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正文|九鼎剑士
编辑|九鼎简史
前言
塔式起重机又称回转起重机，简称塔式起重机或塔式起重机。 作为一种机械设备，它具有效率高、动作复杂的特点。 随着城市高层建筑的发展，实际工程中对塔式起重机的需求量越来越大。
但其安装和工作地点往往在室外，容易受到强风等自然环境的影响。 另外，我国海岸线漫长，是台风重灾区。 每年因台风过境造成塔机损坏的案例时有发生。
研究背景
2014年7月18日，超强台风“拉马森”登陆时，风速达到60m/s。 海口、文昌、澄迈等地区仅有77台塔机倾覆；
2017年8月23日，台风“天鸽”登陆珠海市金湾区，造成珠海市建筑工地110台塔吊倒塌、27台塔吊损坏。 研究表明风向玫瑰图软件，近年来随着全球气候变暖，西太平洋产生的台风平均强度呈现下降趋势，但登陆我国的台风平均强度却呈现逐渐增强的趋势。 因此，研究塔式起重机在台风作用下的安全性日益重要。
据台风过境后塔机相关数据显示，非工作状态下超过塔机最大承载能力的风速是塔机倾斜、倒塌的主要原因。 针对以上问题，
国内外许多学者对塔式起重机进行了研究，利用ANSYS软件建立了塔式起重机在风载荷作用下的有限元模型，指出塔式起重机的臂架在风载荷作用下可能首先损坏；
对塔式起重机进行风洞试验，研究风振引起的塔式起重机故障； 针对当前平头塔式起重机计算问题，对风载设计系数进行了研究，采用计算流体力学方法确定了规范中的风载设计系数。 重新计算，
对规范中未提及的杆件尺寸的风载系数进行深入研究，并针对具体型号的塔机进行验证，为塔机标准节的进一步优化设计和钢结构吊装的安全性提供有力的理论依据。风荷载。 对其性能进行研究，考虑其自重与风荷载的耦合效应，
利用ANSYS软件对风荷载作用下结构的承载极限进行模拟分析，并给出安全相关建议。 总之，许多专家学者对塔式起重机在风荷载作用下的问题进行了研究，但大多基于理论。 它以计算和有限元分析为基础，基本上是稳态下的静力计算。
在此基础上，总结了风荷载引起塔机事故的原因，并以宁波市某建筑工地1号塔机为研究对象。 结合台风“烟花”期间传感器实测数据，对台风作用下非作业塔机进行分析。 起重机安全研究。
监控设备及监控解决方案
2.1 监控设备
为了实现塔机状态的实时监测，选用具有实时上传数据功能的倾角传感器。 该仪器可以根据三个轴对应的倾角变化计算出塔机的偏移量。 传感器型号为WEMS401，测量内容为x、y、Z轴倾斜角度，
上传数据的内容是三轴倾斜角度的平均值、最大值和最小值。 范围±90°，灵敏度0.001°，最大误差0.01°。 在恶劣环境下进行长时间监测。 另外，由于研究内容与风速密切相关，因此现场需要安装气象站来监测风速和风向。 据此选择具有存储和实时监测功能的小型气象站。
仪器可自动实时记录现场风速、风向的变化，并可通过网关将数据发送至终端。 上传的数据内容包括当前风速、最小风速、最大风速、平均风速等。
2.2 监测计划
为了具体分析塔机各节在台风作用下的位移情况，将仪器用抱箍固定在测量点上。 1610~1615号传感器均布置在标准段，1616号仪器固定在塔顶。 为了更直观地观察台风对塔机的影响，将倾角传感器采集数据的频率设置为1分钟/次。
值得注意的是，施工现场安装了小型气象站，监测施工现场风向、风速的变化。 综上所述，塔机监控系统共有7个倾斜传感器、1个小型气象站和1个无线网关。
一个完整的无线传感器网络应包括用于采集数据的感知层、用于传输数据的传输层以及用于数据处理和显示的应用层。 塔机系统也分为三层：
传感层由倾角、加速度等传感器组成，用于采集塔机工作时自身的倾角、加速度等数据； 网络层主要是GPRS网络，用于实现数据的无线传输； 应用层由远程监控云平台组成，用于显示实时数据。
为了实现塔机的智能化管理，基于上述硬件，通过设置的用户名和密码登录系统，检查传感器的工作状态。
同时云平台具有存储、下载等功能，既保证了数据安全，又让塔机监控更加便捷。
台风作用下塔机监测数据分析
3.1 气象站数据分析
(1)风向
