超高層動(dòng)臂塔機(jī)內(nèi)爬升施工模擬分析與應(yīng)用

程昌宏， 郭宇海

（安徽井田環(huán)?？萍加邢薰荆不?合肥 230001）

0 引言

超高層建筑施工中，塔機(jī)的選型和支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工是影響項(xiàng)目垂直運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵因素［1，2］。爬升式動(dòng)臂塔機(jī)吊裝施工荷載通過(guò)塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)套架傳遞到支撐梁上，支撐梁兩端簡(jiǎn)支搭設(shè)在牛腿上［3］。因此，支撐梁及其牛腿附著點(diǎn)的受力狀態(tài)必須滿足動(dòng)臂塔吊在旋轉(zhuǎn)吊裝重物時(shí)的各種施工工況要求［4，5］，才能確保塔機(jī)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

文中以某超高層項(xiàng)目主塔樓動(dòng)臂塔機(jī)設(shè)計(jì)和安裝施工為例，分析動(dòng)臂塔機(jī)在工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)下，塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上下支撐梁在0°、45°、90°、135°、180°共5個(gè)方向的荷載工況，模擬支撐梁、牛腿及主體剪力墻結(jié)構(gòu)的全過(guò)程受力狀態(tài)，為超高層建筑施工中動(dòng)臂塔機(jī)的設(shè)計(jì)和安裝提供一種安全、可靠的數(shù)據(jù)模擬分析方法。

1 工程概況

某超高層項(xiàng)目由1棟主塔樓及裙樓組成的商業(yè)綜合體，總建筑面積約43.5萬(wàn)m2，其中主塔樓高518m，地上108層、地下4層，主塔樓由九宮格鋼板剪力墻核心筒和16根勁性鋼骨巨柱組成，采用“巨型框架+核心筒+伸臂桁架”結(jié)構(gòu)體系。主塔樓設(shè)置1臺(tái)中昇建機(jī)重工有限公司生產(chǎn)的ZSL2700和2臺(tái)法?？酥毓び邢薰旧a(chǎn)的440D和600F塔機(jī)配合施工，其中ZSL2700動(dòng)臂塔機(jī)采用核心筒內(nèi)自爬升方式提升，另外兩臺(tái)塔機(jī)置于施工頂模平臺(tái)之上，隨頂模共同爬升施工，塔機(jī)布置如圖1所示。

圖1 ZSL2700塔機(jī)平面布置（單位：mm）

項(xiàng)目主塔樓14層以下核心筒外墻厚1.3m、內(nèi)墻厚0.8m，10層以下主塔樓施工僅安裝1臺(tái)ZSL2700塔機(jī)配合裙樓塔機(jī)施工。ZSL2700動(dòng)臂內(nèi)爬升塔機(jī)為一種新型無(wú)級(jí)調(diào)速液壓系統(tǒng)塔機(jī)，塔身最大獨(dú)立高度為60m，最大起重量100t；最大工作幅度65m，一次爬升高度為16～24m，在最大工作幅度時(shí)可吊起27.5t重物。

文中主要分析超高層施工中，動(dòng)臂塔機(jī)在負(fù)荷工作狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)不同方向時(shí)，運(yùn)用有限元數(shù)據(jù)模擬分析塔機(jī)支撐鋼梁、牛腿以及附著剪力墻的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，為超高層施工的塔機(jī)安裝、設(shè)計(jì)和計(jì)算提供一種參考方法。

2 塔機(jī)支撐梁及套架設(shè)計(jì)與安裝

項(xiàng)目為4層地下室，基礎(chǔ)底板厚4.5m、頂標(biāo)高-20.4m，底板施工時(shí)將ZSL2700塔機(jī)基座鋼架埋入基礎(chǔ)底板，待底板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后采用500t汽車吊上基礎(chǔ)底板吊裝塔機(jī)各部件。第一道爬升支撐鋼梁設(shè)置在F1層-0.5m標(biāo)高處、爬升高度為19.9m；第二道爬升支撐梁設(shè)置在F5層標(biāo)高21.5m處、爬升高度為22m，之后按照一次爬升高度在16～24m范圍依次類推設(shè)置爬升支點(diǎn)。

塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)附著在2個(gè)C型鋼架拼接的標(biāo)準(zhǔn)矩形套架上，套架是由塔機(jī)廠家根據(jù)塔機(jī)型號(hào)提供的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件。套架架設(shè)在兩根支撐梁之上，如圖2所示；支撐鋼梁采用鋼板焊接成的箱型鋼梁，鋼梁上的螺栓孔、抗剪銷釘?shù)亩ㄎ怀叽绫仨毰c套架上的螺栓孔位一致；鋼梁兩端簡(jiǎn)支支撐在牛腿上，牛腿預(yù)埋鋼板按照爬升規(guī)劃的位置預(yù)先設(shè)置在剪力墻上。

圖2 塔機(jī)荷載示意圖

3 塔機(jī)工作狀態(tài)分析與計(jì)算

3.1 荷載工況分析

ZSL2700內(nèi)爬升式動(dòng)臂塔機(jī)主要是使用兩部套架附著塔機(jī)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，套架與支撐鋼梁通過(guò)螺栓固定，上部套架僅在側(cè)向連接，故下部套架與塔機(jī)支撐按照簡(jiǎn)支計(jì)算，下部套架承受來(lái)自塔機(jī)的豎向荷載和水平荷載；上部套架只起側(cè)向支撐作用，不承受豎向荷載，僅承受水平荷載。

圖2及所示為由廠家提供的ZSL2700塔機(jī)系統(tǒng)荷載示意圖，塔機(jī)上層套架不承受豎向力；對(duì)整體結(jié)構(gòu)，在上層套架處Mk由Hk產(chǎn)生的彎矩平衡；對(duì)塔機(jī)局部，Mk由標(biāo)準(zhǔn)節(jié)內(nèi)桿件軸力差產(chǎn)生的彎矩平衡；標(biāo)準(zhǔn)節(jié)內(nèi)桿件軸力傳至下層套架頂升節(jié)時(shí)，已經(jīng)由多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)內(nèi)力重分配為均勻軸力。因此塔機(jī)套架分析僅考慮水平力H1、H2及豎向力V的影響。

表1 ZSL2700塔機(jī)受力荷載

根據(jù)表1荷載條件分析可知，對(duì)上部套架，非工作狀態(tài)荷載較大，水平荷載H1=2400kN；對(duì)下部套架，工作狀態(tài)荷載較大，豎向荷載V=5300kN，水平荷載H2=144kN。因塔機(jī)系統(tǒng)平面布置為東西方向?qū)ΨQ，因此考慮水平荷載方向時(shí)僅考慮一側(cè)0°、45°、90°、135°、180°共5個(gè)方向，圖3所示為塔機(jī)支撐梁系統(tǒng)在水平不同旋轉(zhuǎn)角度工況下附著在TW20和TW22兩片剪力墻上的示意圖。

圖3 塔機(jī)施工工況示意圖（單位：mm）

為了便于統(tǒng)計(jì)各種工況，將塔機(jī)水平和豎向不同受力狀態(tài)下的荷載取值編號(hào)如表2所示。

表2 塔機(jī)受力工況編號(hào)

3.2 計(jì)算模型及受力分析（A1工況為例）

支撐鋼箱梁板厚40mm，鋼材整體采用Q345（設(shè)計(jì)強(qiáng)度295MPa），端部采用Q420（設(shè)計(jì)強(qiáng)度355MPa）；牛腿及埋件主要鋼板厚40mm，除牛腿面板采用Q420以外，其他均為Q345（設(shè)計(jì)強(qiáng)度295MPa）；剪力墻厚800mm，混凝土強(qiáng)度為C60（抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值27.5MPa）、鋼筋均為HRB400（抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值360MPa）。

根據(jù)表2所示塔機(jī)各荷載工況，運(yùn)用有限元軟件整體建模分析塔樓10層以下塔機(jī)支撐梁、牛腿及埋件和剪力墻的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，圖4中鋼梁頂部凸起區(qū)域?yàn)檫B接套架的加荷載面。

圖4 鋼板剪力墻整體模型及荷載布置

以上部套架在垂直于鋼梁的0°工況下、受水平荷載H1=2400kN（A1工況）為例，分析塔機(jī)支撐梁、牛腿及埋件、剪力墻的整體和局部受力狀態(tài)如圖5所示，對(duì)各構(gòu)件受力狀態(tài)進(jìn)行分析：

圖5 模型整體應(yīng)力狀態(tài)（單位：MPa）

（1）支撐鋼梁應(yīng)力如圖6和應(yīng)變?nèi)鐖D7所示，整體狀態(tài)應(yīng)力均小于196.7MPa，應(yīng)力比小于0.7，支撐端下部局部最大應(yīng)力為294.3MPa＜355MPa；跨中最大變形為28.53mm＜L/250=10200/250=40.8mm（L為梁跨度），故滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 鋼梁的應(yīng)力（單位：MPa）

