塔式起重机起重臂结构设计：三角形矩形桁架与节段销轴连接要点

一、起重臂受力体系与吊点

• 受力：悬臂梁加双吊点拉杆
• 截面：三角形空间桁架为主
• 连接：分节制造销轴拼装
• 臂长：55m 档位可变至 35m

小车变幅的塔机起重臂是一根水平臂架，工作时按悬臂梁受力，靠两根刚性拉杆在双吊点处把它吊在塔帽上，吊点设在上弦杆，这是塔机臂架与桥式起重机主梁差别最大的地方。臂架承受的载荷分三类：起升载荷经变幅小车传到下弦杆轨道，臂架自重沿线分布，非工作状态还有风载荷。GB/T 5031-2019 与 GB/T 13752-2017 都要求按最不利组合叠加，起升动载系数取 1.0~1.5，工作状态风压取 250Pa，非工作状态风压取 800~1500Pa；GB 5144-2006 对锚定装置与风速仪的配置另有硬性规定，设计输入必须一并写进技术要求。

三种臂架形式要分清。QTZ 上回转塔机带塔帽和水平臂架，用拉杆把臂架吊成水平状态，力矩覆盖 250~10000kN·m、起重量 1~25t；平头塔机取消塔帽，臂架根部直接铰接在回转塔身上，适合城市密集区与厂房内作业；动臂塔机用俯仰臂变幅，臂架本身就是压弯构件，多见于超高层核心筒施工。按 GB/T 20863.1-2017 判定工作级别后，臂架形式不同，弦杆的受力性质也完全不同：QTD 的臂架以压力为主，QTZ 的臂架以上下弦轴力加弯矩为主，两者的图纸不能互相套用。

克鲁德技术团队在 2026年 的旧机改造项目里，先做的一件事是复核吊点位置与拉杆长度是否与原厂图纸一致。行业老手说，臂架的上翘值、拉杆预紧和吊点位置是三个连在一起的量，动一个就要重算其余两个；拆装记录不全的旧塔机，务必先按原厂说明书恢复，再谈提高起重量。变幅机构与臂架的配合细节，可对照QTZ63塔式起重机安装调试速查：基础预埋与标准节加节顶升试运行要点中的调试顺序一并核对。

二、三角形截面空间桁架构造

塔机起重臂绝大多数采用三角形截面的空间桁架结构，由三根弦杆加腹杆焊接成节段：两根上弦杆在顶部，一根下弦杆在底部，斜腹杆与竖腹杆把弦杆连成稳定的三角体系。下弦杆同时兼作变幅小车轨道，所以它既受轴向力，又受小车车轮的局部轮压弯曲，是整根臂架受力最复杂的杆件。截面之所以用三角形而不是矩形，是因为三角体系在同样用钢量下抗扭刚度更好、迎风面积更小，GB/T 5031-2019 要求的整机抗风稳定性也更容易满足。

弦杆的做法有讲究。常见工艺是用两根角钢拼焊成方管，也有直接采用无缝钢管的，规格如方管 80×80×4、圆管 φ89×4，壁厚 4~6mm，材质以 Q345B（现可按 Q355B 订货）为主；腹杆多用角钢 ∠50×5、∠63×5。55m 级的臂架，弦杆与腹杆沿长度方向分段变化，靠近塔身一段截面大，靠臂端一段截面小，这种变截面做法把材料集中用在弯矩最大的区段上，整根臂架自重能省下不少。按 GB/T 13752-2017 的构造要求，拼接接头要避开支座与吊点附近的应力集中区，同一截面上的对接焊缝不宜超过两条，相邻节段的接头错开距离不小于 500mm，否则整根臂架的疲劳强度会被接头削弱。排节段长度时把型钢定尺一起算进去，常用 9m 与 12m 两种定尺，按定尺倍数排料能把料头损耗压到 3% 左右，批量生产时这笔账很划算。

