1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

1、课题的研究背景及意义

塔式起重机(以下简称塔机)是建筑施工中必不可少的设备,也是施工企业装备水平的标志之一。随着高层建筑结构的增多,塔机满载率加大,工作繁忙程度加重,塔机在使用过程中出现的倒塌、断臂等事故现象也日益严重。据不完全统计,造成事故发生的原因有相当部分是由于塔机的钢结构存在缺陷并工作年限已长所致,而由此引发钢结构的疲劳破坏。在我国,各建筑施工单位使用的塔机中有相当数量是二十世纪六十、七十年代设计、生产的,这些塔机本应属于淘汰,但由于种种原因目前还在使用中。随着使用时间的延长,塔机必然存在安全隐患,由此可以引发严重的安全事故。为保证施工的安全和生产的顺利进行,必须对这部分塔机进行疲劳寿命估算。疲劳寿命估算也因此成为工程界最为关注的课题之一。

2、塔式起重机的介绍

塔式起重机(tower crane)简称塔机，亦称塔吊，起源于西欧。动臂装在高耸塔身上部的旋转起重机。作业空间大，主要用于房屋建筑施工中物料的垂直和水平输送及建筑构件的安装。由金属结构、工作机构和电气系统三部分组成。金属结构包括塔身、动臂和底座等。工作机构有起升、变幅、回转和行走四部分。电气系统包括电动机、控制器、配电柜、连接线路、信号及照明装置等。塔式起重机的动臂形式分水平式和压杆式两种。动臂为水平式时，载重小车沿水平动臂运行变幅，变幅运动平塔式起重机衡，其动臂较长，但动臂自重较大。动臂为压杆式时，变幅机构曳引动臂仰俯变幅，变幅运动不如水平式平稳，但其自重较小。为了确保安全，塔式起重机具有良好的安全装置，如起重量限位器、幅度限位器、高度限位器和载荷力矩限位器等限位装置，以及行程限位开关、塔顶信号灯、测风仪，防风夹轨器、爬梯护身圈、走道护栏等。司机室要求舒适、操作方便、视野好和有完善的通讯设备。塔机的金属结构由起重臂、塔身、转台、承座、平衡臂、底架、塔尖等组成。起重臂构造型式为小车变幅水平臂架，再往下分又有单吊点、双吊点和起重臂与平衡臂连成一体的锤头式小车变幅水平臂架。单吊点是静定结构，双吊点是超静定结构。锤头式小车变幅水平臂架，装设于塔身顶部，状若锤头，塔身如锤柄，不设塔尖，故又叫平头式。平头式的使结构形式更简单，更有利于受力，减轻自重，简化构造等优点。小车变幅臂架大都采用正三角形的截面。塔身结构也称塔架，是塔机结构的主体。现今塔机均采用方形断面，断面尺寸应用较广的有：1.2m#215;1.2m、1.4m#215;1.4m、1.6m#215;1.6m、2.0m#215;2.0m;塔身标准节常用尺寸是2.5m和3m。塔身标准节采用的联接方式，应用最广的是盖板螺栓联接和套柱螺栓联接，其次是承插销轴联接和插板销轴联接。标准节有整体式塔身标准节和拼装式塔身标准节，后者加工精度高，制作难，但是堆放占地小，运费少。塔身节内必须设置爬梯，以便司机及机工上下。爬梯宽度不宜小于500mm，梯步间距不大于300mm，每500mm设一护圈。当爬梯高度超过10m时，梯子应分段转接，在转接处加设一道休息平台。塔尖的功能是承受臂架拉绳及平衡臂拉绳传来的上部荷载，并通过回转塔架、转台、承座等的结构部件式直接通过转台传递给塔身结构。自升塔顶有截锥柱式、前倾或后倾截锥柱式、人字架式及斜撑架式。

凡是上回转塔机均需设平衡重，其功能是支承平衡重，用以构成设计上所要求的作用方面与起重力矩方向相反的平衡力矩。除平衡重外，还常在其尾部装设起升机构。起升机构之所以同平衡重一起安放在平衡臂尾端，一则可发挥部分配重作用，二则增大绳卷筒与塔尖导轮间的距离，以利钢丝绳的排绕并避免发生乱绳现象。平衡重的用量与平衡臂的长度成反比关系，而平衡臂长度与起重臂长度之间又存在一定比例关系。平衡重的用量相当可观，轻型塔机一般至少要3～4t，重型的要近30t。平衡重可用铸铁或钢筋混凝土制成：前者加工费用高但迎风面积小;后者体积大迎风面大对稳定性不利，但简单经济，故一般均采用这种。通常的做法是将平衡重预制区分成2 ～3种规格，宽度、厚度一致，但高度加以调整，以便与不同长度臂架匹配使用。

