超高層C形剪力墻外掛塔式起重機(jī)受力及抗臺(tái)風(fēng)模擬分析*

唐永軍，王 巖，巴盼鋒，徐匯賓

(北京建工四建工程建設(shè)有限公司，北京 100075)

0 引言

動(dòng)臂塔式起重機(jī)是超高層建筑施工的重要機(jī)械，是影響超高層施工進(jìn)度的關(guān)鍵。隨著建筑高度增加，結(jié)構(gòu)截面逐漸變小、頂部操作面積減小以及臺(tái)風(fēng)等不利因素影響加大，動(dòng)臂塔式起重機(jī)的安全逐漸成為技術(shù)難題，為此研究動(dòng)臂塔式起重機(jī)滑移技術(shù)與超高層建筑頂部塔式起重機(jī)迂廻平臺(tái)[1]。

1 工程概況

?？谒?xiàng)目用地面積34 293m2，總建筑面積387 669m2。場(chǎng)地內(nèi)擬建超高層5A級(jí)辦公樓和商業(yè)裙房，塔樓94層，屋面高度428m，主要為5A級(jí)寫字樓。結(jié)構(gòu)形式為勁鋼核心筒+巨型鋼管混凝土外框柱結(jié)構(gòu)，其中68層以上布設(shè)巨型中庭，核心筒結(jié)構(gòu)形式由九宮格轉(zhuǎn)變?yōu)?片厚度為600mm的C形剪力墻，如圖1所示，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60。

圖1 C形剪力墻

項(xiàng)目68層之上擬采用2臺(tái)ZSL1250動(dòng)臂塔式起重機(jī)進(jìn)行施工，根據(jù)施工方案，對(duì)動(dòng)臂塔式起重機(jī)進(jìn)行受力計(jì)算，包括塔式起重機(jī)對(duì)承重托架的受力影響，復(fù)核塔式起重機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中不利工況的受力。最后通過有限元軟件ANSYS建立C形墻核心筒有限元模型，把不利工況下的受力施加到結(jié)構(gòu)墻體上，塔式起重機(jī)外掛如圖2所示。

圖2 塔式起重機(jī)外掛示意

2 有限元建模

采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行受力復(fù)核，由于整體結(jié)構(gòu)受力只考慮彈性階段，不考慮塑性階段，所以整體建模均采用理想彈塑性材料，鋼材彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C60，彈性模量為3.6×104MPa，泊松比為0.167。梁柱使用Beam188單元，型鋼暗撐剪力墻為Shell181單元[2]。綜合施工進(jìn)度，考慮剪力墻上部結(jié)構(gòu)自重荷載，均等效為豎向軸力進(jìn)行施加。

施工過程中頂部擬用的ZSL1250塔式起重機(jī)均使用外掛形式，隨著墻體升高，墻體厚度越來越薄，經(jīng)查圖紙發(fā)現(xiàn)，在塔式起重機(jī)最后一次使用的固定位置，型鋼暗撐剪力墻厚度僅600mm，4片剪力墻圍成的部分中空設(shè)置電梯，綜合分析，最不利工況為單片剪力墻單獨(dú)受力外掛ZSL1250塔式起重機(jī)。有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

由于塔式起重機(jī)2層固定跨度為4個(gè)樓層，所以建立4層結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，塔式起重機(jī)支撐托架與結(jié)構(gòu)間均采用鉸支座，可以轉(zhuǎn)動(dòng)。進(jìn)行有限元模擬時(shí)，對(duì)底部加載點(diǎn)的3個(gè)方向施加荷載，不考慮彎矩帶來的影響，豎向荷載加載點(diǎn)直接施加到型鋼暗撐上。

3 塔式起重機(jī)不利工況結(jié)果分析

3.1 動(dòng)臂塔式起重機(jī)不利工況計(jì)算

動(dòng)臂塔式起重機(jī)可360°旋轉(zhuǎn)，塔身下部設(shè)置頂升節(jié)，頂升節(jié)通過支撐爪與鋼梁托架相連，托架四周通過頂塊與塔式起重機(jī)節(jié)固定，并與結(jié)構(gòu)采用固定支座相連，釋放多向自由度，且塔式起重機(jī)成爪通過上下2道支撐托架，只對(duì)2個(gè)邊梁產(chǎn)生豎向壓力，而非四周受力，且受力僅受壓力不受拉力，外掛形式的動(dòng)臂塔式起重機(jī)支撐柱不允許任何形式的拉力存在。依據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，塔式起重機(jī)動(dòng)力荷載安全系數(shù)取1.4[3]，塔機(jī)自重安全系數(shù)取1.2。由于廠家提供的結(jié)構(gòu)反力表中未含任何安全系數(shù)，故有限元模擬分析塔式起重機(jī)工作中產(chǎn)生的最大荷載為1.35G+1.4L(G為自重荷載，L為塔式起重機(jī)動(dòng)荷載)，最終不利工況如圖4所示。塔式起重機(jī)托架系統(tǒng)中，主梁截面為□450×1 100×40×30/Q345B，水平桿為φ351×12/20，下壓桿為φ377×16/20，連梁為φ159×10/20，支撐框?yàn)镠400×428×35×20/Q345B。

