動臂塔吊的發展歷程及應用

　　動臂塔吊(又稱俯仰臂架塔吊) 作為塔式起重機最原始的型式曾有過一段輝煌的歷史,從工業建筑到民用建筑, 從修造船廠到港口碼頭, 從鋼結構建筑到電站建設, 動臂塔吊都發揮了巨大的作用。回顧國外發達國家動臂塔吊的發展歷程, 不難看出, 動臂塔吊的發展不僅受一個國家及地區整體技術水平的限制, 同時又和經濟發展、文明程度等密切相關。

1 期的動臂塔吊

　　早期的動臂塔吊 二次世界大戰前, 塔吊的發展仍處于初級階段。在二次世界大戰之后, 由于戰爭帶來的創傷,各國都面臨著戰后重建, 有力地刺激了建筑機械的發展, 動臂塔吊也得到了飛速的發展。作為塔吊發源地的歐洲, 當時的塔吊發展水平代表著世界最高技術。在這一時期, 經濟剛剛恢復, 建設規模還較小, 建筑物的高度不大, 軌行式、下回轉的動臂塔吊一直占有統治地位, 其中最為流行的是德國利勃海爾(Liebherr) 和派納(Peiner) 公司制造的動臂塔吊。20 世紀60 年代末期, 法國波坦( Potain)制造的一種上回轉、小車變幅式塔吊開始取代了傳統動臂塔吊的地位。在20 世紀60 年代, 大中型塔吊中, 動臂塔吊的市場份額占近70 % , 而70 年代已降到了10 %。就塔吊的型式而言, 早期的動臂塔吊以下回轉為主流。

2 上回轉、自升式動臂塔吊

　　上回轉、自升式動臂塔吊20 世紀50年代,隨著經濟的發展和高層建筑比重的增加,出現了自升式動臂塔吊。例如, 1958年利勃海爾推出了一種上回轉、液壓控制動臂變幅的HB 系列“通用起重機”, 起重力矩從30t?m 到90t?m ,該型動臂塔吊都有較短的平衡臂, 在高層建筑工程中多臺塔吊可以聯合作業。與此同時, 日本的石川島( IHI) 為滿足本國市場的需求, 開發了一種管柱塔身的動臂塔吊,1958 年東京第一座35 層的大廈就使用了這種200t?m 塔吊。出于抗震的考慮, 日本的塔吊一向剛度較強, 至少在200t?m 以上塔吊, 他們的設計確有獨到之處。例如,塔身為圓筒型而不是方型截面桁架,吊臂根部較寬, 塔身節是在轉臺中心向上加高以便塔吊爬升。1964年,澳大利亞的法夫可( Favco)公司推出了一種類似的動臂塔吊, 該機型具有100t?m 以上的起重能力,不同的是它由柴油機驅動并由鋼絲繩控制配重的移動。1966年,法夫可又突破性地開發出了一種起重量可達45t 的大型自升式動臂塔吊STD2700,該塔吊可稱得上是后來所有大型自升式動臂塔吊的鼻祖,美國紐約世界貿易中心施工中曾用了8臺這樣的動臂塔吊。從某種意義上說,上回轉、自升式動臂塔吊的出現,標志著動臂塔吊進入了一個新時代。

3 小車變幅/ 動臂變幅的混合體

　　小車變幅/ 動臂變幅的混合體———折曲臂架塔吊澳托·凱塞爾(Otto Kaiser) 在20 世紀60 年代提出了一種不同尋常的塔吊概念—HBK 系列折曲臂架式塔吊。該系列塔吊在當時非常成功, 這種上回轉自升式塔吊融匯了小車變幅和動臂變幅塔吊的設計優點, 臂架可以折曲, 既可用作動臂變幅, 又可用作小車變幅, 而且平衡臂非常短, 50～100t?m級別塔吊, 平衡臂尾部的回轉半徑只有5.8～8m。當塔吊處于小車變幅臂架位置時, 其工作幅度最大。當仰起臂架時, 在不安裝額外塔身節的情況下, 其內側臂架在幾分鐘內就可轉變為增加的塔身高度。這種設計特點尤其適用于冷卻塔、電視塔及摩天大樓等建筑物的施工。與普通動臂塔吊相比,其優點是以小車變幅臂架工作時重物可平移和能耗低, 其主要缺點是在臂架仰起、最小幅度時的起重能力相對較低。冷卻塔基座部分直徑大, 需要塔吊以全部臂架幅度工作; 而冷卻塔上部變窄, 通過折曲臂架就可以把部分臂架轉化為額外的吊鉤高度,在不加錨固的情況下, 就可以把冷卻塔建得很高。當施工結束塔吊下降時, 通過折曲臂架, 全部塔吊都可以通過冷卻塔的圓錐形孔徑。繼凱塞爾之后, 利勃海爾和派納公司也研制出了折曲臂架式塔吊。在利勃海爾系列塔吊中, 有代表性的當屬180HC - K, 派納的產品系列中, 只有一種SKK140 型折曲臂架塔吊。通常, 高于200m 的大型冷卻塔, 都有很大的底座直徑, 若把塔吊安裝在冷卻塔中心, 即使臂長65m、起重能力200t?m級別的塔吊都滿足不了工作幅度的要求。這種情況下, 就得使用更長臂架的小車變幅式塔吊, 其吊臂要帶有折曲臂裝置, 以便降塔時塔吊能通過冷卻塔。這種折曲臂式塔吊功能多, 可滿足某些特殊要求, 但其制造成本較高, 所以這類塔吊并沒有十分流行。不過, 折曲臂架式塔吊的出現, 使小車變幅式和動臂變幅式塔吊的界限不再分明。

