盖高楼(盖高楼游戏)

风荷载仿真，高楼施工的塔式起重机吊臂，能否经受得住风的考验？

文 |九鼎鉴史

编辑 |九鼎鉴史

近年来各类大体量的高层、超高层建筑发展迅速， 塔式起重机是建筑建造施工过程中的关键机械设备 ， 塔式起重机的塔身和吊臂为格构式结构，截面挡风面积虽较小，但强风下塔吊结构的风 毁事故频繁发生，塔吊结构的抗风安全问题不容忽视。

吊臂风荷载

吊臂风荷载是指在塔式起重机施工过程中由风力所引起的荷载，在高层建筑的施工中，塔式起重机扮演着重要的角色，能够完成各种吊装和运输任务，然而，高层建筑地区常常伴随着强风的环境，风力会对塔式起重机的吊臂产生作用力，这就是吊臂风荷载。

吊臂风荷载在塔式起重机施工过程中具有极高的重要性，对塔式起重机的结构安全产生直接影响。

当强风吹袭时，风荷载会在吊臂上产生巨大的力量，对整个起重机结构造成负荷，可能会引发结构失稳、破坏甚至倒塌的风险，因此，在塔式起重机的设计和施工中，合理估计吊臂风荷载是确保结构安全的关键。

吊臂风荷载对塔式起重机的操作性能和稳定性也具有重要影响，风荷载会造成塔式起重机吊臂振动、摇晃，增加了操作员的难度，降低了施工效率，同时，如果吊臂受到过大的风荷载作用，可能导致负载的偏斜、摆动或甚至脱离控制，从而造成严重的施工事故。

为了解决吊臂风荷载带来的问题，人们开展了大量的研究和数值模拟工作，通过对吊臂风荷载的数值模拟，可以评估起重机结构的安全性能，优化吊臂设计参数，提高起重机的抗风能力。

同时，数值模拟还可以帮助预测吊臂在不同风速下的振动特性，辅助操作员进行施工计划和操作方案的制定，提高施工效率和安全性。

实验过程

某在建高层建筑位于珠海横琴岛，建筑总高约 260 m，水平截面尺寸为45 m×36 m，角部切角率为10%，采用外爬升式平头型附着式塔吊，塔身K型标 准节高3.12 m，吊臂为三角形桁架，塔吊吊臂一般悬挑长度较长，且处于施工建筑顶部复杂的流动分离区。

此外该建筑所处位置在台风季，遭遇台风的概率较高， 台风登陆时，强风可能引起塔吊的抗风安全性问题， 运用CFD数值模 拟方法，借助雷诺平均Realizable k-ε湍流模型，研究 该塔吊施工过程中吊臂处于不同工作位置时的风荷载。

塔吊结构抗风属于黏性不可压缩钝体绕流问题 ，此次研究采用基于时间平均的RANS方法，流体控制方程如下 ：

式中：Ui、x i(i， j=1，2，3)分别为三个方向速度分量时 均值和坐标分量；P为压力时均值；ρ为空气密度；υ为 动力黏度常数。

雷诺应力为N-S方程均化处理后多出的未知量， 需要建立模型使方程组（1）封闭 ，文章采用Realiz able k-ε湍流模型，方程求解采用分离式方法，方程对 流项采用二阶迎风格式离散，计算收敛准则取残差值 为5×10- 4。

塔吊位于建筑长边侧，考虑结构对称性，CFD数 值模拟中，研究了吊臂的5个工作位置，相应夹角β 分别为0°、30°、45°、60°和90°，每个吊臂位 置均进行风向角α=0°～345°（间隔15°）的24个 风向的数值模拟计算，共计5×24=120个工况。

为确保模型阻塞率不超过5%，根据建筑和塔吊尺 寸，确定CFD数值模拟计算域大小为：流向×展向× 竖向=15H×9H×5H（H为塔吊顶部高度），计算域的 离散采用区域分块网格。

