狹窄核心筒內(nèi)爬式塔機(jī)高周轉(zhuǎn)加固方法研究

劉 昭，邰 冶，王嘉裕，劉 培

（中國(guó)建筑第二工程局有限公司 華南分公司，廣東 深圳 518048）

1 研究背景

為了適應(yīng)因時(shí)代發(fā)展而不斷變化的建筑結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)爬式塔機(jī)往往有多種機(jī)型可供選擇[1]。實(shí)際施工中，需要根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)主體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)，綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量和進(jìn)度來(lái)選擇適合工程實(shí)際的內(nèi)爬式塔機(jī)[2-4]。區(qū)別于施工中常見(jiàn)的附著式塔機(jī)，內(nèi)爬式塔機(jī)通常被安裝與主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部，如電梯間、樓梯間或其它根據(jù)塔機(jī)尺寸特別設(shè)置的開(kāi)間[5]，其施工范圍是以回轉(zhuǎn)中心為圓心的整圓，可以自由爬升的塔身滿足了當(dāng)代高層及超高層建筑的建設(shè)需求。

內(nèi)爬式起重機(jī)在施工過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生顯著的施工荷載并施加至建筑主體結(jié)構(gòu)上。Li Bin 等[6]研究了塔機(jī)的懸挑支撐系統(tǒng)，給出了支撐系統(tǒng)的受力分析結(jié)果與支撐形式；郁政華和陳曉明[7]研究了廣州新電視塔外掛內(nèi)爬式塔機(jī)應(yīng)用技術(shù)，該塔機(jī)在施工過(guò)程中完全依附于廣州塔的核心筒結(jié)構(gòu)。D Voision，G Griltaud 等[8-9]對(duì)大風(fēng)天氣施工過(guò)程中內(nèi)爬式塔機(jī)風(fēng)荷載對(duì)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析。

然而，需要指出的是，上述文獻(xiàn)多為常規(guī)附著形式，即內(nèi)爬式塔機(jī)均完全依附于建筑核心筒內(nèi)，該類核心筒尺寸通常較大，便于加固。然而，對(duì)于某些狹窄核心筒，其尺寸局限、內(nèi)部空間狹窄[10]，內(nèi)爬式塔機(jī)在該類建筑中的合理布置仍需進(jìn)一步研究。此外，由于塔機(jī)施工荷載較大，工程中常需要對(duì)塔機(jī)所依附的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，目前，常用的加固方式為對(duì)結(jié)構(gòu)自身進(jìn)行加固[11-12]，其形式較為單一，且加固能力上限受到既有結(jié)構(gòu)的尺寸限制（如混凝土梁截面尺寸限制了含筋量的上限），更具加強(qiáng)能力、操作更靈活的加固措施亟待提出。

因此，本文將針對(duì)某超高層狹窄核心筒情況，探討?yīng)M窄核心筒下的內(nèi)爬式塔機(jī)合理布置形式，此外，針對(duì)需要加固的混凝土結(jié)構(gòu)梁研究具有高周轉(zhuǎn)性的加固措施。

2 狹窄核心筒塔機(jī)布置

某超高層建筑由4 座塔樓相互連通而成，總建筑面積約24.4 萬(wàn)m2，地上建筑面積約18.5萬(wàn)m2，地下室建筑面積約6.68 萬(wàn)m2。該超高層的T3 塔樓為框架核心筒結(jié)構(gòu)。根據(jù)工程需要，須在T3 塔樓內(nèi)布置1 臺(tái)內(nèi)爬式塔機(jī)（型號(hào)為ZSL850），如圖1 所示，T3 塔樓總高為130m，塔機(jī)共需爬升6 次，底層基座分別置于B1F、3F、7F、11F、15F、19F、23F。

