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摘要：塔式起重机设计时，为保证其正常工作，结构应具有足够的强度、刚性和稳定性。因塔机钢结构自重较大，约占整机自重的70%左右，为使结构自重最轻、节约钢材，这就要求强度、刚性和稳定性有各自合理的控制值。众所周知，强度及稳定性的控制值由材料决定，而刚性的控制值则主要凭经验制定，各国设计规范对起重机的刚性亦没有统一的规定。但在实际结构的设计中，结构的静刚性常常成为控制设计的主要因素，因此，静刚性控制值直接影响整机钢结构的重量，影响整机的设计。
关键词： 建筑机械；塔式起重机；结构静刚性；自重荷载；惯性荷载；风荷载；整体稳定性；空间刚度
1引言
塔式起重机(以下简称塔机)是各种工程建设，特别是现代化工业与民用建筑中主要的施工机械。金属结构是塔机的重要组成部分，通常，其重量占整机重量的一半以上，耗钢量大。作为整机的骨架，起重机的各种工作机构及零部件安装或支承在金属结构上，金属结构承受起重机的自重以及工作时的各种外载荷。因此，合理设计塔式起重机的金属结构，对减轻整机自重，提高性能，扩大功用和节省钢材都有重要意义。
2塔式起重机结构型式
2.1塔身结构
塔式起重机种类繁多，塔身结构亦有多种型式。按照塔身和臂架之间的相互关系，塔机可分为上回转式和下回转式两大类。所谓上回转式塔式起重机，就是将回转部分装设在塔机的上部，塔身固定不动，这种塔身主要承受轴向力和弯矩。由于上部旋转，塔身不转，所以塔身的受力情况随臂架的不同方位而变化，塔身杆件应按最不利载荷工况计算。
2.2臂架结构
塔式起重机的臂架，按受力特点，可分为受压臂架和受弯臂架两类。受压臂架:也称压杆式臂架，它是利用固定在臂架头部的变幅钢绳来实现臂架的俯仰变幅，臂架在起升载荷和起升绳、变幅绳拉力作用下，主要受轴向压力(臂架自重和风载荷产生的弯矩很小)。影响这种臂架承载能力的主要因素是其整体稳定性。受弯臂架:借助沿臂架弦杆运行的小车来实现变幅的水平式臂架和动臂变幅的杠杆式臂架都属这一类臂架。它主要承受横向弯曲，显然，臂架的强度和刚性在设计中起主要控制作用。这种臂架在自升附着式和下回转自装式搭式起重机中应用较多。
3塔式起重机的计算载荷
3．1自重载荷
自重包括结构自身重量和支承在结构上的机电设备的重量。按传统力学方法计算结构的受力时，塔身、臂架、平衡臂等均布质量的重力按节点载荷作用于格构式构件的节点上，或按均布力作用于实腹式构件上;机电设备的重量按集中力分配到结构相应的节点上。单独计算塔身时，臂架、平衡臂的重量和它们的外载荷，转化为支承力作用于塔身连接处。考虑到冲击因素对重力产生的附加动力作用，计算时，应将自重载荷乘以相应的冲击系数。
3．2起升载荷
起升载荷是塔式起重机的工作载荷，包括起重量和吊具与钢绳的重量，简称为吊重。对于动臂变幅的塔式起重机，吊重及其起升钢绳的拉力通过臂架头部的固定滑轮作用于臂端，是一个固定的集中载荷。对于小车变幅式塔式起重机，吊重和小车自重是对水平臂架横向作用的移动载荷，通常，用小车轮压表示。由于塔式起重机的起重力矩是一个定值，所以在不同工作幅度下的起升载荷是不相同的。计算起升载荷时，需要考虑起升机构启动、制动时对结构产生的动力作用，通常，用起升载荷乘以相应的动力系数来计算。
3．3惯性载荷
塔式起重机吊装作业，通常是在几个工作机构协同动作下完成，除起升机构起、制动时对结构产生垂直方向的动力作用，按相应的冲击系数和动力系数计算外，还需要计算运行、回转、变幅机构在非稳定运动状态时，对结构产生的水平惯性载荷。