圖4 塔式起重機(jī)簡(jiǎn)化后的受力形式

3.2 動(dòng)臂塔式起重機(jī)受力分析結(jié)果

通過有限元模型計(jì)算分析塔式起重機(jī)的8個(gè)工況，得到結(jié)構(gòu)受力及變形大小，如表1所示。

結(jié)合分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，最大等效應(yīng)力為工況3，托架最大應(yīng)力為151.1MPa；最大等效位移工況7為14.39mm，結(jié)構(gòu)受力和變形均符合設(shè)計(jì)要求。部分工況分析云圖如圖5所示。

表1 結(jié)構(gòu)受力及變形

圖5 塔式起重機(jī)支撐系統(tǒng)受力云圖

3.3 C形剪力墻體受力分析

結(jié)合受力分析過程，得出傳遞給結(jié)構(gòu)各受力點(diǎn)的力大小，通過把該力施加到結(jié)構(gòu)點(diǎn)上，各塔式起重機(jī)工況下C形剪力墻受力結(jié)果如表2所示。

表2 C形剪力墻受力結(jié)果

綜合上述分析可以發(fā)現(xiàn)，型鋼暗撐最大受力為工況8，最大等效應(yīng)力為69.56MPa；混凝土最大等效應(yīng)力為10.58MPa，最大受力為工況5；最大等效位移為16.52mm，即工況5。其中部分結(jié)構(gòu)受力云圖如圖6所示。

圖6 混凝土和鋼骨等效應(yīng)力云圖(單位：MPa)

通過分析驗(yàn)算塔式起重機(jī)的8個(gè)工況，發(fā)現(xiàn)最不利工況下，對(duì)剪力墻內(nèi)部的型鋼暗撐影響為69.56MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服應(yīng)力345MPa。結(jié)合鋼筋混凝土受力結(jié)果，鋼筋混凝土最大壓力約10.58MPa，遠(yuǎn)小于C60鋼筋混凝土抗壓強(qiáng)度，但局部區(qū)域存在一定拉應(yīng)力。所以從受力角度，C形墻塔式起重機(jī)施工需綜合考慮上部結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度，盡量拉大上部結(jié)構(gòu)與動(dòng)臂塔式起重機(jī)托架間距，實(shí)現(xiàn)自重荷載壓應(yīng)力主動(dòng)抵消動(dòng)臂塔式起重機(jī)施工過程中的拉應(yīng)力。所以外掛動(dòng)臂塔式起重機(jī)不對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。

4 抗臺(tái)風(fēng)驗(yàn)算分析

4.1 有限元建模及加載

假設(shè)塔式起重機(jī)爬升到該施工位置，即83層，遭遇12～14級(jí)臺(tái)風(fēng)，塔式起重機(jī)A塔、平衡臂、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)及起重臂均按實(shí)際尺寸，采用MIDAS進(jìn)行建模，如圖7所示，塔身均采用梁?jiǎn)卧?，上部橫梁約束點(diǎn)固定x，y方向位移，下部支撐約束3向位移。配重塊、變幅卷揚(yáng)機(jī)、起升卷揚(yáng)機(jī)均按實(shí)際質(zhì)量，以實(shí)體單元建立，按實(shí)際位置分布于平衡臂上。A塔同起重臂間纜繩，采用只受拉單元建立[4-5]。

圖7 塔式起重機(jī)整體分析模型

4.2 荷載組合加載及結(jié)果分析

本模型荷載工況包括結(jié)構(gòu)自重及風(fēng)荷載作用。采用梁?jiǎn)卧L(fēng)壓施加模型風(fēng)荷載，具體參數(shù)按照規(guī)范選取。其中風(fēng)荷載體型系數(shù)根據(jù)規(guī)范規(guī)定取值為2，基本周期按經(jīng)驗(yàn)公式，高聳鋼結(jié)構(gòu)自振周期T1為0.013H(H為建筑高度)，計(jì)算取值為1.3；結(jié)構(gòu)阻尼比按設(shè)計(jì)采用。速度壓參數(shù)按計(jì)算風(fēng)荷載取值，粗糙度類別根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取為B。

若塔式起重機(jī)采用單塔進(jìn)行受力分析，12級(jí)臺(tái)風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)最大位移位于動(dòng)臂塔式起重機(jī)A柱上，變形為541mm,最大等效屈服應(yīng)力為268MPa；14級(jí)臺(tái)風(fēng)作用下，塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)最大變形為866mm，同樣位于結(jié)構(gòu)A柱上，最大等效屈服應(yīng)力為353MPa,超過結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度。同時(shí)也說明，在14級(jí)臺(tái)風(fēng)作用下，單塔動(dòng)臂塔式起重機(jī)不可以大臂鎖死，應(yīng)該使大臂處于自由擺動(dòng)狀態(tài)。

5 結(jié)語

在超高層建筑施工過程中，通過分析C形剪力墻上塔式起重機(jī)在不同工況下的結(jié)構(gòu)受力發(fā)現(xiàn)，塔式起重機(jī)受力極其復(fù)雜，對(duì)結(jié)構(gòu)影響較大。特別是遭遇極端天氣(14級(jí)臺(tái)風(fēng))，在不利工況組合下，單塔受力存在超過屈服強(qiáng)度的可能性(迎風(fēng)面垂直塔式起重機(jī)施加荷載)。為避免該現(xiàn)象的發(fā)生，極端天氣下，建議單塔塔式起重機(jī)大臂呈45°角鎖死，塔身轉(zhuǎn)盤保持自由回轉(zhuǎn)。