免結(jié)構(gòu)加固的大型爬升塔吊外掛支承裝置*

賈寶榮 吳欣之 陳曉明 俞嬡妍

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

0 引言

在現(xiàn)今的超高層建筑施工中，由于建筑物實(shí)際尺寸或?qū)嶋H施工條件的限制，塔吊往往只能外掛于建筑物外部，利用自身爬升裝置沿所依附的建筑物完成垂直爬升作業(yè)。為了外掛固定及塔吊爬升，需要在已建成的建筑物核心筒墻體上設(shè)置外掛支承結(jié)構(gòu)，從而將外掛塔吊的荷載安全可靠地傳遞至建筑物核心筒結(jié)構(gòu)。但是目前的塔吊外掛支承結(jié)構(gòu)體系對(duì)所依附的主體結(jié)構(gòu)要求較高，往往需要對(duì)主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足的局部區(qū)域進(jìn)行加固處理，此外塔吊外掛支承結(jié)構(gòu)本身也存在較大的優(yōu)化空間，因此亟待改進(jìn)現(xiàn)有爬升塔吊的外掛支承結(jié)構(gòu)，以解決上述問(wèn)題。

本文從上海中心大廈鋼結(jié)構(gòu)工程的實(shí)際需求出發(fā)，以4臺(tái)大型塔吊作為研究對(duì)象，結(jié)合主體結(jié)構(gòu)體系，創(chuàng)新研發(fā)了一種免結(jié)構(gòu)加固的大型爬升塔吊的外掛支承裝置。

1 大型塔吊選型及布置

對(duì)上海中心大廈鋼結(jié)構(gòu)工程的平面布局、結(jié)構(gòu)特征、場(chǎng)地環(huán)境、機(jī)械性能和數(shù)量需求進(jìn)行綜合分析，同時(shí)結(jié)合“對(duì)稱分區(qū)、性能覆蓋、高效有序”的布置原則，最終選擇了4臺(tái)大型動(dòng)臂式塔吊作為主樓鋼結(jié)構(gòu)吊裝的起重設(shè)備。4臺(tái)塔吊由3臺(tái)M1280D塔吊和1臺(tái)ZSL2700組成，起重力矩分別為24 500 kN·m和27 000 kN·m，塔身懸臂高度達(dá)到40 m，最大起重質(zhì)量達(dá)到100 t。4臺(tái)塔吊呈十字對(duì)稱布置，外掛于核心筒墻體外側(cè)，如圖1所示，不僅最大限度地避免了群塔施工的相互干涉，而且增加了吊裝半徑，提高了吊裝效率[1,2]。

2 塔吊外掛支承裝置的改進(jìn)與創(chuàng)新

2.1 傳統(tǒng)外掛支承裝置

圖1 4臺(tái)大型動(dòng)臂式塔吊平面布置

傳統(tǒng)的爬升塔吊外掛支承裝置由爬升梁、水平支撐、斜向支撐等部分組成，如圖2、圖3所示，其中水平支撐和爬升梁處于同一平面，爬升梁與斜向支撐處于同一立面。和爬升梁處于同一平面，爬升梁與斜向支撐處于同一立面。塔吊荷載傳力路徑如下：塔吊工作時(shí)和非工作時(shí)的荷載通過(guò)C形框?qū)⒑奢d傳遞至爬升梁上，其中水平荷載由爬升梁和水平支撐傳遞至核心筒結(jié)構(gòu)，垂直荷載由爬升梁和斜向支撐傳遞至核心筒結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)塔吊爬升支承裝置的傳力存在如下缺點(diǎn)：

1）爬升梁和水平支撐會(huì)向核芯筒翼墻傳遞較大的水平拉壓力，翼墻的強(qiáng)度往往無(wú)法滿足要求，需要進(jìn)行墻體加固；

2）斜向支撐會(huì)向核芯筒翼墻傳遞較大的水平壓力，翼墻的強(qiáng)度往往無(wú)法滿足要求，需要進(jìn)行墻體加固；

3）斜向支撐與爬升梁的連接位置選擇不合理，造成爬升梁受力較為復(fù)雜，往往使得爬升梁設(shè)計(jì)不夠經(jīng)濟(jì)，同時(shí)帶來(lái)爬升梁且與核心筒連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)難度的增加；

4）隨著爬升支承裝置所依附的核心筒翼墻厚度的減小，外掛塔吊的中心與核心筒外墻壁的距離將增大，傳統(tǒng)的塔吊外掛爬升支承結(jié)構(gòu)在具體實(shí)施時(shí)均需要對(duì)爬升支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，保持塔吊重心不變，以滿足外掛塔吊的爬升和平移工藝要求[3,4]。