3．4风荷载
塔式起重机属高耸结构，在计算风载荷时，还要考虑风振的影响。为了保证设计计算的可靠性与合理性，塔式起重机金属结构的计算载荷，必须选用最不利工况时的载荷组合。
4控制塔式起重机结构静刚性的必要性
根据 GB3811-83《起重机设计规范》和GB理13752-1992《塔式起重机设计规范》，塔式起重机的静态刚性以在规定的载荷作用于指定位置时产生弹性变形的结构在某一位置处的静位移值来表征。具体描述为"塔式起重机在额定起升载荷作用下，塔身在臂架连接处(或在臂架转柱连接处)的水平静位移△L应不大于曰100。其中H，对自行式塔式起重机为塔身在臂架连接处至轨面的垂直距离，对附着式塔式起重机为塔身在臂架连接处至最高一个附着点的垂直距离。"
根据上述定义，塔式起重机静刚性实际是指塔身的静刚性，即额定起重量作用在相应幅度时，塔身在臂架连接处引起的最大水平静位移与塔身高度之比，此值在目前的塔机设计中是主要的控制指标之一。
塔式起重机的金属结构主要由臂架和塔身构成，塔身是塔式起重机的基础，其承受臂架和各种机构的重量以及起升载荷，其水平变位直接影响起重机的工作性能，因此，塔身结构应具有较大的刚性。在我国编制《起重机设计规范》前，行业专家对塔式起重机塔身结构静刚性课题进行了的研究，首次提出了塔机塔身结构静变位的控制值。
在修订《起重机设计规范》时，有人提出塔机结构静刚性控制的必要性问题，理由是随着高强度钢材的普遍使用，结构的强度及稳定性已不难满足，刚性问题则日益突出，而塔机产品鉴定验收时对静刚性的限制，制约了塔机向轻量化发展，不利于节约钢材、减轻自重、提高经济效益的宗旨。通过调研分析，认为塔机塔身结构静刚性仍有控制的必要。
5塔式起重机结构静刚性的合理控制值
修订后的塔机静刚性控制值不仅要满足当前产品的需要，还应适应今后的发展，重载、高速、大起升高度是塔机发展的趋势。静刚性控制值过高将不利于行业技术的发展，不利于节省材料、减轻自重、降低产品成本，该值过低又无法保证塔机产品的质量。针对我国的实际情况，适当放宽现行《起重机设计规范》中塔机静刚性控制值是必然趋势。因此，建议:
(1)若按方法二检测水平位移，则静刚性控制值取为规范中规定的H/100，即△2≤100;
(2)若按方法一检测水平位移，则静刚性控制值应适当放宽。
根据塔机空载时，相对塔身理论轴心线，塔身顶部有后倾位移△1，其与吊载后前倾位移△2之比通常取:
(1.33～1.67) （2）
6结语
如果认为控制静刚性就意味着结构有可能笨重和不经济，这种担心是片面的。因为如果对静刚性控制没有把握，往往使结构设计得较为保守。因此，适当控制塔身变位是必要的。当然，过分严格限定塔身结构的变位，在使用上既不必要也是不合理的。过分严格的变位指标将导致塔身断面尺寸增大，给起重机的安装、拆卸和运输都带来不利影响甚至会有碍使用。例如无法将起重机安装在建筑物的电梯井道中进行施工作业。因此，问题的关键在于所确定的塔机静刚性控制值是否合理。
参考文献：
[1] 孙伟，刘郁馨. 塔机塔身非线性变形表达式及分析[J].建筑机械化，1989，9:13-17
[2] 刘郁馨，孙伟. 考虑水平力作用的塔机塔身非线性变形表达式[J]. 建筑机械化，1989，12:8-13
[3] 张立强，陆念力，李以申. 复杂荷载作用下塔机塔身非线性变形的理论精解及实用算式[J]. 建筑机械，1995，9:10-12