4 臂架伸縮式動臂塔吊

　　臂架伸縮式動臂塔吊一些汽車起重機制造廠, 如美國的格魯夫(Grove) 和馬尼泰克斯(Manitex) 公司, 把汽車起重機的上部結構裝在帶有自升系統的塔身上, 即把汽車起重機和塔吊有機地結合到一起, 這種變型的動臂塔吊不僅滿足了某些特殊市場的需求, 而且為動臂塔吊系列增添了新的活力。這種塔吊大多用在核電站工程, 其優點是能在空間有限的圓頂內工作。缺點是其結構顯得頭重腳輕, 工作時對塔身產生很大的側向力, 而且當吊臂伸長時, 載荷曲線會急劇下降, 所以這種伸縮臂的長度通常限定在20～30m。1985 年, 在法國核電站施工期間, 為滿足施工特殊性, 波坦公司設計制造了一種帶有EMA 提升裝置的上回轉自升式塔吊。其平衡臂尾部回轉半徑只有418m , 具有可伸縮的小車變幅臂架, 幅度可由16m 變為30m。當塔吊回轉到反應堆時, 需要避開拱頂, 該型塔吊借助于EMA 裝置, 有效地解決了這一空間問題, 仰起縮回的臂架就可以抬離拱頂而不需加高塔帽的高度。塔吊的最小工作幅度只有5m , 臂架抬高時可起吊2t ; 臂架水平時, 最大可起吊4t 。1990 年一臺這類塔吊還用于狹窄的倫敦市區工地。雖然這種臂架伸縮式動臂塔吊應用面較窄, 但卻為動臂塔吊的應用和發展開闊了新的思路。

5 動臂塔吊的改進

　　動臂塔吊的改進新興亞洲市場的高層建筑工程、新制定的領空權許可制度及跨占鄰居領地產生的糾紛等因素, 推動了各種類型動臂塔吊的改進和發展。幾乎歐洲每個塔吊生產廠家在設計時都考慮了這些因素, 研制出了相應的改型塔吊。對動臂塔吊而言, 當動臂變幅時, 由此會產生附加的靜載力矩, 平衡這一力矩會大大提高塔吊的起重能力。在機械上的解決方法是移動配重, 即吊臂仰起時, 使配重移向塔身; 吊臂俯降時, 使配重遠離塔身。這樣做的好處是:

　　(1) 動臂產生的靜載力矩可由移動的配重抵消;

　　(2) 通過移動配重、放低臂架可以減少風力的影響;

　　(3) 移動式配重能耗較小, 卻能使動臂變幅時產生的側向力大為降低。最初是采用鋼絲繩移動配重的方法, 1985 年利勃海爾在500HC 塔吊上應用了一種新型裝置, 替代傳統的鋼絲繩移動配重的方法。BKT 公司更是在75t?m 以上的所有型號動臂塔吊上都使用了配重移動裝置, 其結構更加輕便, 對運輸非常有利。

　　1989 年, 波坦公司在MR300 塔吊上應用了一種更復雜的配重移動系統, 當吊臂仰起時, 通過連桿的作用使配重移向塔身。1997 年, 意大利的康曼地(Comedil) 公司在CTL400 塔吊上應用了通過懸掛的配重、吊臂聯動裝置來移動配重的方法。20 世紀90 年代, 主要出于降低成本的考慮,歐洲大多數制造廠放棄了配重移動裝置, 比較典型的是法夫可公司, 他們在設計上作了較大的調整,把移動式配重都改為固定式配重。其理由如下:

