对停用塔式起重机的风力影响

S.Bodere1，G.Grillaud1

摘要：欧洲最近的风暴事件证明了塔式起重机的强风敏感性。然后，在边界层风洞中的缩小尺度模型上研究了这些结构在强风中的行为，以表征周围建筑环境引起的气动效应。所提出的塔式起 重机模型包括一个刚性桅杆和一个旋转臂架，其运动被定义为一个单一的自由度：相对于垂直轴的旋转。由于对塔式起重机底座弯矩的量化，对倾覆风险进行了评估。这些数据是臂鼻角位置的函数，可以分为四个贡献：惯性、离心、重力和明显的气动力矩。对塔式起重机相对于各种建 造环境的位置进行了参数研究，以提取最不利的安装配置。

1 导言

最近的欧洲风暴显示了塔式起重机对风力效应 的敏感性。自1999年法国剧烈风暴以来，CS TB开发了一个新的研究轴，以研究倾覆风险和表征这些结构上的风作用。就材料和人力风险而言，起重机施工人员试图尽可能地提高其产品的气动性能和限制风荷载。

在停用情况下，塔吊自由绕立轴转动：电机断开.. 没有周围的建筑物，臂架倾向于在一个安全的位置上与风的平均方向对齐，相反的重量是向上的。在优化的安全配置中，使用标准的尺寸测量程序来估计孤立的塔式起重机的风力作用。然而，这种方法忽略了周围环境产生的风扰动。风速和风向的局部变化会导致臂鼻旋转，直到横向位置，意外和危险。这种现象是稀缺的，并发生在特定的内置配置中。然后，塔式起重机的行为被风与周围建筑物之间的相互作用所控制。因此，波动载荷，特别是气动弯矩峰值是复杂的估计方法。通过CSTB实验技能，设计了一个在风洞中研究的简化尺度动态模型（[1]，[2]）。

所设计的模型满足几何和运动相似性。因此 ，它再现了一种停用塔式起重机的现实行为由一个自由度微分运动方程控制的旋转部件。

经过一段时间的设计、检测和验证，这种有效的模型能够检测和估计所构建的环境效应。过去几年进行的分析使人们能够对主要的场址影响进行分类。

2 塔式起重机在紊流、建筑环境中的作用

2.1 隔离起重机上的风作用

在风暴期间，旋转部分可以自由旋转。它的自然倾向是停留在平均风向和跟随低频波动。由于其高惯性和大小，起重机不受高频扰动的影响。

图1无停用起重机

四周建筑物

没有周围环境，起重机处于尾风状态。臂架波动，臂架的反权重平衡气动载荷。

2.2在建筑环境中起重机的风力作用

图2一台报废起重机的背后建筑

建筑物的存在改变了起重机周围的流动特性，然后可以在各种破坏的循环层（图2）。这些区域取决于建筑物的大小和迎面而来的风的湍流尺度。可以注意到每个区域的不稳定性特性。尾迹带可表现为低风速和涡旋引起的强方向波动。在剪切层中，风速和同样的方式增加气动载荷。

因此，起重机相对于建筑物的位置将决定遇到的风场，旋转部分可以位于各种性质的区域。然后，起重机可以离开它的稳定位置，直到一个横向的新的，甚至继续转动，如果没有找到平衡。这些行为在很大程度上取决于起重机的各自尺寸和建造环境。例如，如果起重机的臂架明显高于建筑物（图3)，或者如果旋转部分绝对长于建筑物的横向尺寸(图4），则起重机不会受到明显干扰。

图3塔式起重机比建筑

图4旋转部分长于横向建筑物的尺寸

3 数学模型

图5瞬间和强制模式

1. Vois in在其博士论文[1]中提出了一种数学方法，2003年。臂架运动用单个自由度描述，角位置theta;。桅杆和旋转部分应该是刚体，它们的变形被忽略了。 在起重机基座水平上产生的力矩可以分解成它的部件，表示为theta;的函数。考虑了四大贡献：惯性和离心旋转部分力矩，重力力矩和波动风力矩.. 然后将所得时刻表示为