[4] 于兰峰，王金诺，王晓平等. 塔式起重机静刚度控制值及计算方法研究[J]. 建筑机械，2005，6:75-77
作者简介：张晓春（1981～），男，汉族，宁夏银川人，2007年毕业于中共中央党校函授学院经济管理专业，现主要从事建筑机械安全检测方面的工作。
关键词： 建筑机械；塔式起重机；结构静刚性；自重荷载；惯性荷载；风荷载；整体稳定性；空间刚度
1引言
塔式起重机(以下简称塔机)是各种工程建设，特别是现代化工业与民用建筑中主要的施工机械。金属结构是塔机的重要组成部分，通常，其重量占整机重量的一半以上，耗钢量大。作为整机的骨架，起重机的各种工作机构及零部件安装或支承在金属结构上，金属结构承受起重机的自重以及工作时的各种外载荷。因此，合理设计塔式起重机的金属结构，对减轻整机自重，提高性能，扩大功用和节省钢材都有重要意义。
2塔式起重机结构型式
2.1塔身结构
塔式起重机种类繁多，塔身结构亦有多种型式。按照塔身和臂架之间的相互关系，塔机可分为上回转式和下回转式两大类。所谓上回转式塔式起重机，就是将回转部分装设在塔机的上部，塔身固定不动，这种塔身主要承受轴向力和弯矩。由于上部旋转，塔身不转，所以塔身的受力情况随臂架的不同方位而变化，塔身杆件应按最不利载荷工况计算。
2.2臂架结构
塔式起重机的臂架，按受力特点，可分为受压臂架和受弯臂架两类。受压臂架:也称压杆式臂架，它是利用固定在臂架头部的变幅钢绳来实现臂架的俯仰变幅，臂架在起升载荷和起升绳、变幅绳拉力作用下，主要受轴向压力(臂架自重和风载荷产生的弯矩很小)。影响这种臂架承载能力的主要因素是其整体稳定性。受弯臂架:借助沿臂架弦杆运行的小车来实现变幅的水平式臂架和动臂变幅的杠杆式臂架都属这一类臂架。它主要承受横向弯曲，显然，臂架的强度和刚性在设计中起主要控制作用。这种臂架在自升附着式和下回转自装式搭式起重机中应用较多。
3塔式起重机的计算载荷
3．1自重载荷
自重包括结构自身重量和支承在结构上的机电设备的重量。按传统力学方法计算结构的受力时，塔身、臂架、平衡臂等均布质量的重力按节点载荷作用于格构式构件的节点上，或按均布力作用于实腹式构件上;机电设备的重量按集中力分配到结构相应的节点上。单独计算塔身时，臂架、平衡臂的重量和它们的外载荷，转化为支承力作用于塔身连接处。考虑到冲击因素对重力产生的附加动力作用，计算时，应将自重载荷乘以相应的冲击系数。
3．2起升载荷
起升载荷是塔式起重机的工作载荷，包括起重量和吊具与钢绳的重量，简称为吊重。对于动臂变幅的塔式起重机，吊重及其起升钢绳的拉力通过臂架头部的固定滑轮作用于臂端，是一个固定的集中载荷。对于小车变幅式塔式起重机，吊重和小车自重是对水平臂架横向作用的移动载荷，通常，用小车轮压表示。由于塔式起重机的起重力矩是一个定值，所以在不同工作幅度下的起升载荷是不相同的。计算起升载荷时，需要考虑起升机构启动、制动时对结构产生的动力作用，通常，用起升载荷乘以相应的动力系数来计算。
3．3惯性载荷
塔式起重机吊装作业，通常是在几个工作机构协同动作下完成，除起升机构起、制动时对结构产生垂直方向的动力作用，按相应的冲击系数和动力系数计算外，还需要计算运行、回转、变幅机构在非稳定运动状态时，对结构产生的水平惯性载荷。
3．4风荷载
塔式起重机属高耸结构，在计算风载荷时，还要考虑风振的影响。为了保证设计计算的可靠性与合理性，塔式起重机金属结构的计算载荷，必须选用最不利工况时的载荷组合。