圖7 鋼梁的變形（單位：mm）

（2）牛腿及埋板應(yīng)力如圖8和應(yīng)變圖9所示，整體狀態(tài)應(yīng)力均小于235.4MPa，其中牛腿蓋板根部局部最 大 應(yīng) 力 為 352.4MPa＜355MPa；最 大 變 形 為0.95mm＜2l/250=2×650/250=5.2mm（l為牛腿懸挑長(zhǎng)度），故滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 牛腿的應(yīng)力（單位：MPa）

圖9 牛腿的豎向變形（單位：mm）

（3）剪力墻的混凝土和鋼筋應(yīng)力如圖10和圖11所示，墻體混凝土局部最大壓應(yīng)力2.815MPa＜27.5MPa；鋼筋最大應(yīng)力228.8MPa＜360MPa，故支撐梁兩端剪力墻受力滿足要求。

圖10 剪力墻混凝土應(yīng)力（單位：MPa）

圖11 TW20與TW22剪力墻內(nèi)鋼筋應(yīng)力（單位：MPa）

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

由上述A1工況計(jì)算分析可知，該荷載工況下塔機(jī)支撐梁及牛腿的應(yīng)力和應(yīng)變滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。下表3為上述上部、下部套架支撐梁A1～A5、B1～B5的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果。

表3 套架各工況計(jì)算最大值

由表3中動(dòng)臂塔機(jī)在不同工況下，上、下部套架的支撐梁、牛腿及埋板、剪力墻混凝土和鋼筋應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算數(shù)據(jù)可知：

（1）塔機(jī)支撐鋼梁上部套架處的支撐鋼梁，在端部局部最大應(yīng)力為346.4MPa（A4工況）、最大變形為28.53mm（A1工況）；下部支撐鋼梁最大應(yīng)力為345.3MPa（B1和B5工況）、最大應(yīng)變13.54mm。因此，上、下部鋼梁應(yīng)力均小于355MPa（鋼材Q420）和變形均小于L/250=10200/250=40.8mm（L為梁跨度），故鋼梁承載力和變形滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求［6］。

（2）支撐梁端的上部牛腿局部最大應(yīng)力為364.9MPa（A4工況）、最大變形為1.02mm（A4工況）；下部牛腿局部最大應(yīng)力為346.49MPa（B5工況）、最大變形為1.29mm（B1工況）。因此，上、下部牛腿應(yīng)力均小于355MPa（牛腿蓋板鋼材Q420）和變形均小于2l/250=2×650/250=5.2mm（l為牛腿懸挑板長(zhǎng)度），故鋼牛腿的承載力和變形滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

（3）剪力墻僅在局部存在應(yīng)力集中，上下部支撐牛腿處的混凝土最大應(yīng)力為2.907MPa（A3工況）小于27.5MPa（混凝土C60），鋼筋最大拉應(yīng)力為229.8MPa（A1工況）小于360MPa（鋼筋HRB400），故剪力墻的受力狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求［7］。

綜上所述，主塔樓10層以下ZSL2700塔機(jī)支撐鋼梁、牛腿及埋件應(yīng)力應(yīng)變、剪力墻的混凝土和鋼筋受力狀態(tài)滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，塔機(jī)支撐系統(tǒng)整體安全可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)某超高層項(xiàng)目塔樓動(dòng)臂塔機(jī)內(nèi)爬升支撐系統(tǒng)上下套架在0°、45°、90°、135°、180°共5個(gè)不同方向的模擬分析研究，得出如下結(jié)論：

（1）塔機(jī)支撐梁及牛腿在不同旋轉(zhuǎn)方向下的整體應(yīng)力比均小于0.7、變形小于規(guī)范允許值L/250，塔機(jī)在工作和非工作條件下均處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，設(shè)計(jì)方案滿足施工要求。

（2）支撐梁及牛腿在端部集中荷載作用下，局部應(yīng)力明顯較大，可通過(guò)調(diào)整鋼梁截面或材料強(qiáng)度等方法，使塔機(jī)受力處于設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

（3）文中介紹的動(dòng)臂塔機(jī)支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和全過(guò)程施工荷載工況的計(jì)算模擬方法，為超高層項(xiàng)目塔機(jī)的選型和支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種精確、可靠的設(shè)計(jì)思路和方法。