孙凌夫,宋桂珍,侯园平

(1.太原理工大学 机械工程学院,太原 030024;2.太原市节排塔机移动基础制造厂,太原 030032)

基于ANSYS的新型塔吊安装基础的力学性能分析

孙凌夫1,宋桂珍1,侯园平2

(1.太原理工大学 机械工程学院,太原 030024;2.太原市节排塔机移动基础制造厂,太原 030032)

为解决传统固定式塔吊基础成本高、施工时间长、清除困难的难题,自行设计了组装式可重复利用的QTZ63型塔吊基础。以此为研究对象,应用ANSYS软件分析其力学性能,并对分析计算的前处理过程进行了较深入的研究,优化划分了非六面体结构的有限元网格,合理定义了塔吊基础力学模型的“接触”类型,从而得到较精确的求解结果。研究表明，钢梁最大拉应力为55.2MPa,远小于最大抗拉强度375～500 MPa;混凝土最大压应力为3.6 MPa,远小于C30混凝土的许用压应力30 MPa;螺栓最大拉应力为495 MPa,远小于螺栓抗拉强度1 220 MPa。经验证,组装式基础各组成部件都能满足强度要求，可为其他组装式塔吊基础的结构设计及力学分析提供参考。

组装式塔吊基础;力学性能;有限元分析;网格优化

在建筑业蓬勃发展的今天,塔吊的应用十分广泛。传统塔吊的安装要首先浇筑混凝土固定基础，在建筑工程竣工后,需要爆破才能清除塔吊固定基础,不仅造成资源浪费,而且影响道路及地下管路等工程施工，还会污染环境。在倡导节能环保的今天,这种浪费材料、污染环境的结构应该得到改进。“赵氏塔基”的出现部分地解决了固定式基础存在的这些问题[1]。“赵氏塔基”作为出现较早的组装式塔吊基础,结构主要由混凝土构成,还要辅以角钢与木条等进行固定[2-3],需要多人花费较长时间进行安装,清理也比较费时。随后,出现了钢梁和混凝土组装的结构,此类基础相比“赵氏塔基”有较大改进,它采用钢梁来减小混凝土的体积,也在一定程度上增加了“基础”的强度[4]。此类基础的底座部分采用大的三角形混凝土块或预埋铁箱来稳定基础,需要多人花费较长时间安装。以上两类是已投入使用的塔吊基础形式,在市面上还有很多种组装式塔吊基础的结构形式,这些组装式塔吊基础的安全性普遍缺少足够的理论验算支持,存在一定的安全隐患。

笔者设计了一种新型组装式塔吊基础结构,采用钢梁、混凝土块及安装零部件组装而成,体积更轻巧,组装更方便,安装过程中只需要3-4个人花费数个小时就能安装成功,大大地节省了安装时间。针对自行设计的组装式塔吊基础,运用ANSYS进行了力学性能的分析,考查其结构合理性和运行安全性,为结构优化、投产应用和可靠运行提供理论依据。

1 新型组装式塔吊基础

图1 组装式塔吊基础的结构模型

图1是为QTZ63型塔吊设计的一种组装式基础结构,下部由12块截面为倒T形的预制混凝土(3组×4)通过球面定位,用两组钢绞线联接,构成组装式塔吊基础的主体部分；上部与钢梁通过螺栓联接；倒T形的台阶上共放置12块配重混凝土,包括内侧4块,外侧两层共8块,增加结构的稳定性。在安装塔吊时,先在钢梁上放置4块垫板,然后将塔吊底部的4个角放在垫板上,用地脚螺栓将混凝土基础、钢梁、垫板和塔吊联接在一起。整个组装基础的总体尺寸为6 120 mm×6 120 mm×1 450 mm。该基础采用组装结构,方便拆装和运输,可重复利用,节能环保。

2 组装式塔吊基础的力学性能分析

2.1 基于ANSYS的静力分析

组装式塔吊基础结构对称,最不利工况发生在非工作状态、吊臂转至与钢梁平行时,因此,确定有限元分析模型如图2所示。配重作为面载荷,图中A为内侧配重作用区域,B为外侧配重作用区域。ANSYS静力分析主要包括前处理、施加载荷、求解控制与后处理等步骤。前处理的合理性直接决定了后处理的精度。网格划分是前处理的关键步骤,网格质量直接决定分析过程收敛与否,特别是在非线性问题的分析中[4]。ANSYS的网格主要有自由网格、映射网格和扫掠网格。为了能对研究对象有初步的了解和把握,首先快速划分为自由网格,计算很快陷入死循环,未能获得任何结果。对于这种组装式移动基础,非单一材料,结构上有方孔、圆孔和大倒角等特征,联接塔吊的较粗大螺栓还承受预紧力,在有限元分析前处理时必须优化划分网格。

