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1、. . 移动塔吊基础的结构设计与力学性能研究毕业论文第一章 绪论1.1 研究背景及意义在经济快速发展的过程中,越来越凸显建筑业的重要地位。有数据统计在众多行业中,建筑业稳居前五,在总国民生产总值中能够占据5.4%的数额。从数据上来看,建筑业作为支柱产业在国民经济中占据一席之地。并且建筑施工业增加值一直保持着5%左右的高数值,地位十分稳定。另外施工业作为对外经济里的重要组成部分,每年可以为国家创造近300亿美元的收入。随着建筑业的高速发展,塔吊的应用也越来越广泛。在应用中,由于各种原因导致经常发生塔吊事故,而很多时候是由于没有正确的选择塔吊基础造成的1-2。正确选择塔吊基础对于节约成本及降低安全
2、隐患有着重要意义。同时,移动式基础更加环保,也便于运输安装。1.2 国内外研究动态研究人员投入了大量的精力对塔吊基础进行了设计。固定基础被广泛应用于传统的建筑施工中,其中包括以下几种主要的形式：1板式承台基础板式基础被广泛应用于场地条件好的情况,同时地基承载力要达到塔吊说明书中的要求,这时可以按说明书中的基础进行施工。使用这种方法时,不需要再进行计算,直接可以使用。但是通常按说明书施工的基础尺寸会较大,直接导致成本增加。2承台加桩基础承台与桩基的形式也会在基础施工中应用,与上一种进行比较的话,可以在节约材料的消耗,对场地的要求也比较小,但是要经过多个工序,预打多个桩,工期会相应较长。3大厚度底
3、板承台塔吊基础承台采用地下室大底板时,不需要再加桩,这样就节约的成本,同时也保证了安全。但是必须要等底板达到一定强度后才能安装塔吊。相应的拖长了前期施工3-4。固定式基础需要大量的混凝土浇筑,而且制成的结构不可以移动与重复利用。浪费了大量的材料,此外,工程结束后的障碍物也难以清理,即使清理也会留下大量的垃圾。针对上述问题,业内对移动基础进行了研究。在众多的新式塔吊基础结构中,赵氏塔基占据着重要的地位5。赵氏塔基总共有五种,可应用于各种塔机中。而赵氏塔基具有重量轻、对地基要求低、安装节省时间,成本低等众多优点。其后赵氏塔基使一基多用成为可能,促进了移动塔基的量产。赵氏塔基通过把多块混凝土块组合起
4、来的办法,从而简化的结构。使结构适用性更强。通过组合式的结构降低了成本,减少了建筑垃圾6-10。应某公司的要求,设计开发三种规格的移动式塔吊安装基础。1.3 主要研究内容与方法为了能使移动式塔吊基础的结构更加合理,力学性能进一步改善,便于运输等目的。本课题着眼于改进塔吊移动基础的结构,通过计算机辅助分析研究其力学性能,从而进一步完善结构,为工程应用提供理论支持和技术指导。1移动基础结构由于塔吊属于大型设备,在工作时受力很大。因此与塔吊连接的部分采用钢梁结构。采用钢筋混凝土结构作为配重。钢筋混凝土由钢筋混凝土两种材料组成,可发挥了钢筋和混凝土各自的的特点,使构件承载能力得到提高,并改善了构件受力
5、性能。在结构的设计上,进行了一部分的改进。在一般的移动基础设计中,是将两条十字钢梁安装在四块三角形的混凝土上,而作为配重的混凝土通过阳楔与阴楔连接在一起。而在本论文中,对配重的设计作了一些改进。减少了配重的体积,由原来的四个大三角块变成了12小块,使用时作为独立的四部分使用。减少了材料,降低了成本。同时,由于结构由独立的12小块组成,这样在运输的过程中也会更方便。在材料的选择上也选用了效果更好的钢筋混凝土结构。（2） 力学性能分析本文应用UG进行三维结构设计,建立力学分析计算模型,再通过有限元软件ANSYS进行力学性能分析,研究结构的承载能力,为新结构的安全应用提供依据。 / 第二章 结构设计