圖1 塔機(jī)整體爬升規(guī)劃示意圖

如圖2 所示，T3 塔樓核心筒（為樓梯井核心筒）內(nèi)部尺寸十分狹窄，局部尺寸僅為6.1m×3.3m，無(wú)法按照一般方法將內(nèi)爬式塔機(jī)布置于核心筒內(nèi)。為滿足塔機(jī)后續(xù)的爬升需求，本文提出剪力墻與周邊框架梁協(xié)同受力的工作方式：將塔機(jī)工具梁的一端與核心筒的剪力墻相連，另一端置于周邊框架梁上。在后續(xù)爬升的過(guò)程中，剪力墻與結(jié)構(gòu)梁共同承擔(dān)塔機(jī)荷載。其中，在B1 樓層，工具梁北側(cè)與混凝土梁相連接，在其他樓層，工具梁北側(cè)與鋼梁相連接。通過(guò)該整體布置方式，解決了無(wú)法將內(nèi)爬塔機(jī)布置于核心筒中的難題。

圖2 內(nèi)爬式塔機(jī)在B1層的布置圖

3 塔機(jī)施工荷載分析

為確定結(jié)構(gòu)安全性，首先應(yīng)分析內(nèi)爬式塔機(jī)ZSL850 的施工荷載。根據(jù)GB50068-2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，塔機(jī)動(dòng)荷載取安全系數(shù)1.5，塔機(jī)靜載荷取安全系數(shù)1.3，荷載值按照表1 進(jìn)行取值，其中R1、R2 為2 個(gè)水平正交方向上的分力。

表1 ZSL850荷載取值表

如圖3 所示，基于ANSYS 進(jìn)行塔機(jī)受力分析，其中節(jié)點(diǎn)561、437 代表工具梁與結(jié)構(gòu)剪力墻相連的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)503、379 代表工具梁與混凝土結(jié)構(gòu)梁相連的節(jié)點(diǎn)。為充分考慮作用在ZSL850 塔機(jī)不同方向時(shí)產(chǎn)生的荷載，將外力按照如圖4 所示的8 各方向進(jìn)行荷載施加，取其包絡(luò)反力作為作用在結(jié)構(gòu)上的最終設(shè)計(jì)值，表2 給出了相關(guān)計(jì)算結(jié)果。由表2 可知，塔機(jī)工作產(chǎn)生的荷載十分顯著，在北側(cè)結(jié)構(gòu)梁端，施加于結(jié)構(gòu)的豎向集中荷載可達(dá)937.2kN，同時(shí)，北側(cè)梁跨度達(dá)14m，該集中荷載也將產(chǎn)生顯著梁彎矩內(nèi)力。經(jīng)計(jì)算復(fù)核，既有結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足其承載要求，因此需要進(jìn)行構(gòu)件加固，這也是本文主要研究的加固要點(diǎn)。

表2 8種工況鋼梁結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)反力包絡(luò)值 （單位：t）

圖3 基于ANSYS進(jìn)行塔機(jī)受力分析

圖4 塔機(jī)荷載計(jì)算的8個(gè)方向

4 混凝土梁加固方法研究

4.1 加固方式整體設(shè)計(jì)

在B1 層，工具梁北側(cè)混凝土梁尺寸為700×1 000mm，混凝土標(biāo)號(hào)為C35；與北側(cè)混凝土梁兩端相連的是兩根內(nèi)含圓鋼管的圓柱，圓柱的外徑為1 400mm，圓鋼管的直徑為1 100mm，圓鋼管厚度為30mm，圓鋼管內(nèi)、外混凝土標(biāo)號(hào)均為C60。

本文基于PKPM 結(jié)構(gòu)受力分析軟件，將上述工程受力情況簡(jiǎn)化為門式框架（圖5），其中，為偏于安全考慮，兩側(cè)圓鋼管在建模時(shí)不考慮外包混凝土的承載作用，在節(jié)點(diǎn)②和節(jié)點(diǎn)③處施加豎向集中力937kN。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，混凝土梁的應(yīng)力比無(wú)法滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，其梁左端彎矩達(dá)到3 329kNm，剪力達(dá)1 232kN，右端彎矩達(dá)到2 863.4kNm、剪力達(dá)888kN，且僅通過(guò)增加梁配筋的方式無(wú)法滿足受力要求，需要采取額外的加固措施。

