塔式起重机塔身标准节接头应力集中分析
塔吊标准节连接螺栓松动的原因分析
塔吊标准节连接螺栓松动的原因分析塔吊标准节靠塔吊自身的顶升装置，一节一节的组装在一起构成塔吊的“躯干”，起到支承上部工作部件的作用，主要承受顶部工作部件传来的轴向压力、水平力、弯矩和扭矩。
塔吊标准节螺栓松动是针对标准节节间采用螺栓套管连接形式的塔身，目前大多数塔吊厂家的中小型塔吊（60t·m及以下）都采用这种连接形式，且螺栓均为高强度螺栓。
但是，在对塔吊日常检查工作中，不少情况出现连接螺栓松动的情况，那是什么原因导致塔吊标准节螺栓松动呢下面，就塔吊标准节连接螺栓松动的原因分析、危害及预防措施，做如下探讨。
塔吊标准节连接螺栓松动的原因：我们先来分析塔身的受力特点，塔身受力可简化为：垂直于水平面的弯矩M、在水平面的扭矩T、轴向压力N、水平力F，其中M、T对螺栓松动影响较大。
当吊臂吊起重物时，M为正值，放下重物后M为负值。
回转启动时产生的T为正值，回转制动时产生的T为负值。
在正常工作时，塔吊频繁地吊起和放下重物，吊臂反反复复地启动和制动，使塔身承受正负交替频繁变化的弯矩和扭矩，导致标准节连接螺栓受力在反复不断的变化，这是螺栓松动的根本原因。
塔吊的工作特点决定了标准节连接螺栓受力特点，这是不可克服的。
为此，各塔吊厂家对塔吊标准节连接螺栓都采用高强度螺栓。
有关塔吊的规范和各塔吊厂家的使用说明书都对这种螺栓连接的安装提出了要求，要求在安装时施加预紧力，对不同规格的连接螺栓给出了不同的预紧力值，如对常用的级M24螺栓，其预紧力为：155KN。
要达到准确施加预紧力，必须根据高强度螺栓的扭矩系数计算应作用在螺栓上拧紧扭矩，对上述级M24螺栓，其理论预紧力矩约为700N·m。
而目前的成都地区，安装塔吊时几乎全是凭操作工人经验拧紧螺栓，很多操作工人连规定的预紧力和理论预紧扭矩的概念都没有，更谈不上用扭矩来控制螺栓预紧力了。
还有，拧紧标准节连接螺栓是在高空作业，操作条件不好，要想将实际预紧扭矩施加到500N时，工人劳动强度将大大增加，要想直接靠人力将预紧扭矩拧到符合要求不易作到。
塔式起重机危险因素分析
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5、主要承受压力的杆件（如塔身、撑杆、 动臂式臂架），垂直度和直线度超差，偏 心加大。因此屈曲失稳危险也加大。 6、零部件位置误差较大，妨碍运动，如 钢丝绳运转时与不运动件干涉，造成严重 磨损破坏。 7、电气接线错误，导致控制失常。 8、不认真落实质量管理制度，不按规定 检查和试验，甚至取消必要的试验、检验 项目，产品带病出厂，给安装和使用留下 了危险因素。
4、安全装置破坏
• 安全装置的人为取消、调整错误、零部件损坏， 都会使它的防护作用遭破坏，从而引起事故，例 如，为了超载使用，取消起重力矩限制器，或增 加弹簧刚度，使起重力矩限制器失去作用，导致 整机倾覆。 • 因此，绝不能把安全装置视为可有可无，也不能 把安装装置的正常防护使用与塔式起重机的工作 对立起来，应该看到塔式起重机特殊不利的环境 和特点，它比其它起重机更依赖安全安装的保护。
• 统计资料表明，塔式起重机事故大多数是由使 用方面违犯操作规程造成的。一般来说，设计、 制造方面的危险因素比较容易控制，而使用方 面的危险因素由于随机性大，较难控制。使用 中的危险因素，分下列几个方面。 1、稳定性破坏 2、钢结构破坏 3、机构和电气破坏 4、安全装置破坏 5、违章修理
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1、稳定性破坏