在建筑和塔吊附近采用加密 的非结构化网格，最小网格尺寸为1/1 300H；计算域 还给出了计算域的边界条件设置，根据结构所处地貌、 入口处数值模拟了A类地貌风场。

结果与讨论

下面主要对比分析吊臂节段沿x轴和y轴的气动 力系数CF x、C Fy，其定义分别为：

式中：Fx和F y分别为塔吊节段沿x轴和y轴的风 力，需要说明的是，图2中 坐标原点位于地面上的塔身中心位置处，为便于显示， 将其放在了其他位置；Ax和A y分别为吊臂节段在x轴 和y轴方向的投影面积；UH为模型顶部来流平均风速。

在0°风向角情况下，吊臂旋转至与建筑短边（吊 臂夹角β=0°）方向一致时，沿x轴和y轴节段气动力 系数随其位置的变化而变化，为便于分析，给出了流向纵剖面流线图，风压系数Cp以高度H 处来流平均风速UH无量纲化。

（1）查阅气动力系数可知，吊臂沿两个坐标轴方 向的气动力系数值范围在-2.3～1.7，不同位置出气 动力系数值有所差异，沿x轴方向气动力系数CF x。

在 平衡臂与吊臂交接处的9#节段、吊臂25#节段处数值 较大，最大值为1.7；沿y轴气动力系数CF y，在11#～ 23#节段为负值，其中18#节段可达-2.3，而其他位 置则接近0。

（2）在该风向角下，来流气流受建 筑迎风面阻挡（在建筑迎风面区域形成正压），部分气 流向建筑顶部流动并在建筑顶部发生显著的流动分离 现象。

在建筑顶部形成大尺度的分离涡，在建筑顶部 区域形成压力梯度变化较大的负压区，塔吊的吊臂指 向与流动方向一致，且吊臂11#～23#节段总体上处 于建筑顶部的流动分离区，使得该部分气动力变化较 为显著。

（3）吊臂各节段沿y轴气动力主要由迎、背风面 风力叠加，以上情况使得其合作用力沿流向方向。

导致11#～23#号节段沿 y轴的气动力系数CF y值为负，数值也相对较大，对于 吊臂各节段沿x轴的气动力而言，由于吊臂各节段顶 面均布置有斜杆，各节段沿流向并非对称分布，导致 合力沿x轴正方向，且总体上数值也较大。

吊臂不同节段处风荷载情况也 不尽相同，文章选取沿x轴和y轴气动力系数相对较 大的3个节段（平衡臂9#节段和吊臂18#、25#节段）， 在吊臂工作过程中3个位置（吊臂夹角β=0°、30°、 60°）条件下，风向角对吊臂节段风荷载的影响如图。

吊臂处于不同工作位置时，风向角对吊臂节段两 个坐标轴方向风荷载均有显著影响，具体从各节段气 动力系数受风向角的影响情况来看，对于图中的3个 工作位置，9#节段气动力系数值随风向角的变化幅度 最大，25#节段次之，18#节段变化幅度相对最小。

吊臂节段风荷载受风向角影响比较敏感的原因主要体现在：在不同来流风向下， 建筑顶部的流动分离程度和周围的流场状态不尽一致， 造成气流作用于吊臂各节段的风效应也不同；加之吊 臂悬挑长度大，使得各节段受建筑顶部复杂分离气流 的影响而明显不同。

塔吊在施工过程中，吊臂要根据需要转动至不同工作位置，结果表明不同工作位置时吊臂节段风荷载受风向角影响显著不同。

取对吊臂节段沿两个坐标轴风荷载影响较为显著的风向角（α=45°、 90°、150°），研究吊臂工作位置对节段风荷载的影响， 典型风向角情况下，吊臂节段x轴和y轴气动力系数随工作位置夹角的变化而变化。

吊臂节段风荷载受工作位置影响显著，总体上， 考虑的吊臂夹角情况下，对于沿x轴和y轴的气动力 系数而言，当吊臂夹角β=60°时，数值的绝对值均 相对较大，而当吊臂沿建筑短轴和长轴方向β分别为 0°、90°时，则数值的绝对值相对较小。