圖5 門式框架計(jì)算簡(jiǎn)圖

為此，本文提出了結(jié)構(gòu)自身免加固、部件可周轉(zhuǎn)的加固方法，如圖6 所示，在內(nèi)爬式塔機(jī)荷載作用點(diǎn)附近設(shè)置“八”字撐，支撐分別與圓鋼管柱腳和混凝土梁底相連，支撐采用圓鋼管截面，截面外徑為250mm、壁厚為18mm，該層高按照4 200mm 進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)分析，在“八”字撐的作用下，混凝土梁在內(nèi)爬式塔機(jī)荷載下產(chǎn)生的彎矩內(nèi)力分別降低為990.1kNm（左側(cè)）和993.7kNm（右側(cè)），僅約為原梁內(nèi)彎矩值的29.8%，梁內(nèi)最大剪力降低至353kN，僅約為原梁內(nèi)剪力值的28.6%。由于“八”字撐的兩端將與結(jié)構(gòu)采用鉸接的連接方式，其本身不產(chǎn)生彎矩和剪力，僅承受軸向內(nèi)力，其內(nèi)力最大值約為1 207kN。經(jīng)計(jì)算復(fù)核，在增設(shè)“八”字撐后，混凝土梁按照原設(shè)計(jì)配筋進(jìn)行施工即可，無(wú)須額外增加鋼筋，免去了結(jié)構(gòu)自身加固需求。

圖6 基于“八”字撐的門式框架計(jì)算簡(jiǎn)圖

隨著建筑高度的增加，出于結(jié)構(gòu)受力優(yōu)化的考慮，結(jié)構(gòu)梁、柱的尺寸將進(jìn)一步減小，至第23F，結(jié)構(gòu)梁由B1 層的700×1 000mm 的混凝土梁變?yōu)?50×600mm 的H 型鋼梁，與梁兩端相連的結(jié)構(gòu)柱直徑由1 400mm 變?yōu)橹睆?00mm 的鋼柱。針對(duì)23F 的加固效果，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：未加“八”字撐時(shí)，梁兩端彎矩達(dá)2 386.4kN，跨中彎矩達(dá)2 810.6kN，應(yīng)力比遠(yuǎn)超結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求（圖7）；在加設(shè)“八”字撐后，取得的加固效果相較于B1 層工況更為明顯，梁兩端彎矩為43.3kNm，僅為原結(jié)構(gòu)梁受力的2%，跨中最大彎矩處為311.4kNm，僅為原結(jié)構(gòu)的11.8%（圖8）。

圖7 未設(shè)置“八”字撐時(shí)23F的結(jié)構(gòu)彎矩分布(kNm)

圖8 設(shè)置“八”字撐時(shí)23F的結(jié)構(gòu)彎矩分布(kNm)

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：結(jié)構(gòu)梁、柱的剛度比隨截面形式與尺寸的變化而發(fā)生了顯著改變，在受到外荷載時(shí)內(nèi)力在整個(gè)框架內(nèi)的分布與B1 層相比也出現(xiàn)了顯著不同；“八”字撐的直徑為250mm，與兩側(cè)結(jié)構(gòu)柱直徑（400mm）無(wú)明顯差距，此時(shí)在對(duì)應(yīng)荷載施加點(diǎn)的梁底直接設(shè)置的“八”字撐可分得更大的內(nèi)力（軸力主要分布于“八”字撐上），從而顯著削弱了結(jié)構(gòu)柱的受力（圖9）。

圖9 設(shè)置“八”字撐時(shí)23F的結(jié)構(gòu)軸力分布(kN)

4.2 “八”字撐及附屬構(gòu)件設(shè)計(jì)

如圖10 所示，為塔機(jī)“八”字撐加固的設(shè)計(jì)圖，根據(jù)內(nèi)爬式塔機(jī)的爬升需求，在超高層結(jié)構(gòu)高度范圍內(nèi)，將產(chǎn)生共計(jì)6 次爬升，在本文中由于不同高度處的層高不同、對(duì)“八”字撐長(zhǎng)度需求不同，為提高周轉(zhuǎn)率，“八”字撐鋼管統(tǒng)一采用“基準(zhǔn)模數(shù)+調(diào)節(jié)模數(shù)”的方式，即“八”字撐的基準(zhǔn)模數(shù)長(zhǎng)度為4.5m，調(diào)節(jié)模數(shù)為1m 和2m，根據(jù)每層的長(zhǎng)度需求不同，選擇不同的模數(shù)匹配方式，通過(guò)該方法，在本項(xiàng)目的6 次爬升中，長(zhǎng)度4 500mm、2 000mm、1 000mm 的支撐累計(jì)僅需加工6 件、1 件和3 件，大大增加了“八”字撐管材的可周轉(zhuǎn)性。