• （1）轨道和基础修筑质量欠佳，验收不严，使用 中不注意维护，雨水冲刷渗透，轨道沉陷；达到 倾覆临界状态，稳定性破坏，产生整机倾覆事故。 • （2）平衡重和压重不符合设计规定，重量偏小， 2 位置不正确，未按要求予以可靠固定而发生移位， 导致反倾覆力矩减少，稳定性受破坏。 • （3）台车枢轴和支腿产生裂纹，且没有及时发现， 在载荷较大时突然发生断裂，丧失支承，造成整 机倾覆。
• （4）制动器损坏引起吊重失控，不仅在垂 直运动方向失控，而且在水平运动方面也 失控，进而发生严重危险 • （5）回转机构中的风向标或离合器装置失 灵，在非工作状态臂架不能随风自由回转， 造成重大事故。 • （6）电气绝缘破坏，接地不良，导致触电 伤亡事故，要加强电气部分的防护，定期 检查，及时更换老化、破损的电缆橡胶套， 接地应良好。
塔式起重机塔身加节与降节的安全问题
塔式起重机塔身加节与降节的安全问题1 加节与降节的安全问题塔身加节与降节的过程是塔机重大安全事故多发阶段。
根据多年来国内93起塔式起重机重大安全事故统计，塔身加节与降节过程发生的重大安全事故占19.4%。
其中顶升违章占12.9%，顶升失误占6.5%。
相对塔机安装与拆卸工作而言，加节与降节工作程序简单、重复性大，但重大安全事故发生率却相当高。
加节与降节作业中避免重大安全事故的必要工作原则：不能怕麻烦，不能怕烦琐，严格按操作规程执行；同时不能带病作业，操作过程注意力要集中。
顶升操作程序简单，几乎不受外界设备的影响，但是要求严格，未得到制造厂书面认可，不允许对使用说明书的加节与降节程序作任何修改。
从已发生的重大安全事故看，在加节与降节过程中有1/3左右的事故是因为怕麻烦、怕烦琐而违反操作过程造成的。
塔式起重机不能带病顶升非常重要。
无论是液压系统的故障还是结构部分的缺陷都要在顶升之前排除，有的事故就是带病作业时不得不采用违反操作规程的方法而造成的。
顶升程序虽然简单，但是爬爪的入位、顶升横梁两端与踏步间的可靠支承、降节过程油缸缩回时上塔部分有无卡滞等都需要注意力集中才能做好。
塔式起重机顶升套架、塔身的结构形式对加节与降节程序有一定的影响。
了解塔式起重机结构型式和特点有利于掌握不同的加节与降节程序的要点。
但是，每种型号的塔式起重机都要有自己的加节与降节程序，在作业中要区别开同一结构形式中不同型号塔机加节与降节程序的不同之处。
2 加节与降节的要求和安全控制环节加节与降节程序相对简单，但是要求非常严格，不允许违规操作。
有些问题在操作人员不了解其含义时认为很平常、不重要，但实际上与安全有很大关系，以下对几个涉及安全的主要问题加以说明。
2.1 风速问题在套架的强度计算中，风载荷引起的套架内力占相当比重，风载荷与风速的平方成正比，风速增大会使风载荷引起的套架内力增加很多。
因此风力超过使用说明书规定的数值或风速不稳、瞬时风速较大时不要进行加节与降节作业，一般规定安装作业时风速不得大于13m/s。
塔机标准节高强度螺栓群的力学分析与应用
0 引 言目前塔式起重机上标准节之间的连接都是使用高强度螺栓，通过施加规范预紧力，从而达到固定标准节的目的[1]。
但是由于施工安装人员缺乏对高强度螺栓连接方式的认识，往往未按规范计算预紧力以及所设计的螺栓强度误差较大，导致塔身的刚度减弱，重则引起螺栓失效，造成事故。
