狹小多變空間內(nèi)巨型塔式起重機(jī)支撐體系設(shè)計(jì)與應(yīng)用
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葉浩文1，鄒 俊1，林 冰1，楊 瑋2，孫 暉3，邵 鵬3
（1．中國(guó)建筑股份有限公司，北京 100037;2．中建三局第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司，湖北武漢430000；3．中國(guó)建筑第四工程局有限公司，廣東廣州 510000）
[摘要]廣州周大福金融中心為國(guó)內(nèi)特大超高層建筑，主塔樓施工選用巨型動(dòng)臂內(nèi)爬式塔式起重機(jī)，該塔式起重機(jī)自重大、承受高空強(qiáng)風(fēng)荷載、核心筒內(nèi)筒使用空間狹小、智能頂模支撐體系與塔式起重機(jī)支撐體系同內(nèi)筒部署等給塔式起重機(jī)支撐體系的設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)和難題。經(jīng)過(guò)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)通過(guò)采用無(wú)斜撐式魚(yú)腹梁以及獨(dú)特的梁頭支座，很好地解決了支撐系統(tǒng)的承載力和筒內(nèi)空間狹小、裝拆困難等難題，同時(shí)極大地提高了塔式起重機(jī)支撐系統(tǒng)裝拆周轉(zhuǎn)的效率。
[關(guān)鍵詞]高層建筑；塔式起重機(jī)；支撐體系；牛腿；支座
[中圖分類號(hào)]TU96+8[文章編號(hào)]1002-8498(2016)12-0025-04
1 工程概況
廣州周大福金融中心總承包工程主塔樓高530m，地上1 11層，地下5層，為廣州新地標(biāo)、新高度。該項(xiàng)目主塔樓鋼筋總用量6.5萬(wàn)t，鋼結(jié)構(gòu)總量9.7萬(wàn)t，且鋼構(gòu)件數(shù)量龐大．鋼梁共計(jì)約2.1萬(wàn)根，單件構(gòu)件最重約69t。為滿足主塔樓土建、鋼結(jié)構(gòu)及機(jī)電大型設(shè)備吊次、吊重需求，該項(xiàng)目選用2臺(tái)目前國(guó)內(nèi)房屋建筑領(lǐng)域最大型的M1280D動(dòng)臂內(nèi)爬式塔式起重機(jī)和1臺(tái)M900D動(dòng)臂內(nèi)爬式塔式起重機(jī)，其中M1280D塔式起重機(jī)臂長(zhǎng)55m，最大單次吊重為100t，塔身自重391t。
為抵抗塔式起重機(jī)巨大的水平荷載，常規(guī)塔式起重機(jī)支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般包含支撐主梁、次梁、水平斜撐、支撐梁支座等。狹小的內(nèi)筒空間、不斷縮小的剪力墻厚度以及與頂模支撐體系、掛架系統(tǒng)共用相同的內(nèi)筒等因素制約著本工程支撐體系的設(shè)計(jì)；若采用斜撐會(huì)直接影響塔式起重機(jī)支撐系統(tǒng)裝拆、頂模頂升作業(yè)以及主塔樓的施工等；此外，巨型塔式起重機(jī)及構(gòu)件龐大的荷載、緊張的工期等因素亦使塔式起重機(jī)的支撐體系設(shè)計(jì)面臨很大困難。經(jīng)過(guò)深入分析研究，通過(guò)設(shè)計(jì)無(wú)斜撐式魚(yú)腹梁以及免焊接魚(yú)腹梁支座，成功解決了上述難點(diǎn)，保證了超高層施工的垂直生命線。
2塔式起重機(jī)支撐體系設(shè)計(jì)難點(diǎn)
起重機(jī)及超吊構(gòu)件所引起的自重和彎矩、高空強(qiáng)風(fēng)荷載作用、結(jié)構(gòu)墻體的變化、狹小的內(nèi)筒空間、塔式起重機(jī)及模架支撐體系的相互作用、工期緊張等因素給塔式起重機(jī)支撐體系的設(shè)計(jì)帶來(lái)諸多的難點(diǎn)。
