編輯|九鼎鑒史
前言塔式起重機(jī)又稱回轉(zhuǎn)起重機(jī)，回轉(zhuǎn)荷載簡稱塔機(jī)或塔吊，起重作為一種機(jī)械設(shè)備，機(jī)風(fēng)件模具有效率高、作用準(zhǔn)分動(dòng)作復(fù)雜等特點(diǎn)，下的性何析隨著城市高層建筑發(fā)展，安全塔式起重機(jī)在實(shí)際工程中的擬精需求越來越大。
然而其安裝及工作位置常位于室外，回轉(zhuǎn)荷載因此，起重易受大風(fēng)等自然環(huán)境的機(jī)風(fēng)件模影響，此外，作用準(zhǔn)分我國海岸線漫長，下的性何析又是安全臺(tái)風(fēng)重災(zāi)國家，每年臺(tái)風(fēng)過境導(dǎo)致塔機(jī)破壞的擬精案例時(shí)有發(fā)生。
研究背景
超級(jí)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”登陸時(shí)，回轉(zhuǎn)荷載風(fēng)速達(dá)60m/s，僅海口、文昌、澄邁等地區(qū)塔機(jī)傾覆77臺(tái);
臺(tái)風(fēng)“天鴿”于在珠海市金灣區(qū)登陸，造成珠海市建筑工地110臺(tái)塔機(jī)倒塌，27臺(tái)塔機(jī)受損，有研究表明，近年來隨著全球氣候變暖，西太平洋生成臺(tái)風(fēng)平均強(qiáng)度呈下降趨勢，但我國臺(tái)風(fēng)平均登陸強(qiáng)度呈逐漸增強(qiáng)趨勢，因此，研究塔式起重機(jī)在臺(tái)風(fēng)作用下的安全性顯得愈加重要。
根據(jù)臺(tái)風(fēng)過境后塔機(jī)相關(guān)資料顯示，風(fēng)速超過塔機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的非工作工況最大承受能力是造成塔身傾斜、倒塌的主要原因，針對(duì)上述問題，
國內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)塔機(jī)進(jìn)行了研究，利用ANSYS軟件建立了風(fēng)荷載作用下塔機(jī)有限元模型，指出了塔機(jī)在風(fēng)荷載作用下吊臂最先可能出現(xiàn)損壞；
對(duì)塔式起重機(jī)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了風(fēng)致振動(dòng)引起的塔機(jī)故障；通過對(duì)風(fēng)荷載設(shè)計(jì)系數(shù)進(jìn)行研究以適應(yīng)當(dāng)前平頭塔式起重機(jī)計(jì)算問題，采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)規(guī)范中的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)系數(shù)重新計(jì)算，
對(duì)規(guī)定中尚未提及的桿件尺寸的風(fēng)荷載系數(shù)深入研究，并針對(duì)特定型號(hào)塔機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，為塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供了有力理論依據(jù)對(duì)風(fēng)荷載作用下鋼結(jié)構(gòu)吊裝安全性進(jìn)行研究，考慮其自重和風(fēng)荷載的耦合作用，
使用ANSYS軟件模擬分析了結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的承載極限問題，并給出了安全性相關(guān)建議，總之，已有不少專家學(xué)者對(duì)風(fēng)荷載作用下塔機(jī)問題進(jìn)行了研究，然而大多以理論計(jì)算、有限元分析為依據(jù)，且基本為穩(wěn)定狀態(tài)下的靜態(tài)計(jì)算，
基于此，總結(jié)了風(fēng)荷載導(dǎo)致塔機(jī)事故的原因，并以寧波市某施工現(xiàn)場1號(hào)塔機(jī)為研究對(duì)象，結(jié)合臺(tái)風(fēng)“煙花”持續(xù)時(shí)間內(nèi)傳感器實(shí)測數(shù)據(jù)，對(duì)臺(tái)風(fēng)作用下非工作狀態(tài)塔式起重機(jī)安全性進(jìn)行研究。
監(jiān)控設(shè)備及監(jiān)控方案
2.1監(jiān)控設(shè)備為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測塔機(jī)狀態(tài)，選取了具有實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)功能的傾角傳感器，該儀器可根據(jù)三軸對(duì)應(yīng)的傾角變化計(jì)算出塔機(jī)偏移情況，該傳感器型號(hào)為WEMS4測量內(nèi)容為x，y，z軸傾角，
