塔吊結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)與制作

1、塔吊結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)與制作摘要：本文中的塔吊結(jié)構(gòu)模型是浙江大學(xué)第九屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的參 賽作品。文中詳盡地論述了該塔吊結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)制作要求，實(shí)際的設(shè)計(jì) 和制作的全過(guò)程。最后，文中還以一些合理的假設(shè)為前提，根據(jù)相關(guān)理論 知識(shí)估計(jì)了模型的承載能力。本文對(duì)于一些其他的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)制作過(guò)程 也有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵字：塔吊模型；設(shè)計(jì)；制作；支撐柱；橫梁；桿件；牛皮紙；載荷1. 背景塔吊在現(xiàn)代的社會(huì)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，它實(shí)現(xiàn)了笨重貨物較大的 水平和垂直位移，而且可重復(fù)性強(qiáng)，效率高，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了很 好的促進(jìn)作用。塔吊其實(shí)在現(xiàn)實(shí)生活中隨處可見(jiàn)，尤其在建筑施工基地和 大型的裝載、卸載基地，它可

2、謂是必備的工業(yè)設(shè)備，是基地整個(gè)物料調(diào)運(yùn) 的核心裝置。所以一個(gè)塔吊的結(jié)構(gòu)的承載能力、安全性以與運(yùn)動(dòng)的靈敏性 就顯得非常重要。本文所闡述的塔吊結(jié)構(gòu)模型是以“浙江大學(xué)第九屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 競(jìng)賽”這一賽事為依托，由本人協(xié)同劉曉杰、汪榮榮兩位同學(xué)，共同設(shè)計(jì) 并制作完成的。2. 模型設(shè)計(jì)制作要求此模型的設(shè)計(jì)制作要求即為“浙江大學(xué)第九屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽” 提交的參賽作品的一些要求，現(xiàn)整理歸納成如下幾點(diǎn)：1、模型制作材料為牛皮紙、卡發(fā)絲線、白膠，固定模型的底板為木工板。材料統(tǒng)一由組委會(huì)提供和購(gòu)買(mǎi)，不得使用非組委會(huì)提供的其它任何 材料。2、模型結(jié)構(gòu)形式和總高度不限，模型的主要受力構(gòu)件應(yīng)合理布置， 整體結(jié)構(gòu)應(yīng)體

3、現(xiàn)“新穎、輕巧、美觀、實(shí)用”的原則。3、 模型懸臂上分別設(shè)置 3個(gè)作用點(diǎn)A、B、C,其中配重作用點(diǎn) A距 模型底板中心線xx軸水平距離為250 ± 5 mm，距模型底板上表面高度為 1000 ± 5 mm ,并要求設(shè)置豎向力的拉線環(huán) 1 個(gè)；加載作用點(diǎn) B、 C 分別 距模型底板中心線xx軸水平距離為600 ± 5 mm、900 ± 5 mm距模型底 板上表面高度為 1000 ± 5 mm ，要求在 B、 C 點(diǎn)設(shè)置可以施加豎向力的拉 線環(huán)各 1 個(gè)，并過(guò) C 點(diǎn)垂直于 BC 連線上設(shè)置可以施加前后水平力的拉線 環(huán)各 1 個(gè)，詳見(jiàn)圖 1 。4、

4、 在 B 點(diǎn)一側(cè)的模型固定邊界以外、BC 連線以下必須保持凈空，詳 見(jiàn)圖 1 。5、固定模型的底板尺寸為 400 mm X 400 mm。模型制作材料固定在 底板的范圍不得超出 250 mm X 250 mm，詳見(jiàn)圖2。6 、模型作用點(diǎn)的拉線環(huán)須滿足承載要求，拉線環(huán)受力拉直后離作用 點(diǎn)的距離為 50 mm/3底板 / ,25UX圖1塔吊尺寸要求與加載示意圖（立面）圖2塔吊尺寸要求與加載示意圖（平面）01 和 023. 模型受力分析受力分析時(shí)將橫梁和支撐柱簡(jiǎn)化成直桿件，并且假定結(jié)點(diǎn)為剛性聯(lián)結(jié)，參見(jiàn)圖3。由于此塔吊為一復(fù)雜的受力系統(tǒng)，故將其分解成 橫梁和支撐柱，并從水平面和豎直面兩個(gè)平面中進(jìn)行分析

