塔式起重机地基沉降模型研究

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8 现代制造技术与装备 2013第4期总第215期塔式起重机地基沉降模型研究徐 勇涛 王海波 郝龙龙(1．山东省特种设备检验研究院淄博分院，淄博 255000；2．山东省特种设备研究院烟台分 院，烟台 2640003．山东建筑大学机 电工程学 院，济南 250101)摘 要：地基发 生沉降是塔式起 重机(以下简称塔机 )3-作 时的典型危 险状 态。如何模 拟塔机地基沉 降状况，根据地基沉 降模型得到沉降关系和沉降极限对塔机安全检测有重要 的意义。本文根据地基沉降特点建立 了塔机地基沉降的状 态模型，借助模 型得到 了地基沉降角度与塔身顶端位移和塔身应力的对应关 系，并根据塔机极限关系得到地基沉降I临界倾角。

关键词 ：塔机 地基沉降 有限元分析引言地基发生沉降究其原因主要是土壤的压缩性和不均匀性等 ，这势必会使地基不同方位 的沉降量有所差异 ，即塔机地基不均匀沉降客观存在 。

学者曾做过关 于地基沉降与塔机塔身顶端区域的研究 ，典 型的如 以塔式起重机塔身顶端倾 角特征模型为基础 ，建立 了在吊载状态 、空载状态时地基不均匀沉降的倾角特征模型一塔机地基不均匀沉降状态倾角特征模型?。

在考虑地基沉 降的塔机压重式底架受力分析_2J中，作者对压重式底架进行受力分析 ，并对塔基下沉对底架的影响进行了分析 ，此方法对于支点不发生悬空时的最大下沉量的计算有重要意义。

本文首先建立了塔机有限元模 型，并根据地基沉降特点建立了相应 的地基沉降状态下 的模型。通过分析地基沉降方位以及沉降角度，得到了地基沉降各方位下的沉降角度与塔身顶端位移 ，沉 降角度与塔身应力 的对应关系。塔机地基沉降模型研究对于塔机安全检测 ，结构加 固有重要指导意义。

1 研究模型的建立及验证塔机有 限元模型是地基沉降建模研究 的基础 ，塔机有限元模型通过塔机实际结构参数得到 (本文中的塔机是山东富友集团的 QTZ40型号塔机 )。

图 1 塔机有限元模型为了验证 ANSYS模型的有效性 ，我们将在 ANSYS模型下测得的塔身各个工况下的应力值与实际测得应力值图 2 检测点的位置表 1模型测量值与实际检测值的差值R(m) 12．3m 25m 47mGn 1．25Gn Gn 1．25Gn Gn Gn加 0．1工况 Q(kg) Gn侧载 1．25Gn4000 5000 1755 2193．7 800 800+80 1000d(o ) O O O 0 0 0 0测点号 负载应力值(O11，MPa)13 —1．9 -4．9 -8．5 -3．4 -9．2 —1．3H—H14 17-87 25．4 25．37 23．58 25．7 16．1215 -20．7 —21．47 -24．87 —19．8 —24．6 —1O．66I-I16 5．35 8．5 5．92 8．64 5．7 -27．47进行 了对 比。

如表 1所示 ，塔身 ANSYS模 型中测得 的检测点的应力 数 据 与 塔 机 实 际 测 量 检 测 点 的 应 力 数 据 差 值 在25．4MPa内，可以认为ANSYS塔机塔身模型是有效的。

2 地基沉降模型坐标的建立及等效简化处理2．1模型坐标的建立塔机有限元模型以地面为基础建立坐标系。坐标系原点 O为塔身在地面 固定截面的中心点 ，坐标轴 X正方 向为地 面北 向，且起重臂沿 X轴的正方 向；坐标轴 Z正方 向为地面西 向，且垂直于塔机起重臂及塔身 ；坐标轴 y正方向为垂直于地面向上。如图 3。