上傳數(shù)據(jù)內(nèi)容為三軸傾角平均值、最大值、最小值，量程為±90°，靈敏度為0.001°，最大誤差為0.01°，在惡劣環(huán)境下長期監(jiān)測，此外，由于研究內(nèi)容與風(fēng)速密切相關(guān)，因此，需在場地內(nèi)安裝氣象站用來監(jiān)測該地風(fēng)速、風(fēng)向情況，基于此，選取具有存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)監(jiān)測功能的小型氣象站。
該儀器可實(shí)時(shí)自動(dòng)記錄場地風(fēng)速、風(fēng)向變化情況并可將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送至終端，上傳數(shù)據(jù)內(nèi)容包含當(dāng)前風(fēng)速、最小風(fēng)速、最大風(fēng)速、平均風(fēng)速等。
2.2監(jiān)控方案為具體分析塔機(jī)各節(jié)段在臺(tái)風(fēng)作用下的位移情況，儀器均利用抱箍固定在測點(diǎn)，編號(hào)1610~1615傳感器均布置于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段內(nèi)，1616號(hào)儀器則固定在塔尖位置，為更直觀地觀測塔機(jī)受臺(tái)風(fēng)作用的影響，將傾角傳感器收集數(shù)據(jù)的頻率設(shè)置為1min/次。
值得注意的是，在施工場地內(nèi)安裝1個(gè)小型氣象站用來監(jiān)測施工場地內(nèi)風(fēng)向、風(fēng)速變化，綜上所述，該塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)共布設(shè)了7個(gè)傾角傳感器、1個(gè)小型氣象站和1個(gè)無線網(wǎng)關(guān)。
一個(gè)完整無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)包含用于采集數(shù)據(jù)的感知層、用于傳輸數(shù)據(jù)的傳輸層及用于數(shù)據(jù)處理和展示的應(yīng)用層，塔機(jī)系統(tǒng)同樣分為3層：
感知層由傾角、加速度等傳感器組成，用于收集塔機(jī)工作時(shí)的自身傾角、加速度等數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)層主要為GPRS網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸；應(yīng)用層由遠(yuǎn)程監(jiān)測云平臺(tái)構(gòu)成，用于顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
為實(shí)現(xiàn)對(duì)塔機(jī)智能化管理，在上述硬件基礎(chǔ)上，通過設(shè)置的用戶名和密碼登錄系統(tǒng)，檢查傳感器工作狀態(tài)，
同時(shí)該云平臺(tái)具有存儲(chǔ)、下載等功能，不僅可保證數(shù)據(jù)安全性，而且可更加方便地對(duì)塔機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。
臺(tái)風(fēng)作用下塔機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析
3.1氣象站數(shù)據(jù)分析(1)風(fēng)向
根據(jù)氣象站監(jiān)測得到的風(fēng)向數(shù)據(jù)，將其按16個(gè)羅盤方位進(jìn)行分類，并繪制風(fēng)玫瑰圖，反映了臺(tái)風(fēng)“煙花”持續(xù)時(shí)間內(nèi)風(fēng)速及主要風(fēng)向。
該場地在臺(tái)風(fēng)作用期間主要受來自北面的強(qiáng)風(fēng)影響，該結(jié)果與臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)的風(fēng)場圖一致，因此，研究該場地塔機(jī)在臺(tái)風(fēng)作用下偏移情況具有重要參考意義。
(2)風(fēng)速
根據(jù)氣象站監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)，篩選出臺(tái)風(fēng)“煙花”持續(xù)時(shí)間內(nèi)風(fēng)速，并計(jì)算得到10m高度下3s陣風(fēng)風(fēng)速及10min平均風(fēng)速，結(jié)果如圖10所示，臺(tái)風(fēng)“煙花”自7月14:00風(fēng)速不斷增大;7月7:2010min平均風(fēng)速達(dá)最大值(28.56m/s)，7:403s陣風(fēng)風(fēng)速達(dá)最大值(40.86m/s)。
值得注意的是同一天臺(tái)風(fēng)22:003s陣風(fēng)風(fēng)速為4.59m/s，同一天風(fēng)速相差達(dá)36.27m/s，根據(jù)相關(guān)報(bào)道顯示，“煙花”風(fēng)眼直徑達(dá)100km，而施工現(xiàn)場距其路徑距離僅35km左右，因此，同一天內(nèi)風(fēng)速差距明顯。
3.2塔機(jī)偏移量分析傾角數(shù)據(jù)處理
