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摘 要：塔吊是现代工业与民用建筑的主要施工机械之一，是建筑工地上最常用的一种起重设备 ，用来吊施工用的钢筋、木楞、混凝土、钢管等施工的原材料。塔吊是工地上一种必不可少的设备。特别是在高层建筑施工中，塔吊起升高度和工作幅度的性能优势，使其被广泛应用。
关键詞：塔吊；设计；有限元
塔式起重机，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。金属结构包括塔身、动臂和底座等。工作机构有起升、变幅、回转和行走四部分。电气系统包括电动机、控制器、配电柜、连接线路、信号及照明装置等。
塔式起重机的动臂形式分水平式和压杆式两种。动臂为水平式时，载重小车沿水平动臂运行变幅，变幅运动平塔式起重机衡，其动臂较长，但动臂自重较大。动臂为压杆式时，变幅机构曳引动臂仰俯变幅，变幅运动不如水平式平稳，但其自重较小。
塔式起重机的起重量随幅度而变化。起重量与幅度的乘积称为载荷力矩，是这种起重机的主要技术参数。通过回转机构和回转支承，塔式起重机的起升高度大，回转和行走的惯性质量大，故需要有良好的调速性能，特别起升机构要求能轻载快速、重载慢速、安装就位微动。一般除采用电阻调速外，还常采用涡流制动器、调频、变极、可控硅和机电联合等方式调速。
塔吊设计流程
根据功能、性能、作业环境等因素，与客户共同制定详细的用户需求说明书。根据需求分析，进行方案制定，包括功能及参数设定、基础计算，绘制初步三维总等工作。实施方案设计，修改细化三维模型总图，绘制零件三维图，对结构部件进行有限元分析及动态模拟。最终方案确定及图纸绘制（如零件图、部件装配图和总装配图，涂装图等），出零件表、易损件清单。制作全部技术文件，包括宣传及技术样本、产品使用说明书。
金属结构是塔式起重机的重要组成部分，一般情况下，金属结构自重占塔机整机总重量的一半以上，塔机金属结构的合理设计，对塔机减轻自重、提高塔机性能有非常重要的意义。塔身结构按构造可分为格构式和实腹式两种；按受力特点分为以承受轴向力为主的旋转塔身和受压弯扭转作用的不旋转塔身。
无论设计哪种型式的塔身，都必须计算其强度、刚度和稳定性等。目前应用较多的是格构式，其计算可以采用有限元分析方法进行设计分析。
塔身设计思路
首先对塔身结构进行分析，塔身的结构设计与塔机的类型和所采用的顶升方式有关，同时还要考虑塔身结构中是否有基础节、加重节、加强节或过渡节。其次是塔身的受力分析，塔身受力分工作和非工作两种状态。塔身上的载荷有：塔身自重，上部臂架和平衡臂上的各种载荷对塔身产生的作用力；塔机运行、回转机构起制动时，由塔身质量产生的水平惯性载荷及作用于塔身上的风载荷等。塔身结构设计时，以上各种载荷要按最不利的载荷位置和载荷组合进行计算，作为塔身计算的基本依据。一般取最不利工况进行计算工作状态变幅小车在最大幅度时，非工作状态主要是计算最大允许风压产生的风载荷作用。
利用先进的有限元分析软件设计计算是通过系统的人机界面对话，对目标塔机的塔身进行必要参数的输入，对于不同型式的塔身，将要进入设计的人机界面也是不同的，设计最后生成一个以固定格式和名称存在的数据文件。基于有限元法的塔机设计计算系统，塔身设计模块的设计计算过程如下。
1）通过主界面进入各个子系统，塔身设计是在进入主界面，并建立或打开了一个工程后开始设计的，要先进入总体结构设计模块，对塔机的总体参数进行设计，完成塔机主要总体参数的输入、选择塔机型式、选择塔身型式等。
2 ）首先要对这种结构塔身的设计初参数进行输入。选择好塔身的结构型式后，塔身以后的设计过程便确定下来，不同的结构型式，塔身设计初参数有不同的参数输入。
3）塔身的结构参数设计，塔身结构型式多种多样，多种结构部分参数的输入，在系统中是通过几个界面完成的，塔身结构设计涉及到的设计界面主要有：塔身标准节设计、塔身基础节设计（加强节、重节）、附着框架设计、附着尺寸设计、塔身过渡节设计、塔身内塔节设计等。