5、。圖3.塔吊受力示意圖在水平面內(nèi)，橫粱C02段受到由水平力F4產(chǎn)生的彎矩，大小隨著與C的點(diǎn)距離增加成線性增加，02A段不受力，同時(shí)C點(diǎn)和02點(diǎn)受到剪力。 在豎直面內(nèi)（指與紙面平行的豎直面），橫梁CB段受到由豎直力F1產(chǎn)生 的彎矩，B02段受到由豎直力F1和F2共同作用產(chǎn)生的彎矩， 02A段受 由豎直力F3產(chǎn)生的彎矩，但方向與 C02段相反，點(diǎn)C、B、02、A處也 受到相應(yīng)的剪力作用。支撐柱在水平面內(nèi)受到一扭矩作用，它是由水平力F4產(chǎn)生的。在豎直 面內(nèi)（包括與紙面平行和垂直的兩個(gè)豎直面），受到兩個(gè)彎矩，其一的方 向是與紙面平行的豎直面內(nèi)水平向左，由水平力F4產(chǎn)生，其二的方向是垂直紙面指向外，由橫

6、梁為了保持平衡而對(duì)支撐柱的反作用產(chǎn)生。4. 模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1支撐柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)支撐柱的整體特征為一變截面柱體，它的底部截面為一正方形，隨著 截面的升高，正方形各邊均勻縮短，所以支撐梁的頂部截面為變小了的正 方形，沿著這個(gè)柱體的四條棱布置四跟豎桿，作為主撐桿。支撐柱共分六 層，第一層即為底面，第六層即為頂面。第一層與第二層、第二層與第三 層、第三層與第四層之間的沿著主撐柱的距離均為 250mm ，第四層與第 五層之間的沿著主撐柱的距離為 202mm ，第五層與第六層之間的沿著主 撐柱的距離均 240mm 。每層面上，四根橫桿將四根主撐桿連接起來(lái)構(gòu)成 一個(gè)正方形，使四根主撐桿固定并提高抗彎能力。該

7、正方形的一條對(duì)角線 上再布置一根桿，而且層與層之間正方形對(duì)角線上的桿交錯(cuò)布置，以增強(qiáng) 抗扭能力。在支撐柱柱體側(cè)面內(nèi)，層與層的橫桿之間用一根斜桿支撐，同 一層之間四個(gè)側(cè)面內(nèi)的四根斜桿旋向一致，相鄰層的旋向則相反，可提高 支撐柱的抗扭、抗彎能力。支撐柱結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，其中紅色桿處在柱體 正側(cè)面，藍(lán)色桿處在柱體背側(cè)面，黑色桿處在柱體兩側(cè)的側(cè)面，綠色桿為 每層水平正方形一對(duì)角線上的桿。圖4.支撐柱結(jié)構(gòu)示意圖4.2橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)受力分析，橫梁主要承受彎矩，而且其值較大，所以將它設(shè)計(jì)成 為截面為等邊三角形的柱體。三根長(zhǎng)桿布置在柱體的三條棱處，作為主要 受力件。結(jié)合模型受力點(diǎn)的布置要求， 兩根長(zhǎng)桿用九

8、根等長(zhǎng)短桿連接起來(lái), 構(gòu)成一蹬梯形結(jié)構(gòu)。每個(gè)梯格的對(duì)角線處再布置一根桿件，且使相鄰梯格 內(nèi)的桿件不平行，如此提高了橫梁抗水平面內(nèi)的彎矩的能力。另外一根長(zhǎng) 桿用五個(gè)垂直于蹬梯形結(jié)構(gòu)正三角形架固定在其正上方。再有四根等長(zhǎng)桿 斜接在頂上的長(zhǎng)桿和下面的兩根長(zhǎng)桿之間，使每?jī)蓚€(gè)正三角形架之間形成 一個(gè)錐體，其頂點(diǎn)與頂上的長(zhǎng)桿相連，其底邊為正下方蹬梯形結(jié)構(gòu)兩個(gè)梯 格的外圈結(jié)構(gòu)。橫梁結(jié)構(gòu)如圖 5所示，黑色桿件處在底面內(nèi)，紅色桿件出在正對(duì)的斜面內(nèi)，藍(lán)色桿件處在背對(duì)的斜面內(nèi)。橫梁長(zhǎng)桿上各個(gè)結(jié)點(diǎn)之間 的尺寸如圖6所示4.3支撐柱和橫梁的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于支撐柱和橫梁是分幵設(shè)計(jì)的，所以兩者的聯(lián)結(jié)主要靠繩綁和白膠 的粘合