　　(1) 動臂變幅時產生的靜載力矩靠移動式配重只能抵消20 %;

　　(2) 移動式配重需要額外的檢查及維護保養, 成本高;

　　(3) 移動式配重的研制成本高。

　　到目前為止,仍有一些塔吊制造商堅持采用移動式配重, 如派納和BKT公司等,不過和以前相比移動式配重設計得更加簡潔。

6 緊湊的設計動臂塔吊

　　日趨緊湊的設計動臂塔吊主要用于空間狹窄的工地, 今天的城市建筑工地以及工業場所, 如電站的整修、鬧市區的高層建筑、金融商務區的改擴建等施工條件特殊, 空間場地狹小, 所有這些都要求動臂塔吊盡量減小尾部配重的回轉半徑, 因此帶有較長平衡臂的老式動臂塔吊已經被短平衡臂的動臂塔吊所代替。托恩堡(Tornborgs) 繼S - 40 (7.6m 的平衡臂回轉半徑) 之后又推出了S - 46 型(4.6m 的平衡臂回轉半徑) 動臂塔吊, 充分說明了這一趨勢。另外, 過于寬大的司機室、回轉平臺及平衡臂走臺等越來越不受歡迎, 因為在高大建筑物旁降塔時會造成很大的不便。在設計階段, 制造廠商都不同程度地考慮了塔吊各大部件的尺寸, 既要利于安裝、拆卸, 又要便于運輸、存放。例如, 現今的動臂塔吊吊臂的臂節可以放入塔身節內運輸。由此可見, 緊湊化設計是當今塔吊設計非常明顯的趨勢。

7 大型動臂塔吊

　　大型動臂塔吊在鋼結構安裝和電站工程上的應用20 世紀70 年代, 發達國家的能源政策極力支持建設電站工程, 對塔吊行業提出了更高的要求,大型上回轉動臂塔吊可滿足施工要求。有的塔吊就是為了特殊的工程而專門研制的, 如德國克虜伯(Krupp) 的3220t?m 動臂塔吊, 該機的塔身截面為10 ×10m ,在46m 幅度時可起吊70t,在73m 幅度時可吊40t,其配重由三個18m高、充滿水的大水箱組成。

　　1992 年起重能力更大的貝萊利(Belleli)動臂塔吊問世, 僅配重就重達250t,能在20m 幅度時起吊700t,該機曾用于意大利的核電站施工。電站工程除了要求動臂塔吊具有非常大的起重量外,有的還要求其自立高度大。如1995 年德國的BlackPump 火電站用了幾臺1300t?m 的沃爾夫(Wolff )公司60140B 大型動臂塔吊, 該機除了非凡的起重能力外, 其最大的特點是自立高度可以達到90m。隨著經濟的發展, 大型鋼結構建筑日趨增多,中、小型動臂塔吊無法滿足要求, 這也使大型動臂塔吊得到了廣泛的發展及應用。大型鋼結構的安裝及電站的建設都大大促進了動臂塔吊向大型化方向發展。

8 動臂塔吊在民建工程上的應用

　　動臂塔吊在民建工程上的應用90 年代以來,各個國家及地區的文明程度日益提高,人們對環境的要求越來越高。在以前,塔吊吊臂在馬路上、鬧市區上空轉來轉去是司空見慣的事, 但現在在許多國家被禁止,即使許多中小發展中國家也對這一現象給予充分的重視。1994 年在馬來西亞首都吉隆坡市發生了一起重物脫鉤致使行人傷亡的事故,于是當地政府制訂了相應的法規, 禁止塔吊吊臂超出安全范圍到達馬路或鬧市區等。

　　受此限制, 許多建筑工地根本無法使用小車變幅式塔吊, 只能使用動臂塔吊,于是動臂塔吊在馬來西亞非常流行, 以至法夫可公司在馬來西亞投資辦廠生產動臂塔吊。在小車變幅式塔吊仍占主導地位的今天,動臂塔吊在大部分地區還處于配角地位,不過動臂塔吊有著小車變幅式塔吊不可替代的優越性。從世界范圍看,動臂塔吊不但沒有過時,反而在許多國家有流行的趨勢。在“中國上海國際建筑工程機械設備暨新技術展覽會”上,BKT公司在介紹其動臂塔吊時曾自豪地說:“我們的動臂塔吊系列是為21 世紀準備的,21 世紀將是動臂塔吊的世紀”。可以預見,隨著世界經濟的發展、城市建筑密集度的加大,動臂塔吊將發揮越來越大的作用。