可见，吊臂处于斜向工作位置时受力相对较不利，以上情况的主要原因是，即使在同一风向角情况下，当吊臂工作角度发生变化时，吊臂节段周围的流场情况将随之发生显著改变，导致作用于其表面的风荷载也将发生明显 改变。

采用CFD数值模拟方法，研究分析了高层建 筑施工过程中塔吊吊臂工作位置对吊臂风荷载的影响， 得到的主要结论如下：

（1）吊臂节段表面的风压分布不均匀，不同位置 处的节段风荷载不相同，容易受来流风向角和吊臂工 作角度影响，当吊臂于建筑轴向有夹角时气动力系数 值相对较大。

（2）吊臂处于在建建筑顶部且悬挑长度长，不同 节段周围流场受建筑影响不尽相同，且对来流风向和 吊臂工作位置变化敏感，在强风或来流风速发生突变时，吊臂节段风荷载可能发生显著变化，导致塔吊受风破坏。

结论

通过数值模拟方法研究了高层建筑施工中塔式起重机吊臂在风荷载作用下的受力情况，研究结果表明，风荷载是影响塔式起重机安全性的重要因素，需要在设计过程中进行合理考虑，未来的研究可以进一步探究其他因素对风荷载的影响，提出更加精确的数值模拟方法，并结合实际工程案例进行验证。

参考文献

[1] 殷晨波，张燕娜.“莫兰蒂”强台风塔机倒塌分析及防台风措施建 议[J].建筑机械化，2017，38(1):19-22.

[2] 柯世堂，王浩.超高层连体建筑风荷载干扰效应大涡模拟研究[J]. 湖南大学学报(自然科学版)，2017，44(5):53-62.

[3] 孙相雨，张明亮，陈伏彬.格构式塔吊结构风荷载数值模拟研究[J]. 建筑施工，2019，41(8):1565-1568.

眼见他起高楼，眼见他宴宾客，眼见他楼塌了，恒大之殇！谁的错？

“眼见他起高楼，眼见他宴宾客，眼见他楼塌了”。明朝的孔尚任一语中的。

9月28日晚间，中国恒大公告称，接到有关部门通知，公司执行董事及董事会主席许家印先生因涉嫌违法犯罪，已被依法采取强制措施。

同日稍早些，“恒大系”港股上市公司中国恒大、恒大汽车、恒大物业在港交所集体暂停交易。

恒大之殇，是许家印一手造成的。这个农民家的孩子，在踩中楼市暴涨的行情后一夜暴富，拿着几十亿的本金，通过循环贷套出银行几百亿资金，用这几百亿加杠杆撬动了2.4万亿的资金，然后楼修了一半，发现楼市急转直下，才又发现，融资已被挥霍一空。恒大的倒下原因非常多，但，当人民大会堂前人人都叫他许主席，当自家的报纸把他捧到神一般的地位时，当穷奢极欲已经稀松平常的时候，当他欣然接受这一切的时候，劈他的雷，已经在路上了。

人在握有权利的时候，往往会产生一种自己无所不能的错觉。手里的权力越大、所处的高位越久，错觉就越上头。积善之家，必有余庆，积不善之家，必有余殃。人类从历史中得到的唯一教训，就是人类从来没有在历史中得到教训。狗改不了吃屎，才是人性。以铜为镜，可正衣冠；以古为镜，可知兴替；以人为镜，可明得失。以此自勉。

要盖一座高楼，必须用比它更高的塔吊，那塔吊又是怎么建起来的？

当一块空地上竖起一座座塔吊，我们就知道又要有一座高楼拔地而起了，要盖楼，塔吊是必不可少的，一座30米的塔吊，是不可能盖出40米的高楼的，那么问题来了，盖高楼需要塔吊，那塔吊又是靠什么建起来的呢？