9、來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)模型設(shè)計(jì)制作的尺寸要求，將橫梁正確放置在支撐柱 第五層正方形面上。因?yàn)榕c橫梁直接接觸的那兩根正方形橫桿將會(huì)受到很 大的正壓力，所以額外的四根短撐桿添加在了那兩根橫桿下方，且各自緊 貼支撐柱相應(yīng)的主撐桿。 在橫梁的上放偏A端處，設(shè)計(jì)了一個(gè)三角架結(jié)構(gòu) 將其壓住，可減緩該端上翹或下彎的趨勢(shì)。三角架的頂點(diǎn)與支撐柱頂層一橫桿相連，往下引出的一根豎桿和兩根斜桿都頂在橫梁的頂部長(zhǎng)桿上。結(jié) 構(gòu)可參看圖 7 的整體結(jié)構(gòu)圖。5. 模型制作5.1 桿件制作通過(guò)材料力學(xué)的學(xué)習(xí)得知，薄壁管形的桿件綜合力學(xué)性能良好，而且 材料節(jié)約，質(zhì)量輕，所以這個(gè)塔吊模型的所有桿件均制成管形。管形桿件 的制作方法為以某圓鋼管

10、（或其他剛度較大的類(lèi)似物）為轉(zhuǎn)軸，將按設(shè)計(jì) 尺寸裁好的牛皮緊密地卷在圓鋼管上，一邊卷一邊在將要卷進(jìn)去的牛皮紙 的內(nèi)側(cè)均勻涂上白膠。牛皮紙卷完后，等待白膠基本結(jié)固，然后抽出圓鋼 管，一跟紙管就做好了。如果牛皮紙卷得緊密，白膠完全干后的紙管壁材 質(zhì)類(lèi)似于木材。在本塔吊模型中桿件分為粗桿和細(xì)桿兩類(lèi)。粗桿用直徑為 12mm 的鋼管卷制，牛皮紙尺寸為 1200mm x 240mm，其中1200mm 為粗桿長(zhǎng)度。粗桿用作橫梁的長(zhǎng)桿和支撐柱的主承力桿，共需七根，其余 的桿件均為細(xì)桿。細(xì)桿用大徑為 6mm 的螺紋桿卷制，其各項(xiàng)參數(shù)較為復(fù) 雜，具體見(jiàn)表 1 和表 2。表 1 和表 2 中的尺寸為桿件制作出來(lái)的初

11、始尺寸， 比結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算的理論尺寸放長(zhǎng)約 30mm 或 10mm 。其主要原因是桿 件之間聯(lián)結(jié)時(shí)還要加工出各種形狀的接頭，使兩者接觸良好，減少應(yīng)力集 中等因素，提高各桿件聯(lián)結(jié)處的強(qiáng)度。其次要原因是制作過(guò)程中肯定會(huì)存 在各種誤差，使實(shí)際尺寸值偏離理論計(jì)算值，為了避免制作出來(lái)的桿件不 夠長(zhǎng)，從而特意放長(zhǎng)了桿件實(shí)際制作時(shí)的尺寸。表 1 . 支撐柱各個(gè)細(xì)桿參數(shù)：層數(shù)尺寸（mm）:桿長(zhǎng)x紙寬數(shù)量（根）第一層（底層）水平橫桿223 X 1504水平斜桿310 X 1501側(cè)面斜桿320 X 1504第二層水平橫桿202 X 1504水平斜桿268 X 1501側(cè)面斜桿307 X 1504第三層水平橫桿1

12、81 X 1504水平斜桿238 X 1501側(cè)面斜桿296 X 1504第四層水平橫160 X 1504桿水平斜桿208 X 1501側(cè)面斜桿258 X 1504第五層水平橫桿143 X 1504水平斜桿184 X 1501側(cè)面斜桿281 X 1502第六層（頂層）水平橫桿123 X 1504水平斜桿155 X 1501表2橫梁各個(gè)細(xì)桿參數(shù):類(lèi)型尺寸（mm）:桿長(zhǎng)X紙寬數(shù)量（根）橫接桿109 X 15020斜接桿（長(zhǎng)178 X 15018型）斜接桿（短型）158 X 1506然而上述兩張表中，沒(méi)有列出在聯(lián)結(jié)橫梁和支撐柱過(guò)程中額外增加的 桿件，包括支撐柱四層和五層之間的四根短撐桿和頂住橫梁的三

13、角架結(jié)構(gòu) 所用桿件。這些桿件的尺寸等參數(shù)是后來(lái)根據(jù)模型制作過(guò)程的實(shí)際情況靈 活確定的。5.2桿件連接桿件連接過(guò)程中，首先用電鉆、鋼鋸、各式銼刀等工具，加工出各相 適應(yīng)的接頭幾何形狀，使各桿件連接處基本為面接觸，桿件的尺寸也正確 合理。然后每根空心桿件內(nèi)部都穿過(guò)兩股卡發(fā)絲線，各端緊扎在被連接的 桿件上，并且在繩扎緊前各接觸面上均勻涂上白較。如此的連接方法，使 連接后的局部結(jié)構(gòu)即抗拉又抗壓，其中紙管桿件主要承受壓力，管腔內(nèi)的 線主要承受拉力。我們?cè)跅U件各個(gè)集中的扎繩處事先額外地包裹粘上了兩 層牛皮紙，防止了由局部集中扎繩引起的應(yīng)力集中對(duì)桿件造成的破壞。在 整個(gè)模型制作過(guò)程中，桿件連接的順序是按照“