当前一些研究学者对于塔机标准节螺栓的计算大多按照承压型高强度螺栓来进行受力分析，缺乏对塔机标准节中摩擦型高强度螺栓的计算与校核，而承压型高强度螺栓存在刚度差、动力性能差等问题，其实际强度储备小，只能用于承受静力荷载和间接承受动力荷载结构中[2]，不能用在需要考虑疲劳或直接承受较大动力荷载的塔机钢结构中，这就导致设计的标准节螺栓强度与实际工况不符合，从而造成标准节之间的螺栓产生较大滑移而发生断裂现象。
因此为了保证螺栓的受力情况更加接近塔机实际运行工况，以摩擦型高强度螺栓为切入点，综合考虑多载荷组合下的塔机实际工况，建立塔身标准节力学模型；其次针对塔机标准节螺栓的排布方式，提出了弯矩、扭矩、剪力共同作用下的标准节螺栓的承载力计算公式与校核计算方法；并以大汉塔机为例，对标准节螺栓进行受力分析与强度校核，验证该方法在塔机标准节中的适用性。
1 塔机标准节高强度螺栓力学计算1.1 塔机标准节力学模型简化考虑塔机采用水平吊臂、小车变幅、上部回转的结构型式，因此根据塔机的实际运行工况，分析塔机标准节所承受载荷主要包括各种不平衡重、风载荷产生的弯矩M，塔机运行时产生的扭矩M k，水平推力W以及塔机满载时的自重G，如图1所示，为塔身标准节的受力简化模型。
1.2 摩擦型高强度螺栓的性能分析从受力特点来看，摩擦型高强度螺栓施加预紧力和靠摩擦力传递外力，在被连接件之间的接触面上产生摩擦阻力来承受外荷载。
在抗剪设计时，摩擦型高强度螺栓是以外剪力达到板件接触面间由螺栓拧紧力所提供的可能最大摩擦力为极限状态，保证连接在整个使用期间内，外剪力不超过最大摩擦力，板件不会发生相对滑移变形[3]。
塔式起重机的静力学分析
塔式起重机结构的静力学分析摘要：强度和振动特性是设计塔式起重机的金属结构的重要指标。
文章从有限元的基础理论出发,利用ANSYS软件,对塔式起重机进行静力学分析,获得了其应力应变结果,比较了三种典型的工况,指出了极限吊重情况下静态极限强度的位置,并分析了塔式起重机的振动频率和振型,为研究塔式起重机的其他动力响应提供了依据。
关键词：塔式起重机静力学分析有限元 ANSYS引言：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。
当起重臂架绕塔式起重机的回转部分作360°回转、吊重载荷沿起重臂架运行并升降时以及由于驱动控制系统电机抖动等原因，都会使塔式起重机引起振动。
在此情况下，吊重荷载等动荷载对塔式起重机结构所引起的内力和变形，要比同样大小的静荷载所引起的大，有时甚至大得多。
由于塔式起重机结构及构件承受的动荷载一般都很大，而且加载次数较为频繁，更容易产生疲劳破坏。
作为大型设备,塔机的工作特点是根据建筑需要将物品在很大空间内升降和搬运,属于危险作业。
目前,在建筑施工中,由塔机引起的人员伤亡和设备事故屡禁不止,重大事故发生率居高不下。
塔机的强度和振动频率是影响塔机寿命和稳定性的重要因素，因此对塔式起重机进行静力学和振动的研究是十分要必要的。
本文利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对塔式起重机ＱＴＺ630进行建模，分析了三种加载在塔式起重机上的典型的工况，得出了塔式起重机在三种工况下的静力学应力和应变云图，找出塔式起重机各个工况下的危险位置，为其塔机的改进提供参考。
提取出塔机的前５阶振动模态，为其他动力学响应提供研究依据。
1.塔式起重机的结构及性能参数1.1塔式起重机的结构塔式起重机主要由机械部分、金属结构和电气三大部分组成。
机械部分主要是指起升机构、运行机构、变幅机构、回转机构、行走机构、架设机构等等，这些机构根据工作需要或有或无，但起升机构是必不可少的。
塔式起重机顶升系统的受力分析与使用安全