其中在起重机上，y是产生的时刻倾斜点O处的基座水平，向风向横向的单位矢量，旋转部分的质量，桅杆的质量，桅杆的高度，桅杆气动中心的高度，旋转部分重心到起重机垂直轴长，十字形基间距，重力加速度，，桅杆上风力的阻力分量，，旋转部分风力的阻力分量。

合力矩主要受气动力和重力矩的支配，重力矩主要是由反臂中的重量引起的。惯性和离心旋转部分矩是二阶项。 当起重机在使用过程中平衡所承载的载荷或在剧烈的风中的气动载荷时，重量使其处于稳定状态。 然而，当尾

风条件下，结构稳定性降低。

尾风位置是比较稳定的条件。只有气动项是倾覆力矩，并被最小化，因为低面积暴露在风。

横向位置为危急情况.. 气动载荷是最大的，而反臂重量引起的重力力矩是零。

这最后一个位置也是危急情况.. 只有术语是一个恢复时刻。

4 经验工具

4.1风洞设施说明

试验是在CSTB边界层中进行的，该边界层截面为2.3米高x4米宽。模拟是利用地板上的粗糙度来调整的。风洞流速范围为0-10 m/s.

4.2起重机的规模模型

根据空间要求，再现了建筑环境和横截面的尺寸，选择了1/80几何尺度的多氯联苯。起重机样机必须同时满足几何、电影和动态相似条件。

几何相似性被调整为一个波坦MD238起重机，有可能表示三个类似30，45米和65米长的夹具长度。

电影相似性要求检验结构加速度与流体加速度的比值对于原型和模型都是相同的。实际上，这一条件相当于尊重两个系统的Strouhal数相等，并已通过风洞试验得到证实。

如果模型和原型之间的各力之比相同，则存在动态相似性。 因此，质量和惯性分布、摩擦系数必须由相似规则产生。 事实上，重力矩意味着尊重弗劳德数的相似性。因此，风速尺度被定义为几何尺度的平方根。 根据相似性规律，将实体模型的质量惯性、摩擦系数和载荷按以下关系写成原型性质的函数：

因此，原型代表了一个1/80规模的起重机和尊重相似性定律，能够再现电影和动态行为。

一个平衡与两个水平的应变计测量作用载荷， 并使能够访问产生的力矩在起重机的底部。

图6平衡系统

这两个阶段是由一个10毫米直径的碳管连接，模拟桅杆的阻力特性。 桅杆与旋转部分的连接处使用中心销进行调整，以降低摩擦系数..

图7角编码器

由三个光电传感器和反射表面组成的角编码器提供了臂架的瞬时角位置。

4.2实验过程

测量是在1分钟类似于近9分钟的现实，在200赫兹的采样频率。在初始位置，吊臂有一个尾风配置，并可以自由地旋转其垂直轴。 风速从零速变为所需的平均风速。为了分析环境影响，首先在没有任何周围建筑物的情况下进行测试，然后将测量结果与不同风向的实际周围建筑物进行比较。利用编码器给出的角位置，重力效应是众所周知的，如果忽略离心效应和惯性效应，就很容易确定气动载荷。

5 环境分类效果

自1999年以来，CSTB试验了风洞中建筑场地的配置，并检测到起重机与周围建筑环境之间相互作用的罕见情况。 因此，在家庭中最常见的环境影响的分类是突出的。当起重机靠近一座建筑物时，这种分析是显而易见的。为

了简化环境，可以分为两类：高层建筑和大型建筑，类似于七十年代在法国建立的社会住房。尽管如此，当几个建筑物干扰，变得更加难以澄清。

5.1角落效应

在大型建筑物的存在下观察到拐角效应。当风遇到这样的障碍时，大部分的水流就会过去。其余部分通过横向路径绕过。然后，当起重机具有相同的高度顺序时，起重机的风险植入在建筑物的拐角处。 在这种情况下，自动