14、由下而上，先橫桿再斜桿” 的基本原則進(jìn)行的。5.3繩拉索布置社會(huì)中有著很多的拉索結(jié)構(gòu)，實(shí)踐已經(jīng)證明拉索結(jié)構(gòu)對(duì)提高懸臂梁等 結(jié)構(gòu)的承載能力有著巨大的作用，而且拉索結(jié)構(gòu)的質(zhì)量相對(duì)于懸臂梁的質(zhì) 量往往可以忽略不計(jì)，所以它不增加結(jié)構(gòu)本身的質(zhì)量。鑒于此，我們?cè)谒鯔M梁的合適位置上也布置了若干卡發(fā)絲線，斜向上壓住并繞過(guò)支撐柱的 頂面，連接在橫梁的另一端或支撐柱的承力桿上。同時(shí)，支撐柱的頂面上 固定有三根特制的細(xì)紙管，所有繩拉索均從合適的一根管中穿過(guò)，這樣就 使每根繩固定了，確保沒(méi)有因繩拉索產(chǎn)生橫向位移而失去拉索功能的現(xiàn)象 發(fā)生。5.4 模型固定根據(jù)要求，模型是需要固定在指定的木工板上的。我們采用了兩步處

15、理的方法。第一步，支撐梁四根承力桿的底端包裹粘上長(zhǎng)寬尺寸合適的一 圈多的牛皮紙，并且留有一定長(zhǎng)度的出頭，然后將其伸出部分的牛皮紙剪 開(kāi)，沿承力桿底端折到水平位置，形成粘到木版上的觸角，即可粘到木版 上。第二步，對(duì)于處在底面內(nèi)的各個(gè)桿件，用合適長(zhǎng)寬的矩形牛皮紙，一 面均勻涂上白膠，將桿件的上面和側(cè)面盡可能多的包裹粘住，然后將桿兩 側(cè)多出來(lái)的紙平整地粘到木板上，等白膠干后，將超出接觸界限的紙用小 刀去除。如此的面接觸，確保了承載時(shí)模型和底板不會(huì)撕開(kāi)。最終制成的塔吊結(jié)構(gòu)模型如圖 7 所示a.整體結(jié)構(gòu)b.支撐柱結(jié)C.橫梁結(jié)構(gòu)圖7.塔吊結(jié)構(gòu)模型6. 模型最大載荷估計(jì)模型最大載荷估計(jì)時(shí)作出如下假設(shè)：1、整

16、個(gè)塔吊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為四根主干，三根橫桿與吊索組成的系統(tǒng)；2、桿件材質(zhì)均勻連續(xù)；3、各個(gè)連接點(diǎn)為剛性連接；牛皮紙力學(xué)性能參數(shù)如表 3所示，卡發(fā)絲線的強(qiáng)度要大于蠟線，所以在計(jì)算中卡發(fā)絲線的極限應(yīng)力用蠟線的極限應(yīng)力替代是偏安全的。表3.牛皮紙力學(xué)性能參數(shù):彈性模量拉應(yīng)力（MPa）（MPa）300040表4.蠟線極限應(yīng)力:蠟線股數(shù)123456極限應(yīng)力（N）48110168207225232取粗桿桿件外徑D橫梁受力計(jì)算： 假設(shè)受重力為G,橫梁受壓力N1 ,繩子受拉力N2N1=G*cot15=4.17GN2=G/sin15=4.28G橫梁受壓正應(yīng)力： a=N1/3S=4.17G/3*Pi(D2-d2)橫梁受縱向力產(chǎn)生彎矩： M=G*x撓度： w 最大 =-Gl3/3EI支撐柱四根承力桿受力計(jì)算：受壓正應(yīng)力： a=(G1+G2)/4SG1,G2 產(chǎn)生彎矩分析計(jì)算： Me=M1-M2=0.9G1-0.25G2撓度： w 最大 =Me*x2/8EI對(duì)于橫向力主要考慮其在結(jié)點(diǎn)處造成的彎矩G*( 0.9-0.06 )。將所測(cè)與查表所得數(shù)據(jù)代入公式可得所需考慮數(shù)據(jù)中,估算出所加載 的重力最大為 6kg 左右。這是基于簡(jiǎn)化為主軸系統(tǒng)的估算, 而實(shí)際模型由 于存