设计桁架臂要防两种失稳：腹杆的局部失稳和上弦杆的整体压弯失稳。按 GB/T 13752-2017 的稳定验算条款，受压杆件的计算长度与长细比要按实际约束条件取，行业老手说，腹杆长细比超过 150 就要重新选截面，细长的斜腹杆在拉压交替下最先出问题。桁架这种以杆系受力为主的结构，与桥式、门式起重机主梁的选型逻辑有相通之处，可参照起重机桁架式主梁结构形式对照：三角形梯形空腹平行弦四种方案怎么选里的截面比较方法。

三、节段划分与销轴连接

起重臂在工厂按节制造，55m 级臂架通常分成 8 节左右，节与节之间用销轴连接，第一节与塔帽同样用销轴铰接，运输时可以拆散、现场按需要组合。每节的两根上弦杆和一根下弦杆各自设接头，接头处销轴规格并不相同，常见的有 φ35 专用销轴、φ40 销轴。销轴连接的好处是装拆快、可以重复使用，代价是接头处存在间隙，反复受力后孔壁会磨损，按 GB 5144-2006 的检查要求，接头部位属于日常检查的重点。

销轴与销孔是整根臂架上最需要盯的细节。检查要点有三条：销轴表面不允许有裂纹和深度超过 0.5mm 的锈蚀蚀坑；销孔磨损后孔径扩大量超过原孔径的 3% 至 5% 就要修孔并加大一级销轴；开口销或弹簧卡必须齐全，缺一件都不能起吊。安装顺序上，先对正下弦杆接头穿下弦销轴，再连接上弦杆与塔帽，最后装拉杆；拆臂时顺序相反，顺序错了臂节会别劲。

克鲁德重工在生产中要求每台臂架在车间完成预组装和校正，接头同轴度、臂架直线度和上翘值一次调到位再出厂，出厂前按 GB 5144-2006 逐项做空载动作试验。行业老手说，车间调好的直线度到工地往往保得住，现场靠垫片硬凑出来的精度，用不了几个月就散了，返工一次的代价远高于出厂前多花的那 2~3天。

四、变臂组合与臂长调整

塔机的臂长是可以改的。以 QTZ63 级塔机为例，额定起重力矩 630kN·m，标准臂长 55m，向下可以组合成 50m、45m、40m、35m 等档位，办法就是减少臂节数量并相应调整拉杆长度；QTZ80 的力矩为 800kN·m，QTZ125 为 1250kN·m，QTZ160 为 1600kN·m，档位越多，出租方对场地的适应性越好。型号 TC5610 的含义是臂长 56m 处臂端起重量 1.0t，TC6013 是 60m 处 1.3t，TC7015 是 70m 处 1.5t。同一台塔机缩短臂长后，臂端能吊的重量反而提高，这是起重力矩守恒的直接结果。以 TC5610 为例，臂长 56m 时臂端起重量 1.0t，缩到 40m 档位臂端可吊到 1.6t 以上，提升幅度随档位逐级递增，这也是同一台塔机在不同工程上被报出不同吨位的原因。

变臂不是简单拆几节。臂长缩短后臂架自重减轻、重心内移，平衡臂上的配重、拉杆长度和变幅小车行程限位都要跟着改，起重量限制器的力矩曲线也要按新臂长重新设定。JGJ 196-2010 对臂长改造有明确要求，凡属改变主要技术参数的，须由原制造单位或有相应能力的单位出具方案，不能凭经验在现场切割；改造完成后还要按 TSG 51-2023 履行告知手续并做载荷试验，试验记录保存不少于 3~5年。

臂长选择本质上是场地账。覆盖半径大而吊重小的高层住宅，长臂更划算；吊重集中在近处的工业厂房，短臂能换来更大的臂端起重量和更小的风载面积，配重也可减少。行业老手说，选臂长先画一张以塔身中心为圆心的覆盖图，把最重构件与最远构件的位置标上去，再回头定臂长，比先定臂长再想办法改方案顺得多。