根据气象站监测的风向数据，按照16个罗盘方向进行分类，绘制风玫瑰图，反映台风“烟花”期间的风速和主风向。
台风期间，该场地主要受到北方强风的影响。 这一结果与台风登陆时的风场图一致。 因此，研究塔机在台风作用下现场的偏转情况具有重要的参考意义。
(2)风速
根据气象站监测数据，筛选出台风“烟花”期间的风速，计算出10m高度的3s阵风风速和10min平均风速。 结果如图10所示。台风“烟花”于7月24日开始，风速持续增大； 7月25日7时2010分，平均风速达到最大值（28.56m/s），阵风风速于7时403秒达到最大值（40.86m/s）。
值得注意的是，当日22时003分台风阵风风速为4.59m/s，当日风速差高达36.27m/s。 据相关报道，“烟花”的眼部直径达到100公里，施工地点距离其路径仅数米。 约35公里，因此，同一天内风速变化很大。
3.2 塔机偏置分析
倾角数据处理
将原仪器放置在x、y、z轴形成的空间直角坐标系中，x′、y′、z′是由于塔体偏移而生成的新的空间直角坐标系。
将倾角传感器监测到的倾角通过式（1）转换为各段的偏移量和端点坐标（x′，y′，z′）：
式中：h为各段的高度； α为x′轴与水平地面的夹角； β为y′轴与水平地面的夹角； θ 是 z′ 轴与水平地面之间的角度。
3.3 动态响应分析
通过对倾角数据的处理，可以获得每一段的偏移量。 通过对比同期风速变化可以看出，各段位移与风速变化趋势基本一致。 为了直观地反映塔机各节段的具体偏移量，画出各节段沿塔机高度的偏移量，
在台风作用下，塔体上各测点的偏移量随着高度的增加而增大。 工作过程中塔体部分最大位移达到648.73mm。 塔机工作时，1610、1611、1612节段的位移响应较其他节段小，这说明随着塔架高度的不断增加，风速也随之增大，塔架上的受力也增加。
与塔身不同，塔尖没有明显的偏差。 实际工程中，大风来临前，风速等级一般会逐渐增大。 当风速级别较低时，塔吊会停止工作，塔吊上部总成会受到损坏。 风荷载开始旋转。
然而，当旋转过程中风速级别降低时，旋转过程中承受的载荷可能比稳定后更小。 其次，塔机上部结构会随风载荷向臂架几乎与风向平行的方向旋转。 此时塔机旋转机构的受力面积最小。
另外，值得注意的是风向玫瑰图软件，塔机在25日9:00出现最大偏移，其对应的3s阵风风速为37.55m/s，并非最大3s阵风风速。 其次，对应的最大3s阵风风速为塔机最大偏移量200.44mm，远小于塔机最大偏移量648.73mm。 它与有限元软件模拟塔机在风载作用下的偏移时的实时响应不同。
实际工程中，塔机的偏移存在滞后现象，即最大风速时刻与塔机最大偏移时刻不一致。 造成这种现象的主要原因是塔机在台风作用下产生风向标效应。 当塔机上部结构与风载荷方向成一定角度时，塔机回转机构将绕塔机某一轴线旋转。 当其平行于风载荷方向旋转时，位移可能最大。 综上所述，根据实际测量结果，在实际工程中，塔架会产生风向标效应，导致其最大位移与最大风速力矩不同。
研究成果
通过气象站和倾角传感器测量台风“烟花”经过时某建筑工地的风向、风速和塔机偏移数据，分析塔机的动态响应。 结论如下。
(1) 随着塔的高度不断增加，偏移量增大，
(2)在台风作用下，不工作的塔机上部会发生旋转。 与塔身偏移的变化规律不同，塔尖的偏移会因上部的旋转而不同，需要具体分析。
与有限元软件的实时响应不同，在实际工程中，塔机存在风向标效应，导致其最大位移与最大风速力矩不对应，存在滞后现象。
综上所述
通过研究塔式起重机非工作状态下的动态响应，可以更好地了解台风对起重机的影响，并制定相应的控制策略和安全防护措施，确保塔式起重机在台风天气下的安全运行。 该研究对于提高塔式起重机的抗风能力、减少事故的发生具有重要意义。
参考
[1]姚克恒. 在用塔式起重机安全评估有限元建模与仿真研究[D]. 南京：南京工业大学，2009。
[2] 袁征，张长杰，郭汉柱，等。 海南台风塔吊倒塌损坏调查报告[J]. 工程机械技术与管理，2014，27(8)：72-74。
[3]潘亮，张作平，肖明。 浅析强台风对塔式起重机的损害及防台风措施[J]. 施工安全，2020，384（5）：10-13。
