超高層建筑異形結(jié)構(gòu)施工的塔吊附臂加強(qiáng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

中建二局第三建筑工程有限公司 北京 100070

1 工程概況

西部國(guó)際金融中心項(xiàng)目位于成都市錦江區(qū)東大街，總建筑面積為293 000 m2，由4 棟超高層建筑組成。1#主塔樓共56 層，高度240.85 m；2#銀行樓共39 層，高度169.95 m；3#住宅樓共46 層，高度148.10 m；4#住宅樓共47 層，高度149.55 m。本工程為整體地下室，共5 層，采用筏板基礎(chǔ)。1#、2#樓為框架核心筒結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜，呈傾斜內(nèi)收形式，外墻為玻璃幕墻；3#、4#樓為剪力墻結(jié)構(gòu)，外墻為鋁板幕墻。1#主塔樓為勁性混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)為異形逐漸收近，1#樓安裝兩臺(tái)外附固定式STT403以及STT293平頭塔吊，STT293塔吊（1#塔吊）布置在1#樓主體結(jié)構(gòu)的西南側(cè)，塔吊回轉(zhuǎn)半徑40 m，最大起重質(zhì)量達(dá)18 t；STT403塔吊（2#塔吊）布置在1#樓主體結(jié)構(gòu)的東北側(cè)，塔吊回轉(zhuǎn)半徑55 m，最大起重質(zhì)量達(dá)24 t（圖1）。附臂根據(jù)說(shuō)明書(shū)有嚴(yán)格角度要求，由于結(jié)構(gòu)變化較大，對(duì)于超過(guò)120 m標(biāo)高的附臂不能滿足塔吊說(shuō)明書(shū)要求。本文針對(duì)其中的2#塔吊附臂角度不滿足條件而采取一種加強(qiáng)措施。

2 塔機(jī)的附臂情況及難點(diǎn)介紹

2.1 附臂情況

2#塔吊在120 m以下附著于2 根框架柱上（KZ1、KZ2）（圖2）。在120.3 m標(biāo)高處附臂桿的角度為60°，為塔吊說(shuō)明書(shū)的極限值，KZ2在±0～78.6 m處為直柱；78.6～153.1 m處變傾斜（斜率分階段變化）；153.1～245 m處為直柱。在120 m附著時(shí)，已經(jīng)達(dá)到塔吊附著要求的最小值，但由于KZ2從132.1～153.1 m仍向西傾斜，此時(shí)如直接附著在KZ2上已經(jīng)滿足不了要求。

2.2 難點(diǎn)介紹

1）為附臂桿尋找可靠支點(diǎn)（懸挑梁）。

2）驗(yàn)算支點(diǎn)本身的強(qiáng)度。

3）驗(yàn)算支點(diǎn)與結(jié)構(gòu)的連接，以及結(jié)構(gòu)是否滿足塔吊最不利工況下的荷載。

4）支點(diǎn)的安裝施工。

圖1 塔吊布置示意（左側(cè)為2#塔吊）

圖2 120 m以下柱上附著

3 支點(diǎn)的選型

前期考慮方案時(shí)有兩種選擇。方案一：結(jié)構(gòu)施工時(shí)從KZ2懸挑出鋼筋混凝土梁，在此梁上進(jìn)行附著。方案二：結(jié)構(gòu)施工完畢后，安裝工字鋼（工字鋼夾住KZ2），在工字鋼上附著。

由于本工程采用整體提升的升降平臺(tái)外爬架體系，如采用方案一，需懸挑1 100 mm才能滿足要求，而爬架無(wú)法跨過(guò)此懸挑梁，且最后的高空破除工作風(fēng)險(xiǎn)較大，因此方案一被否決。

方案二中關(guān)于懸挑梁的選型，經(jīng)計(jì)算采用2 根250 mm×250 mm×14 mm×14 mm的H型鋼，立向雙拼，中間加1 100 mm×250 mm×16 mm的立向筋板組合成的單片小桁架，材質(zhì)均選用Q235鋼（圖3）。

圖3 抱柱小桁架拼裝

4 懸挑鋼梁的計(jì)算[1,2]

塔機(jī)懸挑梁受力模型取標(biāo)高為163.097 m處的鋼梁為模型（以上標(biāo)高均同此標(biāo)高），此時(shí)附臂桿與懸挑鋼梁的夾角為78°，此附臂桿的最大受力R=300 kN，結(jié)構(gòu)柱中心至附臂桿的距離為1.94 m，結(jié)構(gòu)柱邊緣至附臂桿的距離為1.2 m。此力通過(guò)鋼梁傳遞至結(jié)構(gòu)柱，鋼梁主要受壓剪彎共同作用。