每台塔机都要用许多种起重零部件，其中数量最大，技术要求严而规格繁杂的是钢丝绳。塔机用的钢丝绳按功能不同有：起升钢丝绳，变幅钢丝绳，臂架拉绳，平衡臂拉绳，小车牵引绳等。钢丝绳的特点是：整根的强度高，而且整根断面一样大小，强度一致，自重轻，能承受震动荷载，弹性大，能卷绕成盘，能在高速下平衡运动，并且无噪声，磨损后其外皮会产生许多毛刺，易于发现并便于及时处置。钢丝绳通常由一股股直径为0.3～0.4mm细钢丝搓成绳股，再由股捻成绳。塔机用的是交互捻，特点是不易松散和扭转。就绳股截面形状而言，高层建筑施工用塔机以采用多股不扭转钢丝绳最为适宜，此种钢丝绳由两层绳股组成同，两层绳股捻制方向相反，采用旋转力矩平衡的原理捻制而成，受力时自由端不发生扭转。塔机起升钢丝绳及变幅钢丝绳的安全系数一般取为5～6,小车牵引绳和臂架拉绳的安全系数取为3,塔机电梯升降绳安全系数不得小于10。钢丝绳的安全系数是不可缺少的安全储备系数，绝不可凭借这种安全储备面擅自提高钢丝绳的最大允许安全荷载。由于钢丝绳的重要性，必须加强对钢丝绳的定期全面检查，贮存于干燥面封闭的、有木地板或沥青混凝土地面的仓库内，以免腐蚀，装卸时不要损坏表面，堆放时要竖立安置。对钢丝绳进行系统润滑可以提高使用寿命。

变幅小车是水平臂架塔机必备的部件。整套变幅小车由车架结构、钢丝绳、滑轮、行轮、导向轮、钢丝绳承托轮、钢丝绳防脱辊、小车牵引绳张紧器及断绳保险器等组成。对于特长水平臂架(长度在50m以上)，在变幅小车一侧随挂一个检修吊篮，可载维修有员往各检修点进行维修和保养。作业完后，小车驶回臂架根部，使吊篮与变幅小车脱钩，固定在臂架结构上的专设支座处。其它的零部件还有滑轮，回转支承，吊钩和制动器等。

塔机的工作机构有五种：起升机构、变幅机构、小车牵引机构、回转机构和大车走行机构(行走式的塔机)。

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

在理论分析基础上，采用截面内力分析方法，应变测试、模态测试等试验测试方法以及有限单元数值模拟分析方法，对该型塔式起重机开展各工况下的静态应力分析，以及臂尖吊载工况下的动态应力分析和动力学特性分析。得到结论如下：1.各工况下静态应变测试数据表明，在塔式起重机的弦杆应力分布中，主要以轴向应力为主，弯曲应力和剪切应力为次要应力，该结论可为理论分析和有限元数值模拟中关于弦杆的应力计算提供基础；动态应变测试结果表明，塔式起重机起吊瞬间，其各部件均存在不同的动载放大系数，其中以起重臂的动载放大系数值最大，塔顶及拉杆次之，塔身最小，该结论可为其动强度分析提供参考。2.对比各工况下试验测试、理论分析以及有限元数值模拟的负载应力计算结果，发现三者负载应力结果均相吻合，且以有限元数值模拟与试验测试两者结果最为接近，而理论分析与其余两者结果的误差主要集中在起重臂的计算上，表明在理论分析中，由于模型简化导致塔式起重机起重臂的理论计算存在一定误差。3.比较各工况下理论分析与有限元数值模拟满载应力计算结果，发现两者的满载应力计算结果方差比负载应力计算结果方差偏大；由于有限元模型更接近实际结构，有限元分析与试验测试两者结果最为接近，表明采用有限元分析方法相比理论分析方法，计算结果精度更高，可为塔式起重机强度设计提供技术支持。4.采用FFT快速傅立叶变换对臂尖吊载工况下卸载瞬间的振动测试结果进行模态辨识，结果发现QTZ80型塔式起重机主要以前三阶振动频率为主。在ANSYS软件环境下，对该型塔式起重机进行模态分析，结果表明塔式起重机的频率计算结果与其各部件间的连接方式相关性很小。通过对比试验分析与有限元分析关于塔式起重机模态频率的计算结果，发现有限元分析与试验测试结果吻合较好，表明有限元方法可用来对塔式起重机进行动力学特性分析和模态预估。