2．2等效简化设 计 与 研 究 9图 3 坐标建立当塔机发生地 基不均匀沉 降，认为是地基 XOZ发生一 定角度 的偏转 。当塔机地基 沿 x—x方 向向前倾斜 (即0≠0。 )时 ，我们可将整个塔机假设地逆时针旋转 0角 ，而保持各部分之间相对静止 ，如图 4所示 。

— — — — — — — — — — — — ／ ＼图 4 地基倾斜时模型的处理3 地基沉降关系分析塔 机在 额载状 态时的塔身上部弯矩大 于空载状况 的上部弯矩 ，而在最大起重量最大幅度处起升最大起重量(额载 )时 ，塔机处于向起重臂方 向倾斜 的状态 ，若此时地基分别 向 x—x、z—z和 XZ方 向正方 向倾斜 ，会使塔机处于更加危险的状态。

(1)额载时塔机地基沿 x—x方 向向前倾斜的位移应力分析 ，如图 5。

图 5 塔机检测点位置 图保持斜面倾角 0=0。不变(未倾斜 )，在有限元整机模型各相应节点上加上所需 载荷(平衡重 、最大 吊重和重力等)，得到塔身顶端检测点(1102节点)的位移值 x 00及 z 0 0及塔身 710单元应力 。(如表 2)塔身顶端 l102号节点 的位移 x和 z随倾 角 0变化的关系及 710单元应力关系如图 6和表 3所示。

从图 6可见，塔机沿 X—X方向向前倾斜时，塔身顶端检测点水平位移 x随斜面倾 角 0的变化较大 ，且 曲线成表 2 (单位 ：170170)角度 O l 2 3 4 5X 155．12 181．57 207．96 234．3 260．53 286．711102节点的位移Z O．121 O．148 0．175 0．201 0．228 0．255角度 6 7 8 9 10X 3l2-8 338．8 364．69 389．81 416．131102节点的位移Z 0．282 0．308 0 335 0．360 0．387图 6+{-J L}十 一丰： # 辑舞 蓑表 3 (单位 ：MPa)角度 0 1 2 3 4 5710单元的压应力值 75_82 87．66 99．49 l11．28 123．03 134．75角度 6 7 8 9 10710单元的压应力值 146．43 158．07 l69．65 180．9 192．67近似线性 。当斜面倾角 0增大到 9．8。左右时，其水平位移 x达到了允许值的极限值 1．34H％(411．38mm)。塔机沿x—x方向向前倾斜时 ，塔身顶端 1102号节点侧向位移 z随斜面倾角 0的变化很小 ；塔机 沿 X—X方 向向前倾斜时，塔身上 710单元的压应力 盯随倾角 0的变化较大。

当斜面倾角 0增大到 7。左 右时 ，710单元的压应力达到了许用应力值[【『](158．78Mpa)。

(2)额载时塔机地基沿 z—z方向向前倾斜(如表 4)表 4 (单位 ：nlm)角度 0 1 2 3 4 5X 155．O9 157．25 159．37 161．44 163．44 165．411102节点的位移Z -0．1 28．51 57．1 85．69 114．23 142．75角度 6 7 8 9 10X 167．33 169．2 171．O1 172．51 174．481102节点的位移Z 171．22 199．65 228．01 255．39 284．52塔身顶端检测点的位移 X和 z随倾角 0变化的关系曲线图及 710单元盈利关系如图 7所示。

鍪图 7从图 7可见，塔机沿 z—z方向向前倾斜时，塔身顶端检测点水平位移 x随斜面倾角 0的变化不大。塔机沿z—z方向向前倾斜时，塔身顶端检测点侧向位移 z随斜面倾角 0的变化较大，且曲线成近似线性。当斜面倾角 010 现代制造技术与装备 2013第4期总第215期增大到 4．3。左右时 ，其侧向位移 Z达到了允许值 的极限值 4H％。(122．8ram)。塔机沿 Z—Z方 向向前倾斜时 ，塔 身上710单元的压应力 13"随倾角 0的变化较大 。当斜面倾角0增大到 6．9。左右时，710单元的压应力 盯达到了许用应力值。