塔式起重机顶升系统的受力分析与使用安全作者：陈雪萍无论国内还是国外，塔式起重机在现代化建设中都起着非常重要的作用。
它的高效性、安全稳定性是塔机生产行业和施工企业较普遍关心和注意的问题。
在我国每年因塔机安全方面引起的伤亡事故较多，给不少的家庭和社会造成了严重的影响和巨大的损失。
为了减少或避免事故的发生，在塔机整体设计中应综合考虑各相关参数，以“以人为本、安全第一”的设计观点来进行各项设计。
塔机使用过程中，最容易发生事故的莫过于顶升状态，很多塔机事故均是发生在这个阶段。
所以，了解和掌握塔机顶升的特点和受力分析，有利于减少和消除这一关键因素的安全隐患。
现将笔者在从事塔机设计中有关塔机顶升系统的受力分析与安全使用的经验和心得作一介绍，以供大家参考，希望对塔机使用者有所裨益。
一、顶升系统的相关位置及尺寸的关系每节标准节两顶升块间的中心距离、下顶升块与标准节立柱下端面的距离、顶升梁的油缸轴与顶升轴间的距离、顶升支承梁及油缸座板和制动器座板中心在爬升套上的位置尺寸、油缸的安装尺寸、以及下支座短立柱尺寸都会直接影响整个顶升、加节过程的顺利完成。
其中影响的关键尺寸是标准节两顶升块间的中心距离、下顶升块与标准节立柱下端面的距离、顶升梁的油缸轴与顶升轴间的距离、顶升支承梁及油缸座板和制动器座板中心在爬升套上的位置尺寸，在已确定顶升梁的油缸轴与顶升轴问的距离时，可暂确定顶升梁轴中心与标准节顶升块中心的距离为30～60mm、止动器轴心与标准节顶升块中心的距离为10~30mm，又给出油缸的安装尺寸，从而即可确定爬升套上顶升支承梁及油缸座板和制动器座板中心尺寸了。
同时考虑止动器的安全刚度问题，即止动器不宜太长，过长则减弱其强度，使之易弯曲变形、折断，引发塔机顶升过程的事故。
另外，顶升梁轴中心与标准节顶升块中心的距离、止动器轴心与标准节顶升块中心的距离的取值过大或过小都会影响顶升的有效行程、顶升和换肩的次数，从而使效率降低。
顶升系统的相关位置、尺寸的关系如图1。
建筑施工安全生产隐患识别图集(塔式起重机)-2、【金属结构与连接】类隐患
塔式起重机隐患识别图集2、【金属结构与连接】类隐患2.1 塔身标准节主肢裂纹隐患问题：塔身标准节主肢出现裂纹。
风险分析：导致标准节杆件断裂，造成整机坍塌。
整改措施：立即停止使用，采取临时加固措施，拆除、更换存在安全隐患的标准节。
规范要求：《建筑塔式起重机安装检验评定规程》（DBJ /T 15-73-2010）第4.4.1 条：塔机主要承载结构件及其焊缝应无裂纹，结构件不应有整体或局部塑性变形，销孔应无塑性变形。
连接件的轴、孔应无严重磨损。
2.2 塔身标准节主肢或腹杆断裂隐患问题：塔机使用过程中标准节主肢或斜腹杆断裂。
风险分析：导致整机坍塌。
整改措施：立即停止使用，采取临时加固措施，拆除、更换存在安全隐患的标准节。
第4.4.1 条：塔机主要承载结构件及其焊缝应无裂纹，结构件不应有整体或局部塑性变形，销孔应无塑性变形。
连接件的轴、孔应无严重磨损。
（DBJ /T 15-73-2010《建筑塔式起重机安装检验评定规程》）2.3 起重臂斜腹杆与上弦连接处焊缝开裂或存在塑性变形隐患问题：起重臂斜腹杆与上弦连接处焊缝开裂或存在塑性变形。
风险分析：导致臂架节失稳破坏，造成折臂甚至整机坍塌。
整改措施：立即停止使用，由制造厂制定整改方案。
规范要求：《建筑塔式起重机安装检验评定规程》（DBJ /T 15-73-2010）第4.4.1 条：塔机主要承载结构件及其焊缝应无裂纹，结构件不应有整体或局部塑性变形，销孔应无塑性变形。
连接件的轴、孔应无严重磨损。