6、应某企业的需求,本课题着重为三种类型的自升式塔吊设计移动基础,并分析其力学性能。三种类型分别为：4509型、63型、5615型,型号代表的意义为：4509最大工作幅度是45m,该处最大吊重0.9吨；5615最大工作幅度是56m,该处最大吊重1.5吨；63额定举重力矩是63KNm。为了方便安装和运输,移动式塔吊基础结构考虑采用组装形式,由三部分组成：混凝土底座、钢梁结构、其它零件。底座部分由钢筋混凝土构成。土木工程中常用到混凝土作为材料。它是由骨料、胶凝材料、水和必要时加入的掺合料和外加剂按一定比例配制,成型密实,经过搅拌均匀,然后经过养护硬化可以得到的一种人工石材。混凝土具有很多优点,如：有丰
7、富的原料,简单的生产工艺,同时还制造成本低廉,因而其应用越来越广泛。同时,混凝土还具有其它的性能优势,如：它具有良好的耐久性,很高的抗压强度,很宽的强度范围等11-13。因此,在机械制造、土木工程、地热工程、造船业、以及海洋开发中,混凝土作为一种重要的材料,其应用越来越广泛。和易性、强度、变形、耐久性是混凝土或混凝土拌合物的主要性质。和易性：对于混凝土拌合物来说,和易性是其最最重要的性能。拌合物的流动性、可塑性、稠度、及抗分层离析泌水的性能和易抹面性都可以通过它来表示。示拌合物和易性的方法和指标有很多,在中国稠度的主要指标有两个,一是通过截锥坍落筒测定的坍落度,另一个是维勃仪测定的维勃时间秒。
8、强度：是指混凝土抵抗拉、压、剪、弯等应力的能力,是混凝土硬化后的最重要的力学性能。其中有很多因素都直接影响混凝土的强度,如水泥品种、水灰比、和用量、集料的品种和用量以及成型、搅拌、养护等都会对强度产生影响。混凝土按标准抗压强度划分的强度等级,称为标号,分为C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80、C85、C90、C95、C100共19个等级。混凝土的抗拉强度仅为其抗压强度的1/101/20。提高混凝土抗拉、抗压强度的比值是混凝土改性的重要方面14-18。变形：当受到载荷作用时,混凝土会产生塑性变形、温度变形、弹性变形
9、、收缩等。弹性模量用来表示载荷作用下的弹性变形。徐变表示结构在荷载作用下,应力在长时间内不变,同时应变持续增加的现象。松弛：应力一直减少,而应变不变现象为。收缩：是由于水化、碳化和失水,而产生的体积变形。硬化混凝土的变形来自两方面：外加荷载因素和环境因素,具体分为：（1） 荷载作用下的变形：非弹性变形、弹性形变（2） 非荷载作用下的变形：包括收缩变形、膨胀变形。其中收缩变形包括干缩、自收缩。膨胀变形主要由湿胀导致的。3复合作用下的变形：耐久、徐变。在一般情况下,混凝土具有强的耐用性。但是在当水位变化时,寒冷地区的工程部位易于损坏,还有冻融交替作用时,特别在饱水状态下频繁变换时,会导致混凝土的损
10、坏19-21。耐久性：因气候不同,混凝土的耐久性会受到影响。在寒冷地区对混凝土要有一定的抗冻性要求。对于工程是不透水的情况时,要求混凝土具有良好的耐蚀性、抗渗性。钢梁：材料为45号钢。包括三个主要部分:主钢梁、十字中心体、压担钢梁、其它零件。2.1 结构设计由西门子公司开发的UGS-PLMUG-NX软件,集CAD/CAE/CAM于一体的。能够在开发产品的过程中起到有效的辅助作用。软件主要应用在以下几个方面：工业设计,产品设计,NC加工,模具设计等方面22-25。鉴于UG的强大功能,本文采用UG作为建模软件。2.1.1 4509型塔吊移动基础结构设计2.1.1.1 底坐设计底座分为四大块混凝土组