(3)额 载时塔机地基沿 XZ方向向前倾斜 (如表 5)表 5 (单位 ：mm)角度 O 1 2 3 4 5X 155．09 175．34 195．51 215．66 235．71 255．691123节点的位移Z —O．1 2O．16 40．38 60．62 80．82 101角度 6 7X 275．6 295．441123节点的位移Z 121．14 141．27塔身顶端检测点的位移 x和 z随倾角 0变化的关 系曲线图及应力最敏感单元的变化趋势如图 8所示。

一 — — ／ —
一 一 一 ～ ／ ／ 一 一 — — ～ ：， l， }，， It^ *一 h—— — — — — — — ， 一 ～ — — ～ — — — — ～ — — — — _ - — — f图 8从 图 8可见 ，塔机沿 XZ方 向向前倾斜 时，塔身顶端1102号节点水平位移 x随斜面倾角 0的变化较大。塔机沿 XZ方向向前倾斜时，塔身顶端检测节点侧向位移z随斜面倾角 0的变化较大 ，且曲线成近似线性。当斜面倾角0增大到 6．1。左右时，其侧向位移 Z达到了允许值的极限值 4H％。；当斜面倾角 0增大到 4．9。左右时 ，710单元的压应力 盯达到了许用应力值【o-】(158．78Mpa)。

4 结论当塔机沿z—z方向(侧向)倾斜时的临界倾斜角度比塔机沿 X—x或 XZ方 向倾斜时小 。当塔机地基沿 X—x方向向前倾斜 、沿 XZ方向向前倾斜 ，塔机会先因塔身 的强度不足而发生失效破坏 ；当塔机地基沿 Z—Z方 向向前倾斜时 ，塔机会先 因塔身的侧 向刚度不足而发生失效破坏。

(上接 第 4页)[2]张风珊．电气控制及可编程序控制器．2版 [M]．北京：中国轻工业 出版社 ，2003.

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表 6临界倾 灵 敏度 (mm／o )倾斜方向 斜角度位移 X 位移 z 应力地基沿 x—X方向倾斜 7。 26．101 11．685额载 地基沿 Z—Z方 向倾斜 4．3。 1．939 28．462 12．028地基沿 XZ方向倾斜 4．9。 20．05 20．196 16．893综合以上考虑 ，可 以初步设定塔机 的地基沉降安全极限为 4。。

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Research on the Ground Setlement Model of TowerCraneXU Yongtao ，CHENG Lubd，HAO Longlong3(1．Zibo branch of Shandong special equipment inspection andResearch Institute，Zibo 255000；2．Yantai Institute of Special EquipmentResearch Institute of Shandong Province，Yantai 264000；3．ShandongJianzhu University Institute of Electrical and Mechanical Engineering，Jinan 2501011Abstract：The foundation settlement is typical risk condition whenthe tower crane (hereinafter refered to as the tower crane)is at work.

According to the settlement of foundation settlement and the settlementmodel of relationship and limit how to simulate the condition of towercrane foundation settlement is of significance for the tower crane safetydetection．In this paper，according to the characteristics of the statemode1 tower crane foundation settlement of foundation settlement．modelobtained the coresponding relationship between angle and the tower topdisplacement and the tower of the settlement of the foundation bymeans of stress，and the critical inclination of foundation settlement areobtained according to the tower crane limit relation.

Key words：tower crane，ground settlement，finite element analysisThe Research of X-ray Digital Imaging System Basedon Scintillation and Charge Coupled DeviceXU Hongtong ，WEI Wei ，GU Li ，rAN Liqin ，ZHAO Xiaodongz(1．Lanzhou city university．Lanzhou 730070；2．Lanzhou SanleiElectronic Co．，Lanzhou 730050)Abstract：This paper presents using the latest research results ofmaterials science and microelectronics technology， developing a newgeneration of practical ray detector and basic ima西ng system.

Key word s：scintillation，X-rays，charge coupled device