2.1塔式起重機(jī)及構(gòu)件自重、風(fēng)荷載巨大
本項(xiàng)目采用的M1280D內(nèi)爬式塔式起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)總高度56m，大臂長(zhǎng)度55m，2道支撐附墻最大夾持距離18m，自重約400t，單件吊重100t，可產(chǎn)生約24 800kN.m的不平衡彎矩。在巨大的豎向荷載以及水平風(fēng)荷載作用下，塔式起重機(jī)自身受力分析如圖1所示。
圖1中H1（上支撐水平荷載）=1 370kN;H2（下支撐水平荷載）=1 260kN;V（豎向荷載）=4 970kN。由此可知，塔式起重機(jī)支撐梁設(shè)計(jì)須保證足夠的平面內(nèi)和平面外剛度，才能承受如此巨大的豎向和水平荷載。
2.2塔式起重機(jī)支撐體系、頂模支撐體系與掛架系統(tǒng)同內(nèi)筒部署
本項(xiàng)目核心筒內(nèi)筒空間狹小（內(nèi)筒最大凈空尺寸11.125m×9.50m），塔式起重機(jī)支撐系統(tǒng)與頂模支撐系統(tǒng)部署在核心筒相同的內(nèi)筒，距離墻體最近僅有267mm。受頂模支撐和剪力墻的制約，塔式起重機(jī)支撐系統(tǒng)水平斜撐很難設(shè)置，且在狹小空間下斜撐系統(tǒng)的拆裝周轉(zhuǎn)亦非常困難、費(fèi)時(shí)，嚴(yán)重影響工期。此外，每個(gè)內(nèi)筒的頂模掛架系統(tǒng)也直接影響塔式起重機(jī)支撐體系的裝拆周轉(zhuǎn)。圖2為塔式起重機(jī)、頂模支撐系統(tǒng)及掛架系統(tǒng)平面布置示意。
2.3核心筒剪力墻厚度不斷變化縮小
本項(xiàng)目核心筒剪力墻厚度不斷縮小，從首層的1500mm逐漸縮為400mm，塔式起重機(jī)的支撐魚(yú)腹梁和牛腿支座設(shè)計(jì)必須考慮墻體厚度的變化。
2.4超高層工期緊張
本工程核心筒豎向結(jié)構(gòu)施工需要達(dá)到3d/層的施工速度。經(jīng)過(guò)各道施工工序的仔細(xì)推敲和鋪排，3臺(tái)塔式起重機(jī)支撐系統(tǒng)的安裝和頂升作業(yè)需耗時(shí)2d，其中非關(guān)鍵線路1d，占用關(guān)鍵線路1d。因而，塔式起重機(jī)支撐系統(tǒng)（包括牛腿、魚(yú)腹梁、塔式起重機(jī)C形框等）的安裝必須在極短時(shí)間內(nèi)完成，塔式起重機(jī)支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將直接關(guān)系到后期爬升作業(yè)的時(shí)間。
3 內(nèi)爬式塔式起重機(jī)支撐體系設(shè)計(jì)
3.1設(shè)計(jì)思路
針對(duì)以上分析的重難點(diǎn)，本項(xiàng)目?jī)?nèi)爬式塔式起重機(jī)支撐系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)思路如下：①解決塔式起重機(jī)內(nèi)爬升及作業(yè)工況下支撐受力的需求；②協(xié)調(diào)狹小多變內(nèi)筒空間條件下塔式起重機(jī)支撐體系、頂模支撐體系的相互關(guān)系，保證兩者安拆、施工作業(yè)及爬升的安全；③塔式起重機(jī)支撐安拆時(shí)間最小化，保證工期進(jìn)度不受塔式起重機(jī)頂升作業(yè)的制約。
3.2構(gòu)造設(shè)計(jì)
由受力分析可知，魚(yú)腹梁主要承受軸向荷載、豎向荷載和平面外水平荷載。受筒內(nèi)狹小空間影響，為不影響頂模作業(yè)，設(shè)計(jì)出無(wú)斜撐式魚(yú)腹梁（見(jiàn)圖3），僅依靠增強(qiáng)大梁的豎向和平面外剛度，承擔(dān)由豎向荷載和平面外水平荷載引起的彎矩。