4）塔身结构杆件参数设计完成之后，进入塔身设计的受力分析阶段 ，界面参数是由塔机的塔顶负荷计算模块传递的，如果特殊情况下需要改变其中的一个或几个参数，可以点击图中的“参数修改”按钮。当点击“生成载荷文本”按钮后，系统会自动生成一个以固定格式和固定名称以及固定路径的数据文件，主要是为分析软件所建立的塔身模型提供加载荷条件的，给出塔身的不同工况下不同的载荷，为塔身的强度、刚度、稳定性的校核提供原始数据。
5）塔身结构的初参数设计完成后，浏览设计过程参数，生成参数设计过程说明书，用于纯数据文本的导出和下一次设计相同数据导入的数据文件，为软件分析服务的固定格式、名称、路径的数据流文件等3 个系统文件。
6）系统自动调用分析软件使其进入后台执行，完成塔身的有限元分析，自动退出分析软件并给出结束信息提示有限元分析完成，即可进入下一步的操作，对有限元分析后的应力结果和数据，可为塔机的其它部分设计提供必要的塔身参数。在返回应力结果和数据结果同时，还有塔身设计分析的具体有限元单元的分布图，使设计结果更加直观。
7）设计系统的有限元分析结果讨论，并可通过结果数据的查询来判断塔身所有杆件的强度、刚度、稳定性等是否满足要求条件，再根据不同的需要进行修改优化，这是一个反复的过程，最后得到塔身设计的理想结果。
有限元分析法与传统分析计算方法具有较明显的优势，表现出诸多优点。节省了设计研究人员繁琐的计算及校核，而且使设计的计算结果更加精确，设计过程中的修改变得更加简单，不会由于人为的马虎而造成整个设计的错误。设计分析结果更加精确，有限元分析软件能够自动对塔身进行建模、加载荷、求解，并且通过与AutoCAD 连接，即可得到塔身设计的完整结构图形，参数化设计软件可在设计参数不同的同类产品时，根据用户需要，修改少量的基本参数，快速设计出新产品，缩短产品的设计周期，实现市场的快速反应。
参考文献：
[1] 王全逵，安荣勋，刘建军，丛坤，王芳. 塔吊基础固定支脚调节系统施工技术[J]. 建筑施工. 2016（01）
[2] 周丹婷，朱佳伟. 塔吊损伤检测方法研究综述[J]. 门窗. 2015（10）
[3] 于猛，包琳，王成智. 基于虚拟现实技术的塔吊构建研究[J]. 科技风. 2015（04）
关键詞：塔吊；设计；有限元
塔式起重机，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。金属结构包括塔身、动臂和底座等。工作机构有起升、变幅、回转和行走四部分。电气系统包括电动机、控制器、配电柜、连接线路、信号及照明装置等。
塔式起重机的动臂形式分水平式和压杆式两种。动臂为水平式时，载重小车沿水平动臂运行变幅，变幅运动平塔式起重机衡，其动臂较长，但动臂自重较大。动臂为压杆式时，变幅机构曳引动臂仰俯变幅，变幅运动不如水平式平稳，但其自重较小。
塔式起重机的起重量随幅度而变化。起重量与幅度的乘积称为载荷力矩，是这种起重机的主要技术参数。通过回转机构和回转支承，塔式起重机的起升高度大，回转和行走的惯性质量大，故需要有良好的调速性能，特别起升机构要求能轻载快速、重载慢速、安装就位微动。一般除采用电阻调速外，还常采用涡流制动器、调频、变极、可控硅和机电联合等方式调速。
塔吊设计流程
根据功能、性能、作业环境等因素，与客户共同制定详细的用户需求说明书。根据需求分析，进行方案制定，包括功能及参数设定、基础计算，绘制初步三维总等工作。实施方案设计，修改细化三维模型总图，绘制零件三维图，对结构部件进行有限元分析及动态模拟。最终方案确定及图纸绘制（如零件图、部件装配图和总装配图，涂装图等），出零件表、易损件清单。制作全部技术文件，包括宣传及技术样本、产品使用说明书。
金属结构是塔式起重机的重要组成部分，一般情况下，金属结构自重占塔机整机总重量的一半以上，塔机金属结构的合理设计，对塔机减轻自重、提高塔机性能有非常重要的意义。塔身结构按构造可分为格构式和实腹式两种；按受力特点分为以承受轴向力为主的旋转塔身和受压弯扭转作用的不旋转塔身。