五、弦杆腹杆钢材与截面选用

GB/T 13752-2017 对材料的要求是：主要承载结构件宜采用力学性能不低于 GB/T 700 规定的 Q235 或 20 钢的钢材，也可采用力学性能不低于 GB/T 1591 规定的 Q345 高强度钢。工程上，臂架弦杆多用 Q345B 或 Q355B，屈服强度 355MPa；一般腹杆与次要节点板可用 Q235B，屈服 235MPa。按许用应力法，Q235B 的许用正应力约 215MPa、许用切应力约 125MPa，Q355B 分别约 305MPa 和 175MPa，选材时先看受力性质，再看价格与订货周期。如果工程要求更薄的截面，可以改用 Q420B 一类更高强度的钢材，按 GB/T 1591 订货，但要同步复核节点构造与焊缝强度，高强钢对缺口更敏感，焊接工艺要求也更高。

截面选用的经验值：臂架三角形截面高度按臂长的 1/20~1/30 取，55m 臂取 1.8~2.2m；弦杆用双角钢拼焊方管或无缝钢管，下弦杆因为要兼作变幅小车轨道，多用尖角方管，壁厚不小于 5mm，常用 6mm。腹杆长细比控制在 120~150 以内，斜腹杆与弦杆的夹角取 40~60 度受力最合理，夹角过小、长度过短的腹杆反而容易在节点处开裂。一台塔机的设计寿命按 20~30年 计算，臂架弦杆的壁厚与节点构造要按这个年限来配。

钢材的低温性能不能忽略。工作环境温度低于 -20℃ 时，Q345B 的冲击韧性下降明显，应改用 Q355D 或 Q355E 这类低温冲击合格的牌号；沿海高湿环境还要预留腐蚀裕量，弦杆壁厚可比计算值加大 1mm，涂层体系按 GB/T 6067.1-2010 的防腐要求执行。克鲁德重工的安全标准要求把工作环境温度、腐蚀等级和疲劳等级三项写进技术协议，作为选材的输入条件，避免后期返工。

六、结构验算与缺陷排查

臂架验算按三件事做：强度、刚度和稳定性。强度上，正应力 σ=M/W 与轴向应力叠加后不超过许用应力，结构安全系数不低于 1.5；刚度上，臂架在额定起重量作用下臂端的下挠值要满足标准限值，安装后无载荷状态应保留一定上翘度；稳定性上，受压弦杆要按压弯构件验算，安全系数与计算长度系数按 GB/T 13752-2017 与 GB/T 3811 取值。三项都过，臂架才算设计完成。

在役臂架的缺陷有固定套路：弦杆局部弯曲或凹陷、腹杆鼓出失稳、节点焊缝出现裂纹、销孔由圆变椭圆、下弦杆轨道面磨损或压痕超过 1mm、臂架整体旁弯超过 20mm。排查时先看直线度与旁弯，再逐个接头量销孔，最后用渗透探伤看焊缝。据克鲁德重工实测，旧塔机臂架的缺陷中，销孔磨损与腹杆节点裂纹合计占一半以上，这两处恰好是日常点检最容易跳过的位置，也是 GB 5144-2006 与 TSG 51-2023 都点名的必检部位。这些缺陷之间还有传递关系：销孔磨损会让臂节接头产生微小转动，弦杆弯矩随之增大，时间一长就表现为局部弯曲与旁弯超限，因此发现销孔超差的塔机，必须把弦杆直线度一起复测，蚀坑深度超过 0.5mm 的销轴不能只打磨继续用，更不能只换销轴了事。

检查周期建议按工作级别定：A4~A5 级连续作业的塔机每月做一次外观与销轴检查，每 90天 量一次臂架直线度和上翘值；经历超载、碰撞或台风后的臂架，必须停用并做一次全面检查，包括按 JGJ 196-2010 要求复核垂直度与附着状况，确认无异常再复工。结构受力的量化分析可以借助有限元，流程可参照起重机主梁有限元分析4步流程：建模简化边界条件与应力评定标准中的建模与应力评定步骤。

常见问题解答

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