為簡(jiǎn)化魚(yú)腹梁安裝，在魚(yú)腹梁頭底部焊接兩個(gè)牙塊，通過(guò)與牛腿上已有牙塊的咬合，實(shí)現(xiàn)軸向荷載的傳遞。
設(shè)計(jì)全螺栓連接塔式起重機(jī)支座（見(jiàn)圖4a），包括預(yù)埋在墻體內(nèi)的預(yù)埋件1和焊接在預(yù)埋件1上的支撐件2；支撐件2上設(shè)有軸向限位牙塊3和一對(duì)經(jīng)過(guò)深入分析研究，通過(guò)設(shè)計(jì)無(wú)斜撐式魚(yú)腹梁以及免焊接魚(yú)腹梁支座，成功解決了上述難點(diǎn)，保證了超高層施工的垂直生命線。
2塔式起重機(jī)支撐體系設(shè)計(jì)難點(diǎn)
起重機(jī)及超吊構(gòu)件所引起的自重和彎矩、高空強(qiáng)風(fēng)荷載作用、結(jié)構(gòu)墻體的變化、狹小的內(nèi)筒空間、塔式起重機(jī)及模架支撐體系的相互作用、工期緊張等因素給塔式起重機(jī)支撐體系的設(shè)計(jì)帶來(lái)諸多的難點(diǎn)。
2.1塔式起重機(jī)及構(gòu)件自重、風(fēng)荷載巨大
本項(xiàng)目采用的M1280D內(nèi)爬式塔式起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)總高度56m，大臂長(zhǎng)度55m，2道支撐附墻最大夾持距離18m，自重約400t，單件吊重100t，可產(chǎn)生約24 800kN. m的不平衡彎矩。在巨大的豎向荷載以及水平風(fēng)荷載作用下，塔式起重機(jī)自身受力分析如圖1所示。
圖1中H1（上支撐水平荷載）=1 370kN;H2（下支撐水平荷載）=1 260kN;V（豎向荷載）=4 970kN。由此可知，塔式起重機(jī)支撐梁設(shè)計(jì)須保證足夠的平面內(nèi)和平面外剛度，才能承受如此巨大的豎向和水平荷載。
2.2塔式起重機(jī)支撐體系、頂模支撐體系與掛架系統(tǒng)同內(nèi)筒部署
本項(xiàng)目核心筒內(nèi)筒空間狹小（內(nèi)筒最大凈空尺寸11.125m×9.50m），塔式起重機(jī)支撐系統(tǒng)與頂模支撐系統(tǒng)部署在核心筒相同的內(nèi)筒，距離墻體最近僅有267mm。受頂模支撐和剪力墻的制約，塔式起重機(jī)支撐系統(tǒng)水平斜撐很難設(shè)置，且在狹小空間下斜撐系統(tǒng)的拆裝周轉(zhuǎn)亦非常困難、費(fèi)時(shí)，嚴(yán)重影響工期。此外，每個(gè)內(nèi)筒的頂模掛架系統(tǒng)也直接影響塔式起重機(jī)支撐體系的裝拆周轉(zhuǎn)。圖2為塔式起重機(jī)、頂模支撐系統(tǒng)及掛架系統(tǒng)平面布置示意。
2.3核心筒剪力墻厚度不斷變化縮小
本項(xiàng)目核心筒剪力墻厚度不斷縮小，從首層的1500mm逐漸縮為400mm，塔式起重機(jī)的支撐魚(yú)腹梁和牛腿支座設(shè)計(jì)必須考慮墻體厚度的變化。
2.4超高層工期緊張
本工程核心筒豎向結(jié)構(gòu)施工需要達(dá)到3d/層的施工速度。經(jīng)過(guò)各道施工工序的仔細(xì)推敲和鋪排，3臺(tái)塔式起重機(jī)支撐系統(tǒng)的安裝和頂升作業(yè)需耗時(shí)2d，其中非關(guān)鍵線路1d，占用關(guān)鍵線路1d。因而，塔式起重機(jī)支撐系統(tǒng)（包括牛腿、魚(yú)腹梁、塔式起重機(jī)C形框等）的安裝必須在極短時(shí)間內(nèi)完成，塔式起重機(jī)支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將直接關(guān)系到后期爬升作業(yè)的時(shí)間。