2.4 回转下支座封板焊缝开裂隐患问题：塔机回转下支座封板焊缝开裂。
风险分析：导致回转塔身节失稳破坏，造成塔机上部结构坍塌坠落。
整改措施：立即停止使用，更换回转总成。
第4.4.1 条：塔机主要承载结构件及其焊缝应无裂纹，结构件不应有整体或局部塑性变形，销孔应无塑性变形。
连接件的轴、孔应无严重磨损。
2.5 塔机上安装非原制造厂基础节隐患问题：塔机上安装非原制造厂基础节(基础节带顶升踏步和螺栓连接套筒，无制造合格证明，非原厂制造)。
塔式起重机螺栓连接的预紧力及应用方法
1、受拉螺栓的预紧⼒与外⼒间的关系 若将螺母充分拧紧，则螺母在螺栓的轴线⽅向前进了h，必然会使螺栓受到预紧⼒⽽使板受到压⼒，假定沿板间将螺栓切断，⽤P代表预紧⼒，T代表板间的挤压⼒，由平衡条件得到P=T，即预紧⼒与挤压⼒相等，此时螺栓杆的伸长Δl1，板的挤压变形量为，若以E1和A1代表螺栓杆的弹性模量和截⾯积，E2和A2代表板的弹性模量和截⾯积。
（1）当外⼒N作⽤时，由于此⼒并不直接加在螺栓上，⽽是加在被连板上，因⽽将被连件趋于分开，压缩变形减⼩，减少了板间的挤压⼒，使挤压⼒由减⼩为，此时由平衡条件有：外⼒N继续增加，当加⼤到板间原来的压缩变形完全消失=0，板间的挤压⼒也随之消失，与之平衡的预紧⼒也随之消失。
但并不意味着螺栓不承受拉⼒，反之，当板间的压缩变形完全消失后，螺栓相应被拉长了，使螺栓拉长的⼒的增量。
（2）⼀般情况下，E1和E2近似相等，但连接件的⾯积⽐螺杆的截⾯积A1⼤得多，假设E1=E2，A2=10A1，代⼊（2）式ΔP=0.1P. 由以上分析可知，拉⼒螺栓连接必须施加预紧⼒，被连接件受到挤压，当承受外⼒时，连接件间的挤压⼒随外⼒增⼤⽽减⼩，预紧⼒也减⼩。
当外⼒加⼤到使两连接件刚好分开时预紧⼒减⼩为零，螺栓所受的拉⼒将⼤于原来静连接时施加的预紧⼒。
2、⾼强度螺栓连接的特点 ⾼强度螺栓的杆⾝采⽤经过热处理的45号钢或合结钢，其性能等级为8.8级、10.9级或更⾼。
螺母和垫圈为相应性能等级的钢材制成，安装时要求将螺栓拧得很紧，取得很⼤的预紧⼒，将构件接触⾯压紧。
摩擦型的⾼强度螺栓完全依靠接触⾯间的摩擦⼒来传递剪⼒，并以出现滑移为承载能⼒的极限状态。
承压型的⾼强度螺栓以连接失效为承载能⼒的极限状态，并以出现滑移为正常⼯作的极限状态。
所施加的预紧⼒⼀般为螺栓材料净截⾯积与屈服极限乘积的0.7倍，所选⽤的⼯作拉⼒应⼩于预紧⼒，以使构件接触⾯间仍有残余预紧⼒，保证正常⼯作的可靠性。
3、塔机塔⾝标准节套管连接螺栓 塔⾝标准节为主要受⼒构件，⼯作时承受轴⼒、弯矩及扭矩。
塔式容器整体应力分析及评定
收稿日期:2003207221作者简介:杨国义(19652),男,吉林人,高级工程师,工学硕士,从事压力容器标准及技术咨询工作。
文章编号:100027466(2004)0120036203塔式容器整体应力分析及评定杨国义,寿比南,梅林涛(全国锅炉压力容器标准化技术委员会,北京 100029)摘要:从压力容器分析设计的角度详述了塔式容器整体应力分析的过程、方法及评定原则,对一些分析过程中的关键性问题进行了说明,为解决塔器分析设计提供了可供工程参照的方法。