无论设计哪种型式的塔身，都必须计算其强度、刚度和稳定性等。目前应用较多的是格构式，其计算可以采用有限元分析方法进行设计分析。
塔身设计思路
首先对塔身结构进行分析，塔身的结构设计与塔机的类型和所采用的顶升方式有关，同时还要考虑塔身结构中是否有基础节、加重节、加强节或过渡节。其次是塔身的受力分析，塔身受力分工作和非工作两种状态。塔身上的载荷有：塔身自重，上部臂架和平衡臂上的各种载荷对塔身产生的作用力；塔机运行、回转机构起制动时，由塔身质量产生的水平惯性载荷及作用于塔身上的风载荷等。塔身结构设计时，以上各种载荷要按最不利的载荷位置和载荷组合进行计算，作为塔身计算的基本依据。一般取最不利工况进行计算工作状态变幅小车在最大幅度时，非工作状态主要是计算最大允许风压产生的风载荷作用。
利用先进的有限元分析软件设计计算是通过系统的人机界面对话，对目标塔机的塔身进行必要参数的输入，对于不同型式的塔身，将要进入设计的人机界面也是不同的，设计最后生成一个以固定格式和名称存在的数据文件。基于有限元法的塔机设计计算系统，塔身设计模块的设计计算过程如下。
1）通过主界面进入各个子系统，塔身设计是在进入主界面，并建立或打开了一个工程后开始设计的，要先进入总体结构设计模块，对塔机的总体参数进行设计，完成塔机主要总体参数的输入、选择塔机型式、选择塔身型式等。
2 ）首先要对这种结构塔身的设计初参数进行输入。选择好塔身的结构型式后，塔身以后的设计过程便确定下来，不同的结构型式，塔身设计初参数有不同的参数输入。
3）塔身的结构参数设计，塔身结构型式多种多样，多种结构部分参数的输入，在系统中是通过几个界面完成的，塔身结构设计涉及到的设计界面主要有：塔身标准节设计、塔身基础节设计（加强节、重节）、附着框架设计、附着尺寸设计、塔身过渡节设计、塔身内塔节设计等。
4）塔身结构杆件参数设计完成之后，进入塔身设计的受力分析阶段 ，界面参数是由塔机的塔顶负荷计算模块传递的，如果特殊情况下需要改变其中的一个或几个参数，可以点击图中的“参数修改”按钮。当点击“生成载荷文本”按钮后，系统会自动生成一个以固定格式和固定名称以及固定路径的数据文件，主要是为分析软件所建立的塔身模型提供加载荷条件的，给出塔身的不同工况下不同的载荷，为塔身的强度、刚度、稳定性的校核提供原始数据。
5）塔身结构的初参数设计完成后，浏览设计过程参数，生成参数设计过程说明书，用于纯数据文本的导出和下一次设计相同数据导入的数据文件，为软件分析服务的固定格式、名称、路径的数据流文件等3 个系统文件。
6）系统自动调用分析软件使其进入后台执行，完成塔身的有限元分析，自动退出分析软件并给出结束信息提示有限元分析完成，即可进入下一步的操作，对有限元分析后的应力结果和数据，可为塔机的其它部分设计提供必要的塔身参数。在返回应力结果和数据结果同时，还有塔身设计分析的具体有限元单元的分布图，使设计结果更加直观。
7）设计系统的有限元分析结果讨论，并可通过结果数据的查询来判断塔身所有杆件的强度、刚度、稳定性等是否满足要求条件，再根据不同的需要进行修改优化，这是一个反复的过程，最后得到塔身设计的理想结果。
有限元分析法与传统分析计算方法具有较明显的优势，表现出诸多优点。节省了设计研究人员繁琐的计算及校核，而且使设计的计算结果更加精确，设计过程中的修改变得更加简单，不会由于人为的马虎而造成整个设计的错误。设计分析结果更加精确，有限元分析软件能够自动对塔身进行建模、加载荷、求解，并且通过与AutoCAD 连接，即可得到塔身设计的完整结构图形，参数化设计软件可在设计参数不同的同类产品时，根据用户需要，修改少量的基本参数，快速设计出新产品，缩短产品的设计周期，实现市场的快速反应。
参考文献：
[1] 王全逵，安荣勋，刘建军，丛坤，王芳. 塔吊基础固定支脚调节系统施工技术[J]. 建筑施工. 2016（01）
[2] 周丹婷，朱佳伟. 塔吊损伤检测方法研究综述[J]. 门窗. 2015（10）
[3] 于猛，包琳，王成智. 基于虚拟现实技术的塔吊构建研究[J]. 科技风. 2015（04）