基于有限元分析的塔吊超長(zhǎng)附著的設(shè)計(jì)比選及安裝技術(shù)

張銘，祖公博，黃宏林，喬會(huì)丹，成磊

（中國(guó)建筑第二工程局有限公司，廣東 深圳 518048）

1 研究項(xiàng)目背景

某科技館工程開工初期，關(guān)于塔吊的現(xiàn)場(chǎng)布置有3 種方案選擇：（1）選用3 臺(tái)中昇的塔吊，其中1 臺(tái)塔吊采用超長(zhǎng)附著；（2）選用4 臺(tái)塔吊，方案（1）中超長(zhǎng)附著的塔吊由2 臺(tái)同型號(hào)塔吊代替；（3）選用5 臺(tái)TC7035 塔吊，待地下室施工完成后，采用汽車吊上二層室外屋面進(jìn)行吊裝或在結(jié)構(gòu)外圍吊裝。 綜合3 種方案的比選，在綜合考慮施工成本和施工進(jìn)度后，方案（1）為現(xiàn)場(chǎng)塔吊使用方案，本文對(duì)采用超長(zhǎng)附著的塔吊進(jìn)行分析。

2 施工重難點(diǎn)

1）附著桿件采用角鋼+圓鋼組成的組合式格構(gòu)桁架構(gòu)件。

2）附著形式采用雙側(cè)四桿式剛性附著。

3）因桿件較長(zhǎng)，桿件需分節(jié)運(yùn)輸進(jìn)場(chǎng)，各段構(gòu)件需堆放至指定區(qū)域。 加工時(shí)，各節(jié)構(gòu)件通過塔吊自身吊裝至地面加工場(chǎng)進(jìn)行組合拼裝，拼裝后，由塔吊自身吊裝[1]，完成附著安裝。

4）塔吊中心距結(jié)構(gòu)邊緣距離為15～25 m，附著桿的長(zhǎng)度為20～28 m。 桿件長(zhǎng)度較長(zhǎng)，桿件安裝時(shí)，除附著外無其他連接支撐，安裝難度較大[2]。

3 基于有限元分析的塔吊超長(zhǎng)附著設(shè)計(jì)

3.1 塔吊概況

塔吊安裝于巨幕影院和主體塔樓之間（拉索幕墻西側(cè)），用于現(xiàn)場(chǎng)材料的轉(zhuǎn)運(yùn)與吊裝，塔吊自身附著桿件的安裝和自身頂升。塔吊塔基中心距北側(cè)結(jié)構(gòu)18.287 m，距南側(cè)結(jié)構(gòu)25.704 m，計(jì)劃附著于結(jié)構(gòu)4 層板面以上3 030 mm，附著高度38.85 m。

3.2 有限元分析和超長(zhǎng)附著形式比選

常見剛性附著有三桿式、雙側(cè)四桿式與單側(cè)四桿式[3]。

超長(zhǎng)附著的附著桿件主要承受塔吊傳遞的風(fēng)荷載、 工作荷載和附著自重，由于超長(zhǎng)附著的長(zhǎng)細(xì)比大，失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)高，附著結(jié)構(gòu)形式的合理選擇對(duì)于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和施工安全是至關(guān)重要。 因此，本研究采用有限元分析軟件Midas Gen 對(duì)3 種結(jié)構(gòu)型式的內(nèi)力分配進(jìn)行模擬和比較， 為超長(zhǎng)附著的合理選型提供定量依據(jù)。 圖1 為3 種結(jié)構(gòu)型式的有限元模型。

圖1 有限元模型

由于本研究的重點(diǎn)為附著桿的內(nèi)力分配， 對(duì)塔吊附著框進(jìn)行了簡(jiǎn)化建模，限制豎向位移，附著支座為鉸接，恒載為結(jié)構(gòu)自重， 水平荷載根據(jù)塔吊使用說明書的最大工作荷載為540 kN。 水平荷載考慮了多個(gè)作用方向，以典型的0°和90°方向著重分析。

3 種附著形式在正常使用狀態(tài)下的荷載組合：1.0DL+1.0LL（其中，DL為自重荷載；LL為可變荷載），3 種附著形式的最大變形位置均發(fā)生在附著桿中部，且方向向下。 雙側(cè)四桿式和單側(cè)四桿式變形接近， 節(jié)點(diǎn)最大位移分別為20.0 mm 和19.9 mm，以整條附著桿為研究對(duì)象，相對(duì)變形為1.0/1 000。單側(cè)四桿式的變形最為明顯，節(jié)點(diǎn)最大位移為24.3 mm，相對(duì)變形為1.2/1 000，3 種附著形式的附著桿在正常使用狀態(tài)下位移均能滿足使用需要。