圖10 “八”字撐加固梁設(shè)計(jì)圖

如圖11 所示，在“八”字撐管與圓柱連接節(jié)點(diǎn)處，制作法蘭板連接件，一端通過(guò)法蘭板與“八”字撐端部的法蘭板相連，一端通過(guò)全熔透焊接的方式與圓鋼柱相連，為防止連接板局部屈曲，在連接板未伸入圓柱混凝土的部分焊接柱外腹板，同時(shí)為保證不影響兩側(cè)圓柱的混凝土澆筑密實(shí)性，在B1層腹板不探入圓柱混凝土內(nèi)部?！鞍恕弊謸味瞬康姆ㄌm盤設(shè)計(jì)如圖12 所示，沿法蘭盤等角度設(shè)置加勁肋，防止法蘭板在受力過(guò)程中發(fā)生屈曲變形。在“八”字撐與混凝土梁底部相連位置處，在梁底預(yù)埋鋼板埋件，“八”字撐與其焊接連接，節(jié)點(diǎn)形式與圖11 相近，本文不再贅述。

圖11 “八”字撐與圓柱的連接節(jié)點(diǎn)

圖12 “八”字撐兩側(cè)的法蘭板設(shè)計(jì)

針對(duì)3 層及以上的H 型鋼梁，為防止局部屈曲，按照“八”字撐受力點(diǎn)在塔機(jī)荷載施加點(diǎn)區(qū)域內(nèi)和區(qū)域外2 種方式（圖13、圖14），提出了加筋肋的構(gòu)造做法，進(jìn)一步提高了受力可靠性。

圖13 “八”字撐在塔機(jī)荷載施加區(qū)域內(nèi)

圖14 “八”字撐在塔機(jī)荷載施加區(qū)域外

通過(guò)本文提出的加固方式，避免了結(jié)構(gòu)自身的尺寸增大或配筋加固，同時(shí)非周轉(zhuǎn)構(gòu)件僅為柱側(cè)或梁底的小尺寸埋件，而“八”字撐作為主要受力構(gòu)件可以在內(nèi)爬式塔機(jī)各次爬升過(guò)程中周轉(zhuǎn)使用，且周轉(zhuǎn)次數(shù)越多，其經(jīng)濟(jì)效益愈加突出，達(dá)到了“結(jié)構(gòu)自身免加固、部件高周轉(zhuǎn)”的加固目標(biāo)。

5 結(jié)論

針對(duì)某超高層建筑狹窄核心筒的特殊工況，根據(jù)施工需求探討了爬升式塔機(jī)的平面布置方式，同時(shí)對(duì)其結(jié)構(gòu)加固進(jìn)行了分析，得到主要結(jié)論如下。

1）當(dāng)核心筒內(nèi)部尺寸過(guò)于狹窄時(shí)，可將塔機(jī)置于工具梁上，工具梁的一端與核心筒剪力墻相連，一端可尋求與核心筒周邊的框架梁結(jié)構(gòu)連接（將其置于結(jié)構(gòu)梁上），此時(shí)，結(jié)構(gòu)梁主要承受顯著的豎向施工荷載。

2）本文提出的“八”字撐加固法可有效地對(duì)混凝土梁起到加固作用，可使B1 層混凝土梁內(nèi)彎矩降低至原彎矩的29.8%，梁內(nèi)剪力可降低至原彎矩的28.6%。受力分擔(dān)效果對(duì)于上部鋼梁更為明顯，23F 結(jié)構(gòu)梁在加固后，端部受力僅為原結(jié)構(gòu)梁的2%，跨中最大彎矩僅為原結(jié)構(gòu)的11.8%。

3）本文提出了“八”字撐“基準(zhǔn)模數(shù)+調(diào)節(jié)模數(shù)”的加工方法，保證了其作為主要受力構(gòu)件的可周轉(zhuǎn)性，且周轉(zhuǎn)次數(shù)越多，經(jīng)濟(jì)效益越突出，還可避免對(duì)原結(jié)構(gòu)的重復(fù)加固。