后，附墙撑杆可以将载荷顺利传递至建筑结构表面。

        那么答案显而易见，图2是可以作为结构形式使用到工程中的，但是值得注意的是，因为附墙撑杆与建筑物角度的变化，使用图2这种方式其撑杆的受力大小自然也发生了重大变化，所以，实际在使用中，我们需要对撑杆受力进行校核，确保前文提到的结构强度、刚度、稳定性均能满足设计要求。

    关于受力计算，撑杆受力大小随着塔机大臂360旋转呈正弦变化（具体可见本人以前写过的日志）。

----2017.09.18

 （二）

       今晚我想抛出一个附墙安装结构问题，这也是在DGJ32/65-2015规范出来以前曾经碰到过的，详见下图。

      从图1红色长方形框出的区域可知，撑杆与附墙框之间不仅有竖向的铰接，还有一根横向的铰接， 当初笔者错以为，多了一根横向铰接的销轴后，整个附墙系统会由结构变更成机构。

        其后江苏省新出的起重机械检验规范DGJ32/J65-2015中也明确提出，附墙撑杆只允许有竖向铰接，不允许采用横向铰接（非保证项目）。然而过往的工程经验告诉我们，即使附墙撑杆加了一根横向铰接，也未造成事故的发生，换句话讲，此类结构并未对塔机的整个体系造成致命的影响，这让我对此类结构产生了一探究竟的兴趣。

         首先笔者通过solidworks软件建立三维模型，将其导入至ansys workbench平台进行相应设置，如下图

得到其自由度数量为-3，说明即使每根撑杆加了1根横向铰接，其结构也是几何不变体系。

        既然是几何不变体系，符合结构设计的最基本要求，那省规范为何提出应采用竖向铰接，不能有横向铰接，两者不是相违背吗？理论和规范，谁错了吗？

       下面笔者谈一谈自己的看法。规范中针对横向铰接的子项判定是非保证项目，专家制定该子项时应该也是不推荐用户使用横向铰接（我自己猜测专家是这么考虑的，不一定正确）也就说，如果附墙检测中保证项目全部合格，非保证项目不合格数量在规范要求内，附墙报告是可以判定为合格的。 千言万语汇成一句话，笔者也不建议用户使用横向铰接。

----2017.10.09

 （三）

附墙结构非常简单，结构上无非就是一个框型梁结构和3根撑杆或4根撑杆，外加几个墙体支座，构成一个稳定的几何不变体系来承担塔身传递过来的弯矩、扭矩和集中力。

从受力分析来讨论的话，塔身传递过来的弯矩、扭矩和集中力首先会经过附着框，通过附着框最终将弯矩、扭矩和集中力转化成了轴向力传递给附着撑杆，其后通过附着撑杆将力传递至附墙支座，最终传递给建筑结构的剪力墙或者立柱。

笔者之前提到，塔身传递过来广义力（包含弯矩、扭矩、集中力）首先经过的是附墙框，笔者认为，附墙框在附墙结构中受力较为复杂，因为塔机大臂360°可自由回转，导致塔身传递到附墙框的广义力也较为复杂，通常附墙计算书中将塔身传递到附墙框的广义力简化到附墙框的中心。

然而笔者认为，广义力实际并不在中心，因为塔身和附墙框之间的连接通常在附墙框的四根梁端直接和塔身主肢（主肢通常为角钢或者方钢）贴身连接（见图1），受力点应该是这些贴身部位传递的，但因为大臂360°可自由回转的原因导致附墙框受力复杂，所以才做适当简化，将广义力移至附墙框中心便于计算。这里由于篇幅有限，附墙框的受力不做进一步讨论，今天笔者的主要想聊的是附墙撑杆。

撑杆受力非常简单，在塔机工作工况下，要么是拉力，要么是压力，属于典型的二力杆件。既然作为二力杆计算，那么计算过程中不仅需要计算撑杆的强度，还要计算压杆稳定性。

一般小型塔机的附着撑杆都是采用圆管制作，当遇到大型塔机时，国标圆管的直径已经不能满足其受力要求，需要更加轻巧的结构来作为撑杆。这类结构一般采用大角钢作为主肢，小角钢作为缀条（见图2），亦或使用槽钢作为主肢，长方形钢板作为缀板（见图3）。

图2 缀条结构

图3 缀板结构

通常情况下，圆管撑杆和图2的缀条截面撑杆，不管其撑杆是正着按照还是转90°安装，对强度和稳定性都不会改变，但对于图3缀板结构，如果正着安装(见图4)和转90°（见图5）安装将对结构产生影响。

图4 正着安装

图5 旋转90度安装

图4和图5这两种安装方式笔者曾经验算过，其稳定性相差非常大，其中一种安装方式相比另一种，其压杆稳定性降低了近15%！笔者在这里抛出这样的问题，图4和图5，哪种安装方式才能最大限度的提升结构稳定性？

----2017.11.23

（四）

         上篇文章笔者和大家一起聊了撑杆惯性矩的概念，并在最后抛出了一个问题，今天的文章就来揭晓这个问题的答案。

        众所周知，惯性矩越大，越能抵抗构件失稳，回到第3篇文章中的图4和图5两个撑杆的安装方式，使用软件计算两根槽钢所组成的撑杆惯性矩，见图2。

图1

        由图可知，该截面对X轴的惯性矩为18386666mm的4次方，对Y轴的惯性矩为458616666mm的4次方。将模型导入Ansys，进行必要设置，求解结果见下图

图2

图3

         经过计算，图2的失稳载荷为2.69e6牛，图3的失稳载荷为3.08e6牛。从结果可以看出，不管是哪种方式，撑杆都是向着缀板方向（弱轴）失稳，既然都是朝缀板方向失稳，那为什么失稳载荷的数值会有差异？

        答案出现在连接附墙支座与撑杆的销轴和连接附墙框和撑杆的销轴上。经过笔者通过对圆管撑杆失稳计算发现，第一阶失稳容易绕撑杆两端销轴轴线方向，正是这个原因，导致图3的失稳载荷要大于图2中的失稳载荷。看到这里，我想各位读者应该知道日后出现槽钢缀板结构的附墙撑杆应该如何安装了吧。