圖2 傳統(tǒng)的外掛支承裝置立面示意

圖3 傳統(tǒng)的外掛支承裝置 平面示意

2.2 外掛支承裝置的改進(jìn)研究

對(duì)傳統(tǒng)爬升塔吊外掛支承裝置缺點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的研究，研究思路如下：對(duì)爬升梁與水平支撐組成的平面支架系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，將塔吊的水平荷載通過(guò)改進(jìn)的平面支架直接傳遞至核心筒翼墻與腹墻連接區(qū)域，核心筒翼墻將不產(chǎn)生附加彎矩，以免因抗彎剛度不足所產(chǎn)生的墻體加固；對(duì)斜向支撐與爬升梁連接點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化，使得爬升梁的彎矩分布更為合理。主要的改進(jìn)創(chuàng)新如下：

1）外掛支承裝置的水平傳力系統(tǒng)（爬升梁和水平支撐）演變?yōu)槠矫嬷Ъ芟到y(tǒng)（水平桁架），抗彎和抗扭剛度得到加強(qiáng)可以有效地承受塔吊產(chǎn)生的水平荷載，并將荷載直接傳遞至核心筒翼墻和腹墻節(jié)點(diǎn)區(qū)域，且平面支架系統(tǒng)與核心筒的連接節(jié)點(diǎn)由原先的4個(gè)演變?yōu)?個(gè)，受力更為直接和可靠；

2）外掛支承裝置的斜向支撐與核心筒連接節(jié)點(diǎn)也由原先的翼墻位置移至翼墻和腹墻節(jié)點(diǎn)區(qū)域，受力更為直接和可靠；

3）將斜向支撐與爬升梁連接位置由最外側(cè)移至塔身中心位置，爬升梁彎矩更趨平衡，塔吊的垂直荷載全部由斜向支撐承擔(dān)，受力更為直接；

4）增加斜向拉桿，并采用后張拉預(yù)應(yīng)力的方式減小斜向支撐的軸壓力，提高整體的安全冗余度；

5）在原先外掛支承裝置的基礎(chǔ)上增加了塔吊高空平移功能，以適應(yīng)核心筒翼墻厚度減小，避免了施工作業(yè)過(guò)程中對(duì)爬升支承裝置的平面支架系統(tǒng)的改造。

改進(jìn)后的外掛支承裝置如圖4、圖5所示。

圖4 改進(jìn)后的外掛支承裝置立面示意

圖5 改進(jìn)后的外掛支承裝置 平面示意

2.3 新型外掛支承裝置

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的外掛支承裝置進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)后，研發(fā)出一種新型的爬升塔吊外掛支承裝置。采用“下?lián)紊侠健钡慕Y(jié)構(gòu)體系，由平面支架、斜向支撐、斜向拉桿三部分組成，其中平面支架承受塔吊傳遞的水平力和扭矩，斜向支撐桿承受塔吊傳遞的垂直力，斜拉桿待塔吊爬升完成之后通過(guò)后張預(yù)應(yīng)力的方式減小支撐桿件的受力，增加安全冗余度。平面支架采用桁架形式，一端通過(guò)牛腿連接在核心筒翼墻與腹墻節(jié)點(diǎn)區(qū)域上，另一端由斜向撐桿和斜向拉桿共同支承。斜向撐桿和斜向拉桿兩端均采用銷軸連接形式。斜向拉桿與斜向支撐與核心筒翼墻連接節(jié)點(diǎn)采用同一節(jié)點(diǎn)，可以最大限度地平衡節(jié)點(diǎn)受力。平面支架與核心筒翼墻的連接節(jié)點(diǎn)如圖6（a）所示，斜向支撐與斜向拉桿與核心筒連接節(jié)點(diǎn)如圖6（b）所示。

圖6 新型外掛支承裝置與主體結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)

另外，隨著爬升支承結(jié)構(gòu)所依附的核心筒翼墻厚度的減小，外掛塔吊的中心與核心筒外墻壁的距離將增大，本文立足于不對(duì)支承裝置進(jìn)行改造的原則進(jìn)行創(chuàng)新研究，研發(fā)出一種在支承裝置的平面支架上使用千斤頂同步頂推實(shí)現(xiàn)塔吊高空平移的施工方法及配套裝置，從而實(shí)現(xiàn)了塔吊中心與核心筒翼墻距離保持不變的目的。具體操作方法如下：塔吊高空平移時(shí)打開(kāi)C形框與平面支架連接螺栓，使用千斤頂對(duì)2道C形框（C形框與平面支架之間設(shè)置四氟板以減小摩擦阻力）進(jìn)行同步頂升滑動(dòng)，滑動(dòng)距離與核心筒翼墻厚度的減小相等，平移到位后再將C形框與平面支架連接螺栓進(jìn)行固定[5]。

3 塔吊外掛支承裝置設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)計(jì)算

從結(jié)構(gòu)安全冗余度考慮，爬升支承裝置的設(shè)計(jì)校核時(shí)僅考慮斜向支撐單獨(dú)支承爬升框架工況，斜拉桿后施加的400 kN預(yù)應(yīng)力僅起增加安全儲(chǔ)備的作用，不參與整體結(jié)構(gòu)計(jì)算，圖7為計(jì)算簡(jiǎn)圖。