4控制塔式起重机结构静刚性的必要性
根据 GB3811-83《起重机设计规范》和GB理13752-1992《塔式起重机设计规范》，塔式起重机的静态刚性以在规定的载荷作用于指定位置时产生弹性变形的结构在某一位置处的静位移值来表征。具体描述为"塔式起重机在额定起升载荷作用下，塔身在臂架连接处(或在臂架转柱连接处)的水平静位移△L应不大于曰100。其中H，对自行式塔式起重机为塔身在臂架连接处至轨面的垂直距离，对附着式塔式起重机为塔身在臂架连接处至最高一个附着点的垂直距离。"
根据上述定义，塔式起重机静刚性实际是指塔身的静刚性，即额定起重量作用在相应幅度时，塔身在臂架连接处引起的最大水平静位移与塔身高度之比，此值在目前的塔机设计中是主要的控制指标之一。
塔式起重机的金属结构主要由臂架和塔身构成，塔身是塔式起重机的基础，其承受臂架和各种机构的重量以及起升载荷，其水平变位直接影响起重机的工作性能，因此，塔身结构应具有较大的刚性。在我国编制《起重机设计规范》前，行业专家对塔式起重机塔身结构静刚性课题进行了的研究，首次提出了塔机塔身结构静变位的控制值。
在修订《起重机设计规范》时，有人提出塔机结构静刚性控制的必要性问题，理由是随着高强度钢材的普遍使用，结构的强度及稳定性已不难满足，刚性问题则日益突出，而塔机产品鉴定验收时对静刚性的限制，制约了塔机向轻量化发展，不利于节约钢材、减轻自重、提高经济效益的宗旨。通过调研分析，认为塔机塔身结构静刚性仍有控制的必要。
5塔式起重机结构静刚性的合理控制值
修订后的塔机静刚性控制值不仅要满足当前产品的需要，还应适应今后的发展，重载、高速、大起升高度是塔机发展的趋势。静刚性控制值过高将不利于行业技术的发展，不利于节省材料、减轻自重、降低产品成本，该值过低又无法保证塔机产品的质量。针对我国的实际情况，适当放宽现行《起重机设计规范》中塔机静刚性控制值是必然趋势。因此，建议:
(1)若按方法二检测水平位移，则静刚性控制值取为规范中规定的H/100，即△2≤100;
(2)若按方法一检测水平位移，则静刚性控制值应适当放宽。
根据塔机空载时，相对塔身理论轴心线，塔身顶部有后倾位移△1，其与吊载后前倾位移△2之比通常取:
(1.33～1.67) （2）
6结语
如果认为控制静刚性就意味着结构有可能笨重和不经济，这种担心是片面的。因为如果对静刚性控制没有把握，往往使结构设计得较为保守。因此，适当控制塔身变位是必要的。当然，过分严格限定塔身结构的变位，在使用上既不必要也是不合理的。过分严格的变位指标将导致塔身断面尺寸增大，给起重机的安装、拆卸和运输都带来不利影响甚至会有碍使用。例如无法将起重机安装在建筑物的电梯井道中进行施工作业。因此，问题的关键在于所确定的塔机静刚性控制值是否合理。
参考文献：
[1] 孙伟，刘郁馨. 塔机塔身非线性变形表达式及分析[J].建筑机械化，1989，9:13-17
[2] 刘郁馨，孙伟. 考虑水平力作用的塔机塔身非线性变形表达式[J]. 建筑机械化，1989，12:8-13
[3] 张立强，陆念力，李以申. 复杂荷载作用下塔机塔身非线性变形的理论精解及实用算式[J]. 建筑机械，1995，9:10-12
[4] 于兰峰，王金诺，王晓平等. 塔式起重机静刚度控制值及计算方法研究[J]. 建筑机械，2005，6:75-77
作者简介：张晓春（1981～），男，汉族，宁夏银川人，2007年毕业于中共中央党校函授学院经济管理专业，现主要从事建筑机械安全检测方面的工作。