塔式起重机结构系统动态优化设计探究

塔式起重机结构系统动态优化设计探究

张肖 ,白杨, 刘双明

陕西建设机械股份有限公司 陕西省 西安市  710200

摘要：文章首先探究塔式起重机基本概述，之后对其结构系统可靠性进行动态分析。在日常使用和施工过程中，可能存在塔式起重机结构系统失效情况，因此应该通过参数化鉴别、修改设计变量、减少分析成本，提高分析效率，以此提升设计方案的可靠性。

关键词：塔式起重机；动态优化；结构系统；设计

塔式起重机属于起重设备之一，其作业空间大，当前多用于建筑构件安装和物料的水平、垂直运输环节，如今我国建筑行业迅速扩张，对塔式起重机的应用频次越来越高，要想充分发挥塔式起重机结构性能和可靠性，必须对其结构系统进行优化设计，以此满足建筑施工要求并确保其机械结构性能运行可靠。

一、塔式起重机基本概述

塔式起重机也被称为塔吊或者塔机，主要由电气系统、工作机构和金属结构这三个方面组成工作范围较大[1]。一般来讲，塔式起重机包括：1.上旋转式起重机，通过回转机构可根据现场使用要求，围绕塔身中心线做回转运动，塔身不转动，起重机可以沿着轨道运行，应用较为广泛，动力臂较长。2.下旋转式其中机工作机构在转台上一起回转，但是行走机构不旋转。整机重心较低，灵活轻巧，更加适用于多层建筑施工中。

二、塔式起重机结构系统可靠性的动态分析

文章主要以QTZ7540型起重机为例，其结构系统的主要参数如下：

表1：QTZ7540型起重机结构系统主要参数

要想确定塔式起重机结构系统可靠性，还应该计算具体工况，结合工况判断实际使用情况，并分析出荷载量，在计算起升机构惯性作用时，应该充分考虑到起升动载系数，根据塔式起重机设计规范，按照工作状态下垂直于吊臂下再进行结构计算，之后确定塔式起重机结构系统失效情况。一般来讲，常见的失效模式主要有疲劳失效、稳定性失效、脆性断裂、刚性不足失效等多种方面[2]。如果一次性结构抗力低于荷载，将会在施工过程中造成损害，使得结构系统整体性失效，因此相关部门和技术人员应该及时对塔式起重机结构系统进行检修和报废，避免因为失效而导致严重后果，同时管理人员和相应技术人员还应该对产品进行合格验收，以此确保后续施工安全，通过参数化鉴别、修改设计变量，减少分析成本，提高分析效率，以此提升设计方案的可靠性。

三、塔式起重机结构系统动态优化策略

要想使得塔式起重机结构系统满足静态性能设计要求，应该根据实际工况对机械结构进行静态设计，避免在施工过程中产生结构性破坏，同时技术人员还应该考虑到，结构优化过程中应该满足具体产品要求，通过其动态特性调整塔机的工作性能，主要设计内容包括创建结构动力学模型，并且选择合适的动态优化设计方法，之后对相关参数进行设计，具体优化措施如下：

（一）创建结构动力学模型

在创建结构动力学模型过程中，广泛采用的是有限元法。但是也应该注意到该方法需要考虑到模型边界处理、模型简化等多种元素，因此在机械工程、土木工程等结构分析中，有限元计算结果精度较低，离散误差更大。还可以通过试验模态法在测量精度极其精确的情况下，对结构系统测算传递函数，该种方法只适用于已有实物结构，之后通过获取模态参数来建立数学模型，最后得出客观、可信的结果；还可以建立符合动态特性要求的模型，通过混合建模方法，改进有限元模型，使之更加准确，并且对动态分析结果进行指导。

（二）选择合理的动态优化设计方法

1.灵敏度分析

首先对塔式起重机进行灵敏度分析，灵敏度分析是结构动态设计的重要内容，通过结构设计变量的改变，判定结构特性变化敏感度，以此来缩减不必要的设计变量，最终提高某个结构参数效率。依据结构动态特征和物理参数，通过无阻尼结构自由振动方程判定变量的灵敏度，以此了解结构参数变化，快速找到结构动态优化设计方法，为了使得塔式起重机具有良好动态性能和较轻重量，可以利用最优拉丁超立方设计方法，判定塔身参数、回转塔身参数、塔头参数、起重臂参数、构建近似模型，运用多目标，提高动态优化计算速度。对灵敏度进行分析，通过动位移约束条件、杠杆刚度约束条件，给出设计变量的上下限取值，之后构建近似模型。

2.构建动态优化模型

在结构系统的动态优化过程中，首先进行设计变量，通过多目标动态优化，确定目标函数，在静强度约束条件下，结构最大静强度应该小于材料的许用应力结构，最大动应力也要小于材料许用应力，塔身水平定位仪应该小于塔身自由高度，在确定杆件刚度时，长细比不应超过许用值。

3.误差评估

在构建动态优化模型之后，要想确保各响应值误差满足要求，应该对响应面模型进行误差评估[3]。其中最大误差应该小于0.3%，平均误差应该小于0.2%，利用多目标优化算法，对优化前后各设计变量进行对比，重新建立塔机结构有限元模型，确保近似模型精准度。分析有限元第一工况计算结果，将起重臂上弦杆、下弦杆、起重臂长拉杆、短拉杆、塔顶前杆、塔顶后杆、塔身前杆、塔身后杆、平衡拉杆作为测点位置，分别测定弯矩、扭矩、剪力和轴力，以此提高塔式起重机结构系统计算结果可靠性。

（三）优化结果分析

在结构系统动态优化设计之后，应该对优化结果进行分析，分析塔身前后优化变量和起重臂前后优化变量，具体参数如下：

表2：优化结果比较分析

通过重新建立塔机结构有限元模型，分析塔式起重机结构系统前后优化的变化率，确定塔身、塔头、起重臂的最大净强度，判断启动机塔身和塔头的动应力，分析塔式起重机动位移、静位移和自重变化率，其中动位移变化率为降低23.1mm，净位移变化为降低32.7mm，自重降低8.3%，而起重臂最大静强度为53.3MPa，动应力为34.1MPa。通过以上结果可以分析得出，在优化之后起重机结构自重减少，因此必然会降低部分钢材使用量，动态应力减小，优化后塔身最大静强度得到优化，水平静位移减少为286mm，脉动风荷载作用下起重臂最大负荷应力降低为250MPa，最大负荷应力降低为181MPa，可见通过结构动态优化，使得塔式起重机结构更加稳定，应力响应未出现异常，同时波动幅度明显降低，塔身弯曲刚度明显提高，进一步提升整机的动态性能。

结语

综上所述，要想避免塔式起重机在施工过程中产生结构性破坏，应该选择合适的动态优化设计方法，之后对相关参数进行设计，判定结构特性变化敏感度，以此来缩减不必要的设计变量，最终提高某个结构参数效率。

参考文献：

[1]卢宁,宋鹏程.基于自适应S速度轨迹的塔式起重机变幅定位与防摆控制研究[J].机电工程,2022,39(01):120-127.

[2]张会敏,宋世军.基于图谱特征的塔式起重机塔身损伤判断方法研究[J].中国工程机械学报,2021,19(03):268-272.

[3] 李振兴,冯峰,张军,等. 超高层爬升塔式起重机支座处结构分析及加固做法[J]. 建筑技术,2021,52(2):215-218.