旋转现象是可能的，但最常见的行为是向平行于一侧的横向位置移动。

图为8角效果图

5.2唤醒效应

在高层建筑周围，水流通过横向路径前进.. 如果障碍物的尺寸是显著的，那么在一个可以设置起重机的大面积上，流动就会受到扰动。一般情况下，臂架的高度大多小于结构。可区分两种配置：下游和上游起重机

在下游起重机的配置中，旋转部分可以在尾流区和加速区的时间。如果一个旋转运动被启动，臂架惯性是足够重要的，以使半转。则同一现象可以重复出现.. 当吊臂处于相对于加速流动的横向位置时，危险的情况会导致结构上的过载。

图9威克效应：下游起重机

上游的起重机可以在横向流动中被吸到建筑物周围。然后，它需要横向位置。然而，气动载荷保持小于下游起重机测量的载荷。

图10威克效果图：上游起重机

5.3局部加速效应

图11局部加速效应

局部加速效应更难描述和图式化.. 事实上，有几个建筑物干扰，没有一个简单的模式来总结所有的配置。建造的环境创造了一个走廊，在那里的风被引导和加速在限制区。一般来说，臂架不会移动并保持在稳定的位置，但气动载荷增加。 一个典型的例子是“文丘里” 效应。

6 参数研究

下一年，这个研究意愿向描述这些相关环境效应中的每一个，以便为建

筑业的行为者制定规则和建议。这项工作已于2004年开始，2005-2006年将继续进行。已计划与IN RS合作进行一项参数研究，以检测造成这种现象的起重机和建筑物的特征和相对尺寸。作为第一步，将为特定起重机（臂架长度、臂架高度）和建造环境建立地图。他们会展示关键起重机位置在建筑现场。 然后进行综合，以检测相互作用规则。

图12映射示例

图12显示了映射的示例。起重机位于一座48米高、60米长和15米大的建筑物附近。臂架高度固定为52m，臂架长度固定为45m.. 关键地点用红色表示。在这种配置中，环境效应类似于5. 1中描述的角效应。参数研究正在进行中。

7 结论

建立了风洞边界层中塔式起重机环境影响研究的实验过程。一个1/80尺度模型再现了起重机在停用状态下的动态行为.. 该模型的仪表能够进入气动力矩和臂架的瞬时角位置。

该模型起重机是研究周围建筑环境对起重机影响的有效工具。 根据在风洞中测试的CSTB技能和建筑场地，建立了最常观察到的现象的分类. 这项研究将继续确定产生这种现象的重要起重机和建筑特性。本研究的目标是为建筑行业行为者制定规则和建议，以确保建筑工地的安全。

8 感谢

波坦·S.A.和INRS是这项研究的发起人。感谢主办方的协助与合作。

9 参考资料

[1] D. Voisin (2003) Etude des effets du vent sur les grues agrave; tour. Doctoral thesis, Nantes

[2] D. Voisin, G. Grillaud, C. Solliec, A. Beley-Sayettat, J.-L. Berlaud, A. Miton (2004) Wind tunnel test method to study out-of-service tower crane behaviour in storm winds. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 92 (2004) 687-697

[3] Eden J.F., the late Iny A. and Butler A.J. (1981) Cranes in storm winds. Eng. Struct.,1981, Vol. 3, july

[4] Eden J.F., Butler A.J. and Patient J.(1983) Wind tunnel tests on model crane structures. Eng. Struct.,1983, Vol. 5, October Building Reseach Establishment, Garston, Watforf WD2 7JR, UK

[5] Fetizon F., Jouannet J.C., Watremetz M. (1979) Tower crane in turbulent wind. Pratical experiences with flow induced vibrations Symposium, Karlsruhe 3-6/september 1979

[6] Vreugdenhll J. (1995) Out-of-service Wind-Loading of cranes gusts. Bulk Solids Handling/Volume15/No.1/January-March 1995

[7] Eden J.F., Butler A.J. and Patient J. (1985) A new approach to the calculation of wind forces on latticed structures. Building Research Institut The Structural Engineer/ Volume 63 A/No. 6/June 1985

[8] ESDU (1988) La

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