图2 有限元力学分析模型

2.2 有限元网格优化

要获得高精度的求解结果，最好采用六面体扫掠网格[5-7],而且网格形状差异小,尺寸较小、较均匀。为此,首先利用“基础”结构模型上的动态基准面进行切分,模型的绝大部分分割成了规则的长方体,另有一些三棱柱、圆柱和球缺。长方体经直接扫掠划分可以得到形状一致、尺寸均匀的六面体网格。三棱柱(五面体)、圆柱和球缺虽然可以通过扫掠划分网格,但直接扫掠划分得到的网格大小不一,还有不规则五面体网格,如图3和图4所示。对此,笔者较深入地研究了ANSYS的网格划分功能,下面给出三棱柱和圆柱模型的网格优化方法。

图3 三棱柱的直接扫掠网格 图4 圆柱体的直接扫掠网格

2.2.1 三棱柱的网格优化划分方法

将三棱柱上下表面的几何中心和3个边的中点作为KEYPOINT,再通过KEYPOINT创建分割面,用分割面把实体分为如图5-a所示的3个六面体(不同于用动态基准面完全切穿模型),然后逐个扫掠划分六面体得到较高质量的网格,如图5-b。操作步骤如下。

1) 创建关键点:Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→Hard PT on line→Hard PT by ratio,选中上表面的某边,输入0.5,即在该边中点创建了一个关键点。同样,在其余两边及下表面的各边中点均创建关键点。再依次点击Preprocessor→Modeling→Create→lines→Straight line,连接上表面某顶点与对边中点,选择该连线,设定比值,创建一个关键点,同样在下表面上也创建一个关键点。从而可以得到8个关键点。

2) 创建分割面:Preprocessor→Create→Areas→arbitrary through KPs, 每选择4个关键点可以创建一个分割面。利用上一步的关键点共创建3个分割面。

3) 切分棱柱:再点击Preprocessor→Modeling→Operate→Booleans→Divide→Volume by Area,选择上一步创建的3个分割面将三棱柱切分为3个六面体。

4) 划分网格:Meshing→Meshtool→Hex(sweep),逐一扫掠六面体得到高质量网格。

图5 三棱柱的网格优化划分

2.2.2 圆柱体的网格优化划分方法

对于圆柱体模型,首先定义如图6-a所示的上、下表面各8个关键点,创建8个分割面,把圆柱体分割成5个六面体,然后逐个扫掠划分得到较高质量的网格,如图6-b。

图6 圆柱体的网格优化划分

这个方法的重点是关键点位置的选取,它关系到网格的均匀性。总体原则是:尽量使切分出的六面体的对边尺寸相等或相差较小。保证了这一点,通常都可以得到质量较高的网格。

2.3 定义接触

由于底座材料是混凝土,钢梁为45号钢,不同材料之间传力必须定义接触。ANSYS软件中提供的接触类型较多,分别适用于不同的情况。本文在受压侧的钢梁与混凝土接触面和受拉侧的联接螺母与混凝土接触面均定义“Bonded”接触,即约束接触面法向不分离,切向可以有小位移。

2.4 加载并求解

完成上述前处理后,在底面施加全约束,对称面上施加对称约束。塔吊用M27高强度螺栓联接,施加螺栓预紧力258.3 kN。工作载荷:在位置1和位置3即联接塔吊的螺栓上分别作用受拉集中载荷199 kN和18.6 kN；在位置2和位置4即安放塔吊的垫板上分别作用受压面载荷10 200 kN/m2和951 kN/m2,如图7所示。配重作用区域内侧的受压面载荷为31.8 kN/m2,外侧受压面载荷为101 kN/m2。

图7 施加工作载荷和配重的位置

3 结果与分析

由图8可知,混凝土最大压应力发生在与螺栓连接的下侧方孔内表面上。继续可得到在混凝土宽度方向，即X轴方向压应力的变化趋势如图9所示。由图可知，混凝土的最大应力为3.6 MPa,小于C30混凝土的许用压应力30 MPa[8]。结果表明，混凝土满足使用要求。

