在建筑施工阶段，材料垂直或水平运输一般需要塔式起重机的协同作业，特别是高层建筑施工。塔式起重机具有类似于桁架结构的特点，如侧向柔度大、阻尼小、对风荷载非常敏感等。2015年10月4日，18级台风“彩虹”在广东省湛江市坡头区沿海登陆，180多座塔式起重机倒塌，受损严重。因此，研究塔式起重机结构在强风作用下的受力方式、受力特点、响应特征对提高其安全可靠性具有重要实践意义。蔡柳鹤等 ^[1]通过实例分析强风作用下塔式起重机的受力机理;边晓伟等 ^[2]建立塔式起重机有限元模型，分析塔式起重机在作业过程中的共振现象;罗惠敏等 ^[3]选用某服役塔为研究对象，探究大高径比塔设备风共振分析设计校核方法;何君儒等 ^[4]、王宇航等 ^[5]、李彩霞 ^[6]均通过建立不同形式的塔式起重机有限元模型，分析不同杆架结点处的裂纹扩展寿命和不同初始角度裂纹对整体塔身的影响。

　　 本文通过自行简化设计塔式起重机，建立有限元分析模型，基于谐波合成法生成不同高度处的风速时程，并以结点荷载的形式加载至有限元模型结点上，分析不同风速、不同高度处的风致响应，得到风振系数。

　　 首先通过CAD3D ^[7]建立塔式起重机有限元模型，各杆件通过梁单元连接，绘制塔式起重机各杆件线条，对杆件只进行拉压刚度模拟 ^[8]，导入有限元软件ANSYS内，模型如图1所示。

　　 采用分块兰索斯法进行结构模态分析，计算得到前10阶模态频率分别为0.245 6,0.283 2,0.420 7,0.429 1,1.274 0,1.302 2,1.559 7,1.558 6,1.569 5,1.596 4Hz。

　　 结合前3阶模态振型可知，塔式起重机刚度较小，频率较低，且频率分布较密集;由于结构杆件较细，自下至上杆件截面相同，对于上部结构而言，下部构件刚度较小，造成塔式起重机自身扭转作用较大;塔式起重机弯曲变形较大，平面外刚度相对较小。

　　 图2所示为B类风场典型(参考高度10m，参考高度处风速10m/s)6个典型高度处通过谐波合成法模拟的脉动风速时程曲线。图3所示为B类风场风荷载平均风速剖面与湍流度剖面及10m高度处的脉动风速谱 ^[9,10]。

　　 利用谐波合成法生成脉动风速时程数据，塔式起重机塔身各结点脉动风速荷载计算如下:

　　 式中:ρ为空气密度，通常取1.25kg/m³;V(z)为塔式起重机在高度z处的风速时程;μ_s为体型系数(0°，45°，90°3个方向体型系数分别取1.625,2.02,2.2);A为塔式起重机各杆件投影面积。

　　 进行时域分析计算时，风荷载包括平均风荷载和脉动风荷载。取时程响应计算总时长为600s，时间步长为0.125s，取荷载子步为5步，并采用斜坡荷载。

　　 将塔式起重机3个不同的受力角度作为3种工况，工况1为来流顺着塔臂方向，工况2为来流与塔臂呈45°夹角，工况3为来流垂直于塔臂，如图4所示。

　　 将塔式起重机沿高度方向分为6段进行风振系数计算，每段高度依次为10,20,30,40,50,57.7m。

　　 B类风场下塔式起重机风致加速度响应时程曲线如图5,6所示。

　　 表1所示为基于时域计算得到的沿塔式起重机典型高度处的风振系数，为便于对比分析，同时给出风振系数规范值。由表1可知，风振系数随着高度的增加而增大，在质量集中的塔臂位置出现风振系数最大的情况;当来流垂直于塔臂时，风振系数最大，此时也是引起扭转荷载最大的角度，在弯扭荷载共同作用下往往发生塔身破坏。

　　 基于塔式起重机有限元模型，模拟B类风场下6 个典型高度结点处的风速时程、加速度响应时程、风振系数，得出以下结论。

　　 1)塔式起重机属于高柔结构，其振动周期长、频率低，且频率分布较密集，属于风敏感结构。

　　 2)塔式起重机承受风荷载时主要以一阶变形为主。

　　 3)塔顶最大加速度出现在0°风向角，达4.1m/s²;塔臂最大加速度出现在斜风作用时。

　　 4)塔式起重机在塔臂位置出现质量集中，风振系数出现局部放大;90°风向角下，塔臂段风振系数达2.31，数值计算值与规范值较吻合。