桅桿起重機是以桅桿為機身的動臂式起重機，常用于碼頭港口吊裝大型設備，具有自重輕、材料省、結構簡單、工作平穩、易拆卸移動等特點。單桅桿起重機是桅桿起重機常見的一種類型，該類型起重機沒有專門的臂架，桅桿底端鉸接或固

定于基座上，桅桿頂部用纜繩從一個或多個方向連接于地錨中，桅桿既具有支撐作用，又具有變幅作用。

因此，該類型起重機的桅桿強度對起重機的整體安全至關重要。以某公司一臺６００ｔ門式單桅桿起重機為分析對象，通過仿真和現場測試２種方式對其強度進行分析，判斷其結構強度是否滿足設計要求，起重機安全監控系統為該起重機的安全性評價提供依據。

1起重機基本參數

該起重機主桅桿由主桿、橫向連接桁架和上橫梁組成，主桅桿通過下鉸點與基座相連。主桿為桁架結構，由３種不同規格的無縫鋼管組成，每根主桿由５節９ｍ長的分段組成，分段之間通過法蘭和螺栓連接。２根主桿之間的橫向連接為桁架

結構，通過法蘭和螺栓與主桿相連。上橫梁為箱形結構，與主桿通過螺栓連接，如圖１所示

該起重機的載荷曲線如圖２所示，最小幅度為６.５ｍ，最大幅度２５ｍ。幅度在６.５～１９ｍ之間，起重機額定載荷為６０００ｋＮ，幅度為２５ｍ時，起重機額定載荷為３００ｔ。

2有限元仿真分析

2.1有限元模型建立建模采用自下而上的方法，即在Ａｎｓｙｓ前處理模塊中先建立點線面，然后進行網格劃分得到單元，在模型建立過程中采用國際單位制。對主桿和連接桿選用ｂｅａｍ１８８單元，該單元的設定基于鐵木辛哥梁結構理論，適合于分析從細長到中等粗短的梁結構，在單元設置中考慮了剪切變形的影響，非常適合線性、大角度轉動和并非線性大應變問題的模擬分析。根據主桿和橫向連接桁架的鋼管規格在單元設置中定義不同的截面，截面１為φ２７３ｍｍ×１８ｍｍ，截面２為φ１０８ｍｍ×６ｍｍ，截面３為φ１５９ｍｍ×１０ｍｍ，截面４為φ１９４ｍｍ×１０ｍｍ，截面５為φ８３ｍｍ×６ｍｍ，如圖３所示。

主桿的４根弦桿分５段靠螺栓連接，統一使用梁單元，５段連接處在有限元模型中采用剛性連接，網格劃分后主桿和連接桿共８０８個ｂｅａｍ１８８單元。起重機上橫梁為箱形梁結構，實際的頂部結構中有丁字形橫梁等復雜的內部結構，為了方便建立模型，而且箱形梁對于整個起重機桅桿結構來講并不是主要分析部位。所以，對上橫梁內部結構進行了簡化，采用１２ｍｍ厚的隔板代替箱形梁內部的復雜結構。

采用Ｓｈｅｌｌ６３單元模擬上橫梁結構，梁底部與桅桿連接的部位厚度為３０ｍｍ，其他厚度為１２ｍｍ，在模型中根據材質厚度的不同定義了１２ｍｍ、２５ｍｍ、３０ｍｍ３種實常數。起升和變幅４個定滑輪在模型中采用Ｓｏｌｉｄ４５實體單元進行模擬。根據結構的實際受力情況，實體單元Ｓｏｌｉｄ４５與Ｓｈｅｌｌ

３單元之間的連接應屬于鉸接連接，在模型中可直接使用ＭＵＲＧＥ命令把節點合并，保證２種單元連接的節點處只傳遞力而不傳遞力矩。劃分網格后模型共有２２８０個Ｓｈｅｌｌ６３單元，１２３２個Ｓｏｌｉｄ４５單元。網格劃分后的上橫梁如圖４所示。

箱形梁與主桿之間的連接即殼單元與梁單元之間的連接，由于殼單元的６個自由度與梁單元的６個自由度意義不同，因此，必須采用措施來耦合２種單元的自由度，采用梁單元插入法，即使梁單元插入殼單元一個單元長度實現兩者之間的連接。變幅拉繩采用Ｌｉｎｋ１０單元來模擬，該單元有不可壓縮特性而且具有大變形和應力剛化效應，因此比較合適。根據設計資料設其初始應力為０.０００１，單元實常數即截面積為５６.５ｍｍ２共劃分為２４個單元。

主桿和橫向連接桁架材質為１６Ｍｎ，上橫梁材料為Ｑ２３５Ａ，設置模型的彈性模量E＝２１００００ＭＰａ，密度為７８５０ｋｇ／ｍ３，泊松比為０.３，重力加速度g＝９.８ｍ／ｓ２。

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