图8 混凝土部分应力图

图9 混凝土宽度方向应力曲线

由图10可以看出,钢梁的最大应力点发生在两侧钢梁与地脚钢梁的连接处。继而可以得到沿钢梁长度方向，即Y轴方向的拉应力变化如图11所示,由图得Z向拉应力最大值为55.2 MPa,小于Q235槽钢的最大抗拉强度375～500 MPa[9]。结果表明,钢梁满足使用要求。

图10 钢梁应力局部放大图

图11 钢梁长度方向应力曲线

由结果图12可知,螺栓的最大应力值为495 MPa,而12.9级的螺栓抗拉强度为1 220 MPa,因此螺栓满足使用要求。

图12 螺栓应力云图

由Z向应变图13可以,整体结构的应变最大值为0.001 3 m。

图13 整体应变图

由整体应力图14可得，结构的Z向最大应力为495 MPa,最大拉应力产生在螺栓预紧平面上。且前文中证明螺栓能够满足强度要求。

综合上述结果,本自行设计的组合式塔吊基础的钢梁、混凝土及螺栓均满足强度要求,结构合理,可以安全工作。

4 结束语

本文给出了QTZ63型塔吊基础的创新型结构,通过钢梁与混凝土的组合使结构更轻便,安装更省时。通过优化有限元网格,合理定义接触类型,分别对结构中各组成部分的力学性能进行了分析。根据分析结果,得到最大拉应力发生在受拉侧的地脚螺栓上,且螺栓抗拉强度能够满足使用要求。钢梁作为联接部件，最大抗拉强度也能够满足使用要求；混凝土作为主体承压部件,其抗压强度也满足使用要求。经过分析,基础能够满足使用要求,分析结果为新型组装式塔吊基础的结构优化和安全运行提供了理论依据。本研究方法也可以用于其他复杂结构装备的力学性能分析。

[1] 赵正义.砼预制构件十字形单向组合式塔机基础：中国，CN98101470.4[P].1998-11-04.

[2] 赵正义.砼预制构件十字形双向组合式塔机基础:中国,CN98101471.2[P].1998-11-04.

[3] 赵正义.桅杆式机械设备混凝土预制构件组合基础:中国,CN200610002190.6[P].2006-07-19.

[4] 陈大军.钢结构装配式塔吊基础试验研究[J].工程与建设,2013,27(5):643-644.

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[10] 成大先.机械设计手册[M].4版.北京:化学工业出版社,2002：3-12，5-64.

(编辑：庞富祥)

Mechanical Performance Analysis of New Crane Assembly Foundation Based on ANSYS

SUN Lingfu1,SONG Guizhen1,HOU Yuanping2

(1.TaiyuanUniversityofTechnology,CollegeofMechanicalEngineering,Taiyuan030024,China;2.TaiyuanJiepaiCraneMobileFoundationFactory,Taiyuan030032,China)

Traditional fixed crane foundation is high cost, hard to build and difficult to clean up. To resolve these problems, an assembled and reusable QTZ63 type crane foundation is designed. Its mechanical properties are analyzed through ANSYS software. Further research on pretreatment process of analysis is done in this paper. The finite element mesh of non-hexahedron is optimized divided and proper contact type of mechanical models is defined, then more accurate result is obtained. The result shows that steel girder’s maximum tensile stress is 55.2 MPa, which is much less than the maximum tensile strength (375～500 MPa); The maximum compressive stress of concrete is 3.6 MPa, which is much less than C30 concrete’s allowable stress (30 MPa); Bolt’s maximum tensile stress is 495 MPa, which is much less than the tensile strength of bolt (1 220 MPa). It is proved that all components of the assembly foundation can meet the strength requirements. This work can provide a reference for research on mechanical properties of assembly tower crane foundation.

assembled tower crane foundation;mechanical properties;finite element analysis;mesh optimization

1007-9432(2015)05-0583-04

2015-03-13

太原市节排塔机移动基础制造厂技术委托项目:塔吊移动基础的力学性能研究(9002-03011138)

孙凌夫(1988-)，男，内蒙赤峰人，硕士生，主要从事机械设计与理论研究，(E-mail)654315997@qq.com，(Tel)13513635760

宋桂珍(1964-)，女，博士，副教授，主要从事机械设计与理论研究,(E-mail)gzh_s@163.com，(Tel)13099079701

TH213.3

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.05.020