荷載作用方向?yàn)?°條件下， 承載力極限狀態(tài)荷載組合：1.3DL+1.5LL。 通過應(yīng)力云圖可以觀察到，軸力主要通過附著桿桁架上、下弦桿傳遞，腹桿軸力相對(duì)較小。 最大的軸力發(fā)生在三桿式附著中部上弦桿，最大軸力達(dá)到282.9 kN。 雙側(cè)四桿式最大軸力為179.3 kN， 單側(cè)四桿式軸力最小， 最大軸力為82.7 kN。 由分析結(jié)果可知，桿件組合應(yīng)力最大依然發(fā)生在三桿式附著情況，雙側(cè)四桿式最大組合內(nèi)力為127.0 MPa，單側(cè)四桿式組合內(nèi)力最小，為104.1 MPa。

荷載作用方向?yàn)?0°， 承載力極限狀態(tài)荷載組合：1.3DL+1.5LL。 此時(shí)荷載作用方向垂直于雙側(cè)四桿式附著的中部連墻桿，水平荷載主要由兩側(cè)的兩道連墻桿承擔(dān)，最大組合內(nèi)力為102.9 MPa， 單側(cè)四桿式附著具有更好的傳力性能，最大組合內(nèi)力為86.0 MPa。

荷載作用方向?yàn)?0°條件下，荷載作用方向垂直于雙側(cè)四桿式附著的中部連墻桿， 水平荷載主要由兩側(cè)的兩道連墻桿承擔(dān)，最大組合內(nèi)力為102.9 MPa，單側(cè)四桿式附著具有更好的傳力性能，最大組合內(nèi)力為86.0 MPa。

綜上所述，在絕大部分情況下，四桿式附著優(yōu)于三桿式附著。 兩種四桿式附著在不同的水平荷載作用方向下具有不同的力學(xué)性能，當(dāng)荷載沿著四桿式附著的兩道中部桿件作用時(shí)，雙側(cè)四桿式附著抵抗側(cè)力能力更好；當(dāng)荷載垂直于該方向時(shí)，單側(cè)四桿式附著承載能力更大。 但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況：塔吊東側(cè)為拉索幕墻，單側(cè)四桿式附著無法在拉索幕墻安裝附著裝置，兩種四桿式附著在承受水平與豎向荷載各有優(yōu)勢(shì)且差距不大。因此，選用雙側(cè)四桿式附著作為本項(xiàng)目塔吊超長(zhǎng)附著的形式。

3.3 附著桿構(gòu)件概況及驗(yàn)算

根據(jù)有限元計(jì)算分析結(jié)果， 確定了塔吊附著形式并進(jìn)行了塔吊附著桿和連接形式的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 附著桿通過抱箍焊接于鋼管混凝土柱（規(guī)格：φ1 600 mm×60 mm）上，與周圍鋼柱（φ800 mm×40 mm～φ1 600 mm×60 mm）、鋼梁（600 mm×300 mm×14 mm×20 mm～1 500 mm×600 mm×30 mm×50 mm）形成整體結(jié)構(gòu)體系。

3.4 附著桿選型與構(gòu)造

3.4.1 附著桿選型

在設(shè)計(jì)附著桿件時(shí)，有以下兩種組合可供選擇：

組合 （1）： 角鋼125 mm×12 mm，Q355B 和方管51 mm×2.5 mm，Q235B；組合（2）：角鋼125 mm×12 mm，Q355B 和圓管51 mm×3 mm，Q235B。

通過比較，附著桿的腹桿材料和桿件分段長(zhǎng)度不同，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致腹桿的所受剪力及其應(yīng)力不同，組合（2）中的剪應(yīng)力比組合（1）小13.18%，減少了剪力對(duì)腹桿的影響。 其余參數(shù)相等。

因加工廠家生產(chǎn)條件有限，生產(chǎn)方管難度較大，構(gòu)件質(zhì)量較難保證； 生產(chǎn)圓管較比前者難度較小且成品質(zhì)量能得到更好的保證。

經(jīng)過比選，將采用組合（1）作為加工附著桿的材料。

3.4.2 附著桿構(gòu)造

附著桿件組成如圖2 所示，由方鋼、圓鋼、連接板、連接螺栓和方管等構(gòu)件拼裝成的格構(gòu)式桿件。

圖2 附著桿結(jié)構(gòu)圖

附著桿件中間節(jié)由4 根角鋼組成1.2 m×1.2 m 截面的格構(gòu)柱，由圓鋼組成桿件中間節(jié)腹桿。每節(jié)桿件四周留有t40 mm×150 mm×150 mm（Q355B）連接板，通過連接螺栓（M42 mm×3mm×140mm，牙長(zhǎng)75mm，母厚40mm，雙墊片厚8mm，42CrMo，10.9 級(jí)）將各節(jié)桿件進(jìn)行連接。

銷接部分桿件由4 根角鋼和圓鋼組成1.2 m×1.2 m 變截面格構(gòu)式構(gòu)件。

焊接部分桿件由4 根角鋼、 圓鋼、 連接板和截面尺寸為400 mm×10 mm×1 200 mm（Q235B）的方管組成1.2 m×1.2 m變截面格構(gòu)式構(gòu)件。