軸向壓力：R×cos78°=62.4 kN；

剪力：R×sin78°=293.45 kN；

彎矩：R×sin78°×1 200=352 140 kN·mm；

單片桁架的截面慣性矩：I=9.43×109mm4；

抵抗矩：Wx=2I/h=1.18×107mm3；

回轉(zhuǎn)半徑：i=24.7 mm。

彎曲應(yīng)力f=35.1 MPa，滿足要求；

剪切應(yīng)力τ= 14.5 MPa，滿足要求；

5 結(jié)構(gòu)受力驗(yàn)算

懸挑鋼梁采用抱箍的方式與結(jié)構(gòu)框架柱直接相連，框架柱受剪力、扭矩、彎矩，著重驗(yàn)算此框架柱能否單獨(dú)承受此力，如不能承受則將此框架柱與其余結(jié)構(gòu)通過(guò)附加構(gòu)件相連組成一榀框架共同承受此力。

根據(jù)已有的結(jié)構(gòu)模型和配筋以及現(xiàn)有的受力情況，可以推斷此框架柱是否能滿足剪力、彎矩，由于結(jié)構(gòu)模型計(jì)算時(shí)，扭矩是考慮整個(gè)模型受扭，非單個(gè)框架柱受扭，故在剪力及彎矩滿足已有模型計(jì)算的情況下，結(jié)構(gòu)受力驗(yàn)算主要考慮受扭計(jì)算。經(jīng)驗(yàn)算可知，符合受力要求。

6 附臂桿與懸挑鋼梁的連接計(jì)算

附臂桿末端與懸挑鋼梁之間靠角焊縫連接，焊縫長(zhǎng)度為附臂桿端板長(zhǎng)度的2 倍（上下均焊接），采用E43型焊條，焊縫尺寸為8 mm，3級(jí)焊縫。由于附臂桿僅受拉、壓力，當(dāng)附臂桿受壓力時(shí)，根據(jù)模型知附臂桿與鋼梁之間并無(wú)內(nèi)力存在，內(nèi)力直接通過(guò)鋼梁傳遞給框架柱（扭矩為主），當(dāng)附臂桿受拉力時(shí)，附臂桿與鋼梁之間存在拉力，此拉力由角焊縫承擔(dān)，因此需要對(duì)角焊縫是否滿足強(qiáng)度要求進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)驗(yàn)算可知，附臂桿與懸挑鋼梁之間的連接可靠。

7 懸挑附臂鋼梁的安裝

鋼梁離樓板面的距離與塔吊附臂的高度有關(guān)，其中心線離樓板表面距離從500～1 000 mm不等，由于附臂安裝需待爬架提升后方可施工，KZ2位于建筑物最東南角，爬架提升后安裝附臂鋼梁需在上百米高空挑出1 200 mm進(jìn)行施工，另鋼梁自重較大，達(dá)到200 kg，為滿足鋼梁安裝的質(zhì)量及安全，采取以下措施：

1）結(jié)構(gòu)施工時(shí)，在框架柱相應(yīng)位置預(yù)埋錨爪。在鋼梁安裝時(shí)，塔吊吊運(yùn)鋼梁至相應(yīng)位置，此時(shí)可將鋼梁與錨爪點(diǎn)焊固定，減少了人工運(yùn)輸?shù)膹?qiáng)度，保證鋼梁安裝水平。

2）搭設(shè)操作平臺(tái)。為方便工人操作，保證安全，在每層塔吊附臂的樓板處搭設(shè)防護(hù)操作平臺(tái)，防護(hù)操作平臺(tái)懸挑工字鋼離柱子邊凈距離為600 mm，挑出結(jié)構(gòu)邊凈距離為1 600 mm，在樓板上預(yù)埋錨環(huán)固定工字鋼。防護(hù)平臺(tái)的三面掛密目安全網(wǎng)，底部鋪設(shè)腳手板，鄰邊三面底部設(shè)置擋腳板，其平面及立面如下圖4所示。

圖4 操作平臺(tái)平面及立面

8 結(jié)語(yǔ)

2#塔吊共采用了6 道懸挑鋼梁加強(qiáng)附臂，施工完畢至今歷時(shí)7 個(gè)月，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明：采用此類懸挑鋼梁附著方式不僅保證了塔吊的使用要求，且對(duì)結(jié)構(gòu)并無(wú)造成損害，滿足了工期及安全的要求，為非標(biāo)準(zhǔn)塔吊附著提供了新思路。