11、结构与一个中心块组成。其中每一组混凝土由三小块混凝土结构构成,且两侧的混凝土块是相同的。下面分别设计4509的两种混凝土。混凝土的设计目标：1与整体结构尺寸相匹配结合现今使用中的固定式混凝土基础与已应用的移动式混凝土基础结构完成本结构的尺寸设计。经过UG建模并导出三视图。2相邻结构定位整体结构由12块混凝土构成,在安装过程中,为了防止选错混凝土块而造成时间的浪费。必须把不同种的混凝土块编号。安装时对应编号再进行安装会大大节省工时,避免不必要的安装错误而造成的成本浪费。在结构方面,要完成相邻的结构的定位也需要设计相应的定位装置,在本结构中在混凝土块的两侧分别设置有半球形定位凹坑和凸起来初步定位,
12、另外在安装完4组混凝土块后还用钢铰线对混凝土进行拉紧,以防止混凝土块松动。3方便移动安装本结构的优点在于能够分块运输,现场安装,大大节省基础制造工时。因此要设计对应结构来满足移动、运输的需要。本着这个目的,混凝土块设计了相应的提担孔。4能够安装钢梁本结构的主体由钢梁与混凝土构成,在混凝土块上要预留安装孔。在混凝土的上半部分开有安装孔与地脚螺栓相对应。另外中间开有方孔作为螺栓的固定面。对应于以上功能分别对两种混凝土结构进行结构设计,具体结构见图2-1、图2-2。图2-1 混凝土块1Fig.2-1 Concrete 1图2-2 混凝土块2Fig.2-2 Concrete 22.1.1.2 钢梁设计
13、在结构中钢梁起着塔吊与混凝土基础的联接作用。钢梁的结构包括主钢梁、十字中心体、压担钢梁、其它零件。1主钢梁的设计主钢梁结构尺寸如图2-3所示,由于塔吊使用在露天环境下,因此在主钢梁的两端放入两块防水板,能够防止主钢梁生锈,加大钢梁的耐用性。图2-3 主钢梁Fig.2-3 Main steel beam（2） 十字中心体十字中心体由两种对称的结构构成,通过铆钉联接。两部分中心体的结构如图2-4、图2-5。图2-4 十字中心体1Fig.2-4 Cross centrobody 1图2-5 十字中心体2Fig.2-5 Cross centrobody 2然后将十字中心体的两部分组合安装在一起如图2-
14、6图2-6 十字中心体组装图Fig.2-6 Assembly of cross centrobody（3） 压担钢梁设计压担钢梁在结构中起着联接螺栓与钢梁的作用,压担钢梁的上半部分槽钢焊接而成,在安装时,中间加入套管来加强结构的安全性。如图2-7所示。图2-7 压担钢梁Fig.2-7 Steel girder （4） 钢梁连接连接主钢梁与十字中心体钢梁的结构尺寸如图2-8所示,在安装时,连接钢梁与主钢梁焊接在一起。图2-8 钢梁连接件Fig.2-8 Steel beam connector完成上述结构模型设计后,在UG中虚拟装配,得到整个钢梁的结构如图2-9。图2-9 钢梁组装图Fig.2-9
15、 Assembly diagram of girder2.1.1.3 钢绞线设计通过专门设备,可以将数根已知规格的钢丝捻绞线,再通过特定的工艺处理,可以得到钢绞线。钢绞线主要分为以下几种,如预应力混凝土钢绞线、镀锌钢绞线、铝包钢绞线等。（1） 镀锌钢绞线：此种钢绞线可应用于多种场合,如架空的电力线,还有悬挂物体,和固定物体的情况,还有拴系的情况等。镀锌钢绞线的根据公称抗拉强度、钢丝锌层厚度和断面结构可以分为多种类型,如：1175、13、a级等。（2） 应力混凝土钢绞线：预应力混凝土钢绞线也应用于很多工况,如混凝土结构、岩土的固定。其按不同的结构、性能也分为许多的种类。（3） 铝包钢绞线：铝包钢绞线可作为承力索用于架空电气化线。其种类可分为四种：3、17、119、137。本文采用钢绞钱结构来对混凝土部分进行固定。具体结构包括：钢绞线,帽头,锥形头,与垫板构成。在安装时分为几个步骤：1将钢绞线穿入锥形头。
