建筑施工塔吊吊臂振动抑制装置设计与风荷载适应性研究

一、塔吊吊臂风致振动机理与危害分析

（一）风荷载作用特性

塔吊吊臂作为典型的细长柔性结构，所受风荷载包括平均风荷载与脉动风荷载。平均风荷载产生静力作用，导致吊臂产生静态弯曲变形；脉动风荷载则具有随机性与周期性，引发吊臂的动态振动。其中，脉动风荷载中的涡激振动与颤振是导致吊臂大幅振动的主要原因：当气流绕流吊臂时，尾部会形成周期性脱落的涡旋，产生交替变化的侧向力，若涡旋脱落频率接近吊臂固有频率，将引发共振（涡激共振）；而在强风条件下，气流与吊臂的气动耦合作用可能导致颤振，表现为发散性振动，对结构安全性威胁极大。

（二）振动危害表现

1、安全风险：吊臂过度振动可能导致吊索摇摆加剧，引发重物碰撞或坠落；长期振动还会使吊臂连接螺栓松动、结构疲劳损伤，降低塔吊整体承载能力。

2、作业效率下降：振动导致吊臂末端定位精度降低，尤其在吊装精密构件或高空作业时，需多次调整位置，延长作业时间。

3、结构寿命缩短：交变应力作用下，吊臂材料易产生疲劳裂纹，增加维护成本与设备更新频率。

二、振动抑制装置设计思路

（一）被动控制装置设计

被动控制装置无需外部能源，通过结构自身阻尼或质量调整消耗振动能量。针对塔吊吊臂特点，设计两种核心装置：

1、调谐质量阻尼器（TMD）：在吊臂末端设置可调节质量块与弹簧阻尼系统，通过调整质量块参数使其固有频率接近吊臂主要振动频率，利用质量块与吊臂的反向运动抵消振动能量。TMD 结构简单、可靠性高，适用于抑制低频涡激振动。

2、粘弹性阻尼支撑：在吊臂分段连接处嵌入粘弹性材料层，利用材料的剪切变形耗散振动能量。该装置可增加吊臂整体阻尼比，抑制多阶模态振动，且不影响吊臂的正常转动功能。

（二）半主动控制装置设计

半主动控制装置结合被动装置的稳定性与主动控制的适应性，通过传感器实时监测振动状态，动态调整装置参数。设计基于磁流变阻尼器的半主动控制系统：

1、传感模块：采用加速度传感器与应变片监测吊臂振动幅值与应力分布，采样频率不低于 100Hz ，确保捕捉高频振动成分。

2、控制模块：基于模糊控制算法，根据振动信号实时计算最优阻尼系数，并通过电流控制器调节磁流变液的屈服强度，改变阻尼器输出力。

3、执行模块：将磁流变阻尼器安装于吊臂与塔身连接处，通过产生可控阻尼力抑制振动传递，响应时间控制在 50ms 以内，以适应风荷载的快速变化。

（三）装置集成设计

将被动与半主动装置进行集成：TMD 与粘弹性阻尼支撑作为基础抑制层，应对常规风荷载；磁流变阻尼系统作为自适应调节层，在强风或突发阵风时启动，形成 “双重防护”。装置总质量控制在吊臂自重的 5% 以内，避免增加过多额外载荷。

三、风荷载适应性研究方法

（一）风荷载模型构建

基于风工程理论，建立不同等级风荷载的数值模型：

1、平均风荷载：采用风压体型系数法计算，根据吊臂截面形状（如矩形、三角形）确定体型系数，结合基本风压与高度变化系数，得到不同高度处的平均风压值。

2、脉动风荷载：采用谐波合成法模拟，通过功率谱密度函数（如 Kaimal 谱）生成脉动风速时程曲线，转化为作用于吊臂的脉动风压，考虑风荷载的空间相关性与随机性。

（二）动力学仿真分析

利用有限元软件建立吊臂 - 抑制装置耦合模型，进行风荷载作用下的动力学仿真：

1、模态分析：计算吊臂的前 10 阶固有频率与振型，确定易发生共振的频率范围，为抑制装置参数设计提供依据。

2、瞬态响应分析：施加不同等级（如 6 级、8 级、10 级）风荷载时程，模拟吊臂振动位移、速度与加速度响应，对比有无抑制装置的振动幅值差异。

3、疲劳寿命分析：基于雨流计数法处理应力时程，结合材料 S-N 曲线，评估长期风荷载作用下吊臂的疲劳寿命，验证抑制装置对结构耐久性的提升效果。

（三）适应性优化策略

1、参数自适应调整：针对半主动控制装置，通过机器学习算法（如 BP 神经网络）训练风荷载 - 阻尼系数映射关系，实现不同风级下的阻尼参数自动匹配。

2、多模态抑制优化：采用遗传算法对 TMD 的质量、刚度参数进行优化，使其同时抑制吊臂的 2-3 阶主要振动模态，提升对宽频风荷载的适应能力。

3、极端风荷载保护机制：当监测到风速超过塔吊工作限值（如 10 级风）时，控制系统自动触发 “锁止模式”，通过磁流变阻尼器产生最大阻尼力，将吊

臂固定于避风姿态，降低风荷载冲击。

四、装置性能评价与优化方向

（一）性能评价指标

1、振动抑制效率：以吊臂末端最大振幅衰减率为核心指标，在 8 级风荷载下应达到 40% 以上，共振频率附近衰减率不低于 60% 。

2、响应速度：半主动控制装置的阻尼力调整延迟时间需小于 100ms ，确保对突发阵风的快速响应。

3、经济性：装置制造成本不超过塔吊总造价的 3% ，维护周期不短于 6 个月，适合工程实际应用。

4、可靠性：在 -20^∘C ＼～60℃温度范围、 90% 湿度环境下，连续工作无故障时间不低于 1000 小时。

（二）优化方向

1、轻量化设计：采用碳纤维复合材料制作 TMD 质量块与阻尼器外壳，在保证强度的同时降低装置重量，减少对吊臂承载能力的影响。

2、智能预测控制：引入风速预测算法（如基于 LSTM 神经网络），提前 5-10秒预判风荷载变化趋势，使抑制装置提前调整参数，提升控制精度。

3、集成监测功能：将振动抑制装置与塔吊安全监测系统融合，通过振动数据反演吊臂结构健康状态，实现 “抑制 - 监测 - 预警” 一体化。

五、结论

塔吊吊臂风致振动抑制需兼顾有效性与适应性，被动与半主动结合的装置设计可在复杂风环境下实现稳定的振动控制。通过风荷载模型构建与动力学仿真，能够优化装置参数并验证其适应性，为工程应用提供理论支撑。未来研究应聚焦于轻量化、智能化与功能集成，进一步提升装置的实际工程价值，推动塔吊在强风环境下的安全作业能力提升。

参考文献

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