会不会是在地面上制造好，然后再立起来的呢？当然不会，因为这样做也太过笨拙了，而且想要竖起如此庞然大物，难度是可想而知的，要在平地上制造这么大的东西，必然需要一块面积极大的专用场地，就算真的能够竖起来，也无法把它运到工地去。所以塔吊的建造地点只可能是盖楼的施工现场。只要注意观察，我们就会发现，施工现场的塔吊并不是从一开始就那么高的，它的高度似乎在随着大楼的增高而逐步增高，也就是说塔吊的建造过程伴随着整个施工进程。

要在施工现场建造塔吊，首先必须要打造一个牢固的地基，也就是先挖坑，再打桩，最后浇筑钢筋混凝土，有了牢固的地基之后，便可以在上面拼装塔吊了。

塔吊其实是一种构造非常简单的施工设备，从侧面看上去就是一个十字，这个十字下面的一竖就被称之为塔身，上面的一竖则被称之为塔尖，左右两横，一个是吊臂，另一个则是平衡臂，在十字的中心位置安装有一个转台，依靠转台，塔吊便可以实现360度旋转，而塔吊的驾驶舱也位于转台上。要组装塔吊，首先就要组装塔身，塔吊的塔身其实并不是一个整体，而是由一个个桁架构件拼装而成的，每一个桁架构件就被称之为一个“标准节”，这个标准节就类似于竹子上的一段段竹节，当它们摞在一起，塔身就组装完成了。

组装塔吊通常都是使用移动式吊车，而移动式吊车的高度我们都是有目共睹的，跟塔吊是没法比的，所以最初组装而成的塔身高度非常有限。

有了矮锉版的塔身之后，就可以在上面安装转台了，之后再在转台之上安装塔尖，再把平衡臂和吊臂安装在转台的左右两端，为了降低平衡臂和吊臂所受的压力，还会通过拉杆将它们悬挂在塔尖上，如此，一个塔吊就建造完成了。此时的塔吊和在工地上忙碌的塔吊已经一模一样了，唯一的区别就是“又矮又挫”，那么这个矮锉版的塔吊是如何长高的呢？这就需要用到一个装置了，这个装置叫做“爬升架”。所谓爬升架就是一个开放的标准节，它的长度和一个标准节相等，刚好可以套在标准节的外围，类似于给水杯套了一个水杯套。

爬升架并非四面封闭的，而是有一面呈现开放式，所以爬升架可以从塔身底部套在第一段标准节上，之后便从塔身底部向上滑动至转台底部，此时它就可以接替最高一段标准节的工作，拖住转台。

关键的地方到了，爬升架会通过液压杆向上托举转台，直至顶出一个标准节的空位，此时一段新的标准节会通过爬升架开放的一面滑入，安装固定之后，塔吊便长高了一个标准节，如此反复操作，塔吊就会越来越高了。塔吊建好之后就可以开始建造大楼了，此后只需要根据大楼的施工进度，再逐步加高塔身就可以了。知道了塔吊是如何建造起来的，还有另外一个问题等待着我们，那就是塔吊为什么不会倒呢？因为塔吊有平衡臂吗？只有平衡臂是不够的。

塔吊有一条吊臂和一条平衡臂，二者一长一短，在平衡臂的尾部有着几块巨大的混凝土配重，目的就是使塔吊保持平衡，但问题是平衡臂的长度是固定的，混凝土配重的重量也是固定的，但塔吊所吊的货物重量却不同，怎么能够始终保持平衡呢？

我们知道像塔吊这种结构的物体想要保持平衡，就必须使左右两侧的力矩保持相等，而力矩就等于力臂的长度乘以物体的重量，平衡臂这边的力臂长度和重量都是不可变的，也就是说力矩是一定的，而吊臂那边的物体重量是变动的，所以要保持平衡，就必须让力臂的长度也变起来，所以塔吊上负责起吊物体的载重小车是可以在吊臂上前后移动的。根据所吊物体的重量不同，载重小车会调整力臂的长度，以保持吊臂这边的力矩和平衡臂那边是相等的，因此塔吊才能够屹立不倒。