关 键 词:塔器;应力分析;有限元法;强度中图分类号:T Q 0531301 文献标识码:AStress analysis and evaluation for whole vertical slender vesselY ANG G uo 2yi ,SH OU Bi 2nan ,MEI Lin 2tao(China National S tandardization C ommittee on Boilers and Pressure Vessels ,Beijing 100029,China )Abstract :Detail in formation of stress analysis process ,method and evaluation principle for whole slender vessels in the aspect ofpressure vessel analysis design method are given ,s ome key problems in the analysis w orks are als o clarified.The designer can use the same method for the slender vessel analysis design.K ey w ords :slender vessel ;stress analysis ;finite element method ;strength 分析设计方法是通过对所分析的设备在分析载荷作用下产生的应力进行详尽的分类,对不同应力对应的应力强度给予不同许用极限,进而实现设备的有效设计[1],其工程设计的合理性愈来愈受到压力容器行业重视。
塔式起重机安全事故及隐患分析和预防
塔式起重机安全事故及隐患分析和预防近年来，随着城市建设的快速发展和高层建筑物的增加，塔式起重机的使用越来越普及，重大伤害事故的发生率也在不断提高。
安全性是塔式起重机的重要性能之一，由于它对建筑行业的影响，因此对其安全性的要求也愈来愈高，我们在加强法制入手的同时，也应采用新技术来提高它的安全性、降低生产成本；在取得显著的经济效益同时，进一步提高塔机行业的工艺制造水平和塔机产品的整机性能。
1、塔式起重机安全事故及隐患的分类1.1塔机制造质量问题（1）设计质量问题。
设计质量的优劣，直接影响塔机的使用价值和功能，是塔机质量的决定性环节。
设计决定了塔机固有的质量水平。
设计在技术是否可行、工艺是否先进、配置是否合理、机构是否配套、结构是否安全可靠等，都将决定着塔机的使用价值和功能。
案例：2012年8月16日上午9时26分，在浙江浦航建设工程有限公司承建的临安市衣锦人家16号楼工地发生一起QTZ80塔机在顶升加节过程中的倒塌事故，造成正在顶升加节作业的五人中三人坠落后当场死亡,两人坠落送医院后死亡。
该事故调查专家组检查了同一单位制造的同一规格型号、同批购买的安装于浙江浦航建设工程有限公司承建的另外工地的四台塔机：结果发现有二台与事故塔机一样在顶升套架下横梁爬爪座贴板焊缝热影响区有明显的裂纹。
（2）结构件的材质质量和焊接质量问题。
结构件的材质质量特别是塔机金属结构的关键件用材，如：平衡臂架、起重臂架、塔身标准件、塔顶、拉杆、上支座、下支座、载重小车架和基础底架等，如案例一、案例二。
在焊接结构的生产中，由于结构设计不合理，构件、焊条（焊丝）材料与接头不符合要求，焊接工艺不合理或焊工操作技术等原因，常使焊接接头产生各种缺陷，常见的焊接缺陷有：焊缝外形尺寸不符合要求以及咬边、焊瘤、夹渣、气孔、未焊透和裂纹等，其中以未焊透和裂纹的危害性最大，如案例三。
案例一：2013年在青田倒塌的QTZ80型塔机，在塔身主弦杆断裂处取样检验的材料质量分析中，显示了角钢的厚度测量有多处未达到材料厚度标准的规定，且金相检验表明，其材料存在大量硅酸盐、氧化物夹杂，当这些缺陷遇热影响区、高应变速率及高应力集中等特定因素时，这些因素对内在缺陷的扩展直至材料破坏起到了重要的作用。