原儀器擺放為x，y，z軸形成的空間直角坐標(biāo)系，x′，y′，z′為因塔身偏移而產(chǎn)生的新空間直角坐標(biāo)系。
通過式（1）將傾角傳感器監(jiān)測得到的傾角轉(zhuǎn)換為各節(jié)段偏移量及端點(diǎn)坐標(biāo)(x′，y′，z′):
式中:h為各節(jié)段高度；α為x′軸與水平地面夾角；β為y′軸與水平地面夾角；θ為z′軸與水平地面夾角。
3.3動(dòng)力響應(yīng)分析通過對(duì)傾角數(shù)據(jù)的處理，可得到各節(jié)段偏移量，對(duì)比相同時(shí)段內(nèi)風(fēng)速變化，可看出各節(jié)段位移情況與風(fēng)速變化趨勢基本一致，為直觀反映塔機(jī)各節(jié)段具體偏移情況，沿塔機(jī)高度繪制各節(jié)段偏移量，
塔機(jī)在臺(tái)風(fēng)作用下，塔身各測點(diǎn)偏移量隨著高度升高而增大，在工作過程中塔身部分最大位移達(dá)648.73mm，16161612號(hào)節(jié)段對(duì)塔機(jī)工作時(shí)位移響應(yīng)相比其他各段較小，這表明隨著塔身高度的不斷增高，風(fēng)速也隨之增大，對(duì)塔身的作用力也隨之增大。
與塔身不同的是，塔尖未有明顯偏移，在實(shí)際工程中，強(qiáng)風(fēng)來臨前風(fēng)速等級(jí)一般會(huì)逐漸升高，風(fēng)速等級(jí)較低時(shí)，塔機(jī)即已停止工作，塔機(jī)上部總成受風(fēng)荷載作用開始回轉(zhuǎn)。
但在回轉(zhuǎn)過程中風(fēng)速等級(jí)降低，在回轉(zhuǎn)過程中承受的荷載有可能會(huì)比穩(wěn)定后更小，其次，塔機(jī)上部結(jié)構(gòu)會(huì)隨風(fēng)荷載回轉(zhuǎn)至起重臂與風(fēng)向幾乎平行的方向，此時(shí)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)受力面積最小。
此外，值得注意的是，塔機(jī)9:00偏移量最大，而其對(duì)應(yīng)的3s陣風(fēng)風(fēng)速為37.55m/s，并非最大3s陣風(fēng)風(fēng)速，其次，最大3s陣風(fēng)風(fēng)速時(shí)刻下對(duì)應(yīng)的塔機(jī)最大偏移量為200.44mm，遠(yuǎn)小于塔機(jī)最大偏移量648.73mm，不同于有限元軟件模擬風(fēng)荷載下塔機(jī)偏移量時(shí)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。
實(shí)際工程中，塔機(jī)偏移量存在滯后現(xiàn)象，即風(fēng)速最大時(shí)刻與塔機(jī)偏移量最大時(shí)刻不一致，分析其存在此現(xiàn)象的主要原因是塔機(jī)在臺(tái)風(fēng)作用下存在風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，當(dāng)塔機(jī)上部結(jié)構(gòu)與風(fēng)荷載方向存在一定角度時(shí)，塔機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)會(huì)繞著塔機(jī)某一軸線旋轉(zhuǎn)，當(dāng)其回轉(zhuǎn)至與風(fēng)荷載方向平行時(shí)，位移可能最大，綜上所述，根據(jù)實(shí)測結(jié)果顯示，在實(shí)際工程中，塔機(jī)會(huì)發(fā)生風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，導(dǎo)致其最大位移與最大風(fēng)速時(shí)刻不同。
研究結(jié)果
通過氣象站及傾角傳感器測得“煙花”臺(tái)風(fēng)過境時(shí)某施工現(xiàn)場風(fēng)向、風(fēng)速及塔機(jī)偏移量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行塔機(jī)動(dòng)力響應(yīng)分析，結(jié)論如下。
（1）隨著塔身高度不斷增高，偏移量隨之增大，
（2）臺(tái)風(fēng)作用下非工作狀態(tài)塔式起重機(jī)上部會(huì)發(fā)生回轉(zhuǎn)，不同于塔身偏移量變化規(guī)律，塔尖偏移量會(huì)因上部回轉(zhuǎn)而不同，需具體分析。
不同于有限元軟件實(shí)時(shí)響應(yīng)，實(shí)際工程中塔機(jī)存在風(fēng)標(biāo)效應(yīng)導(dǎo)致其最大位移與最大風(fēng)速時(shí)刻不對(duì)應(yīng)，存在滯后現(xiàn)象。
結(jié)論
通過對(duì)非工作狀態(tài)下塔式起重機(jī)動(dòng)力響應(yīng)的研究，可以更好地理解臺(tái)風(fēng)對(duì)起重機(jī)的影響，并制定相應(yīng)的控制策略和安全防護(hù)措施，以確保塔式起重機(jī)在臺(tái)風(fēng)天氣中的安全運(yùn)行，這一研究對(duì)于提高塔式起重機(jī)的抗風(fēng)能力，減少意外事故的發(fā)生具有重要意義。