3.4.3 附著桿件受力分析與計(jì)算

1）附著桿件受力分析

塔吊附著安裝完成后， 其主要荷載為塔身水平均布風(fēng)荷載，塔身頂部水平集中荷載，作用于塔身頂部豎向荷載，作用于塔身頂部彎矩，考慮水平荷載、豎向荷載、風(fēng)荷載和傾覆力矩后的等效彎矩（塔身所受的豎向荷載垂直向下,傳送到基礎(chǔ)，而不會(huì)傳遞到附著桿上），附著支反力，附著桿件自重及作用于桿件的豎向風(fēng)荷載[4]（豎向風(fēng)荷載數(shù)值很小，但會(huì)對(duì)桿件的豎向位移產(chǎn)生影響）。

2）塔吊附著桿的內(nèi)力計(jì)算

塔吊于工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)下荷載不相同， 在進(jìn)行桿件附著計(jì)算時(shí)，以兩種工況下較大的荷載值進(jìn)行計(jì)算[5]。

經(jīng)計(jì)算：附著桿件最大應(yīng)力為93.1 MPa，小于拉桿的允許應(yīng)力305 MPa；腹桿所受最大壓應(yīng)力為164.8 MPa，小于桿件的允許應(yīng)力215 MPa。 滿足要求[6]！

桿件長(zhǎng)度較長(zhǎng)，重量較大。 桿件的位移由風(fēng)荷載與自重共同作用，水平位移由水平風(fēng)荷載Fw，H作用，豎向位移由自重和豎向風(fēng)荷載Fw，V共同作用。 實(shí)驗(yàn)表明[7]：兩方向風(fēng)荷載存在如下關(guān)系：Fw，V=0.032 4Fw，H。

經(jīng)計(jì)算：桿件所受最大水平位移為6.41 mm，最大豎向位移為17.97 mm，均小于桿件的容許撓度56.65 mm，滿足要求[8]。

4 超長(zhǎng)附著塔吊安裝

塔吊最大獨(dú)立高度已無法滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求， 需將塔吊提升至所需的高度，則需使用附著裝置（附著框、附著桿、楔塊和固定纜繩等）對(duì)塔身進(jìn)行加固。

拼裝時(shí)， 將各節(jié)桿件全部由樓面吊至地面加工場(chǎng)進(jìn)行拼接，拼裝時(shí)需保證場(chǎng)地平整，存在足夠的操作空間。 拼裝時(shí)，塔吊全程配合。 附著桿首節(jié)、尾節(jié)與中間節(jié)采用高強(qiáng)螺栓連接，桿件尾節(jié)方鋼通過抱箍與鋼柱連接， 桿件首節(jié)與塔吊附著框通過銷軸連接。

附著框由兩半片附著框和連接螺栓組成，安裝時(shí)將兩半片附著框分別吊起用手拉葫蘆臨時(shí)固定在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)位置，用高強(qiáng)螺栓將兩半片附著框連接；安裝活動(dòng)楔塊，保證塔身與附著框緊實(shí)。 附著抱箍安裝于鋼管柱上，需提前搭設(shè)作業(yè)平臺(tái)及安全防護(hù)，作業(yè)平臺(tái)搭設(shè)于抱箍下1.5 m 處。安裝抱箍時(shí)需用手動(dòng)葫蘆或塔吊吊起兩半抱箍對(duì)應(yīng)的兩吊耳， 將二者對(duì)準(zhǔn)附著的鋼柱，并使兩半抱箍緩慢靠近，箍緊在柱上后將二者焊接牢固。 塔吊附著桿尾節(jié)方鋼高度0.4 m，安裝于鋼管柱為上下兩件抱箍（間距0.4 m）。 在安裝桿件時(shí)，因抱箍間距與桿件尾節(jié)方鋼高度一致，不便于現(xiàn)場(chǎng)安裝，安裝時(shí)需使用千斤頂擴(kuò)大上下兩抱箍的間距。 附著桿與上下兩抱箍通過角焊縫焊接，焊腳尺寸15 mm。

5 結(jié)語

本研究通過有限元分析對(duì)塔吊超長(zhǎng)附著的多種附著形式進(jìn)行定量分析和比較，發(fā)現(xiàn)在絕大部分情況下，四桿式附著優(yōu)于三桿式附著。 單側(cè)四桿式與雙側(cè)四桿式附著在不同的水平荷載作用方向下具有不同的力學(xué)性能，可根據(jù)主要受力方向，對(duì)塔吊超長(zhǎng)附著形式進(jìn)行優(yōu)化比選。 本研究還以有限元分析為依據(jù)進(jìn)行塔吊附著布設(shè)和附著桿件設(shè)計(jì)， 并對(duì)超長(zhǎng)附著安裝和使用進(jìn)行總結(jié)， 形成了超長(zhǎng)附著塔吊的全過程設(shè)計(jì)與安裝技術(shù)。 目前，科技館（新館）項(xiàng)目塔吊超長(zhǎng)附著安裝和使用過程順利進(jìn)行，證明了本研究形成技術(shù)的合理性和可行性。