强风环境中塔式起重机抗风性能研究

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塔式起重机是一种被广泛应用于工程建设中的施工机械,通常采用格构式断面,且高宽比较大,属于典型的风敏感柔性结构。我国现行标准对塔机正常工作的许可风速进行了严格的规定,通常风速超过6级(即风速超过10.8m/s)时禁止作业。福建东部沿海为亚热带海洋性季风气候,6级以上强风在全年中的占比较高,处于该区域的塔机同时面临着强风威胁和施工窗口期受限两大问题。基于此,本文以平潭岛为例,在深入调研的基础上选取TC6012A-6和T7020-12KA两款在岛内具有代表性的塔机作为分析对象,对其在强风环境中的抗风性能进行了较系统的研究,主要工作如下:(1)塔式起重机动力特性分析。采用有限单元法建立塔机有限元模型,通过模态分析获得结构的主要振型和频率;同时开展基于环境振动的塔机现场模态实测,获得结构的实测振型和频率。通过有限元模拟结果和实测结果的对比和相关性分析,对塔机动力特性的准确性进行了校验。结果表明,塔机臂架与主塔呈45°时,结构的刚度相对最大,为最有利状态。塔机臂架主要振型实测值与模拟值的模态置信因子均不小于0.7,对应频率误差均不大于8%;塔身主要振型实测值与模拟值的模态置信因子均不小于0.8,对应频率误差均不大于5%,表明本文建立的塔机有限元模型具有足够的准确性,可以用于结构的动力分析。(2)塔式起重机风荷载安全性评估。采用3D打印技术设计制作了塔机刚体模型,并分别进行了塔机标准节段、臂架和整机的测力风洞试验,获得塔机不同工况下的体型系数,同时对现行标准中风荷载取值的安全性进行评估。结果表明,基于风洞试验的体型系数和风荷载均小于规范值;《起重机设计规范》与《建筑结构荷载规范》关于塔式起重机风荷载的计算原理存在较大不同,且取值偏于保守;两款塔机塔身的最大水平静位移在7级风和14级风作用下分别不超过0.054m和0.145m,均满足规范要求。(3)塔式起重机抗风安全性评估。采用时程分析法对结构的风振响应进行了分析,并依据现行规范对不同强风等级下塔机的结构安全性和作业舒适性进行了评估。结果表明,在14级风力作用下,塔身水平位移角幅值为0.0074,满足规范要求,塔机主体能抵抗14级台风作用;6级和7级强风作用下,塔机在结构安全性方面能够满足要求,TC6012A-6塔机产生的加速度不超过0.063 m/s~2,满足规范要求,但对于刚度较大的T7020-12KA塔机,6级以上强风环境中产生的加速度幅值超过了规范限值,塔机作业人员在塔机上会感到不适,应停止塔机作业或采取有效措施降低加速度幅值。
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