圖7 爬升支承裝置計(jì)算簡(jiǎn)圖

在承載能力計(jì)算荷載組合作用下，構(gòu)件的應(yīng)力如圖8（a）所示，最大應(yīng)力為200 MPa，位于梁4和梁1的節(jié)點(diǎn)區(qū)域；構(gòu)件的應(yīng)力比如圖8（b）所示，最大應(yīng)力比為0.70，位于下道爬升支承裝置的斜向支撐與平面支架的連接節(jié)點(diǎn)區(qū)域，具有足夠的安全儲(chǔ)備。

圖8 爬升支承裝置強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

3.2 主要連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算

對(duì)爬升支承裝置的平面支架與核心筒的連接節(jié)點(diǎn)和斜向支撐與核心筒的連接節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行了精細(xì)有限元分析，計(jì)算結(jié)果如圖9、圖10所示，最大應(yīng)力均控制在240 MPa以下，具有足夠的安全儲(chǔ)備。

圖9 連接節(jié)點(diǎn)1應(yīng)力云圖

圖10 連接節(jié)點(diǎn)2應(yīng)力云圖

4 塔吊外掛支承裝置對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響分析

4.1 不利工況分析

當(dāng)塔吊爬升至核心筒結(jié)構(gòu)最高處時(shí)，上道外掛支承裝置的平面支架位于578.45 m，下道支架位于556.85 m，此時(shí)核心筒施工至125F，外圍施工至約101F，核心筒領(lǐng)先外圍混凝土樓板20F左右。此時(shí)外掛支承結(jié)構(gòu)對(duì)主體結(jié)構(gòu)影響最為不利，對(duì)此工況下的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性校核。綜合考慮了核心筒整體爬升模架荷載、10年一遇風(fēng)荷載（基本風(fēng)壓0.40 kN/m2）、大型動(dòng)臂塔吊荷載等主要荷載。在工作狀態(tài)下，塔吊荷載考慮3種最不利工況，如圖11所示；在非工作狀態(tài)下，塔吊荷載考慮2種最不利工況。限于篇幅，本文僅給出工作狀態(tài)下主體結(jié)構(gòu)的安全性分析結(jié)果。

圖11 分析工況（塔吊工作狀態(tài)）

4.2 計(jì)算結(jié)果

4.2.1 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

在承載力驗(yàn)算荷載組合作用下，塔吊工況1組合作用下核心筒最大應(yīng)力為7.70 MPa，塔吊工況2組合作用下核心筒最大應(yīng)力為7.10 MPa，塔吊工況3組合作用下核心筒最大應(yīng)力為5.30 MPa，且最大應(yīng)力均處于受壓狀態(tài)，滿足規(guī)范要求。

4.2.2 變形計(jì)算結(jié)果

塔吊工況1組合作用下核心筒最大變形為73 mm，塔吊工況2組合作用下核心筒最大變形為35 mm，塔吊工況3組合作用下核心筒最大變形為13 mm。整體頂部最大變形Δ=73 mm＜[H/1000]=110 mm，滿足規(guī)范要求[6]。

5 施工監(jiān)測(cè)分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，對(duì)外掛爬升支承裝置的首次安裝及開(kāi)始工作全過(guò)程進(jìn)行了實(shí)時(shí)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，并把實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值進(jìn)行了對(duì)比分析。實(shí)施過(guò)程中，把塔吊爬升支架系統(tǒng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)分為3個(gè)階段：第1階段為塔吊爬升階段，第2階段為塔吊爬升到位階段，第3階段為斜拉桿張拉階段（預(yù)拉力400 kN）。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果較為吻合，監(jiān)測(cè)結(jié)果較為理想，通過(guò)應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法同步驗(yàn)證了爬升支承裝置設(shè)計(jì)的安全性和可靠性[7]。

6 結(jié)語(yǔ)

本文從上海中心大廈鋼結(jié)構(gòu)工程的實(shí)際需求出發(fā)，以4臺(tái)大型塔吊作為研究對(duì)象，結(jié)合主體結(jié)構(gòu)體系，首次創(chuàng)新研發(fā)了一種免結(jié)構(gòu)加固和可實(shí)現(xiàn)塔吊高空平移的大型爬升塔吊外掛支承裝置。通過(guò)對(duì)爬升支承裝置、連接節(jié)點(diǎn)以及依附的主體結(jié)構(gòu)安全性等進(jìn)行計(jì)算分析，并輔以施工監(jiān)測(cè)等技術(shù)手段，確保了支承裝置在施工過(guò)程中的安全性和可靠性。該大型塔吊外掛內(nèi)爬支承裝置極大地提高了塔吊的施工效率，節(jié)約了施工成本，具有極大的市場(chǎng)推廣前景。