3 內(nèi)爬式塔式起重機(jī)支撐體系設(shè)計(jì)
3.1設(shè)計(jì)思路
針對(duì)以上分析的重難點(diǎn)，本項(xiàng)目?jī)?nèi)爬式塔式起重機(jī)支撐系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)思路如下：①解決塔式起重機(jī)內(nèi)爬升及作業(yè)工況下支撐受力的需求；②協(xié)調(diào)狹小多變內(nèi)筒空間條件下塔式起重機(jī)支撐體系、頂模支撐體系的相互關(guān)系，保證兩者安拆、施工作業(yè)及爬升的安全；③塔式起重機(jī)支撐安拆時(shí)間最小化，保證工期進(jìn)度不受塔式起重機(jī)頂升作業(yè)的制約。
3.2構(gòu)造設(shè)計(jì)
由受力分析可知，魚(yú)腹梁主要承受軸向荷載、豎向荷載和平面外水平荷載。受筒內(nèi)狹小空間影響，為不影響頂模作業(yè)，設(shè)計(jì)出無(wú)斜撐式魚(yú)腹梁（見(jiàn)圖3），僅依靠增強(qiáng)大梁的豎向和平面外剛度，承擔(dān)由豎向荷載和平面外水平荷載引起的彎矩。
為簡(jiǎn)化魚(yú)腹梁安裝，在魚(yú)腹梁頭底部焊接兩個(gè)牙塊，通過(guò)與牛腿上已有牙塊的咬合，實(shí)現(xiàn)軸向荷載的傳遞。
設(shè)計(jì)全螺栓連接塔式起重機(jī)支座（見(jiàn)圖4a），包括預(yù)埋在墻體內(nèi)的預(yù)埋件1和焊接在預(yù)埋件1上的支撐件2；支撐件2上設(shè)有軸向限位牙塊3和一對(duì)對(duì)稱的側(cè)向限位組件4，一對(duì)對(duì)稱設(shè)置的側(cè)向限位組件4之間經(jīng)兩塊壓頭板5連接。所述預(yù)埋件l如圖4b所示，包括預(yù)埋鋼板6，預(yù)埋鋼板6與墻體表面齊平；預(yù)埋鋼板6的背面焊有一組錨筋7，錨筋7伸人混凝土墻體內(nèi)。所述支撐件包括上水平支撐板8和下水平支撐板9，兩塊水平支撐板之間設(shè)有2塊垂直支撐板10和斜撐板11，水平支撐板和垂直支撐板與預(yù)埋鋼板6焊接（見(jiàn)圖4d）；垂直支撐板外側(cè)設(shè)有一組垂直筋板12，垂直筋板兩端與兩塊水平支撐板焊接，一組垂直筋板外側(cè)的垂直筋板與斜撐板11焊接，一組垂直筋板的中部設(shè)有橫筋板13。所述軸向限位牙塊3如圖4a和圖4c所示，為焊接在上水平支撐板上表面的一塊矩形厚鋼板，軸向限位牙塊3的長(zhǎng)度方向與預(yù)埋鋼板6的表面平行且水平設(shè)置。所述軸向限位牙塊3兩端的上水平支撐板8上設(shè)有一對(duì)對(duì)稱設(shè)置的側(cè)向限位組件4；側(cè)向限位組件4如圖4c所示，包括側(cè)向限位柱14，側(cè)向限位柱14底部?jī)蓚?cè)設(shè)有一對(duì)對(duì)稱加強(qiáng)撐15，側(cè)向限位柱14 -側(cè)設(shè)有頂塊16，頂塊16底部的側(cè)向限位柱14上設(shè)有一組調(diào)節(jié)螺栓17（每個(gè)側(cè)向限位柱一側(cè)設(shè)有2塊頂塊，為看到頂塊底部的調(diào)節(jié)螺栓，圖中只畫(huà)了一塊頂塊）。所述側(cè)向限位柱14如圖4e所示，由3塊橫板18和2塊縱板19焊接而成，側(cè)向限位柱14的橫截面為“王”字形；縱板19上設(shè)有2排大孔，每個(gè)孔背面焊有螺母，螺母上設(shè)有調(diào)節(jié)螺栓17；3塊橫板18之間設(shè)有1組水平筋板20。所述壓頭板5如圖4c所示，壓頭板5上設(shè)有一組長(zhǎng)孔21，壓頭板5兩端的長(zhǎng)孔經(jīng)螺栓22與側(cè)向限位柱14連接，壓頭板5中間的長(zhǎng)孔經(jīng)螺栓22與塔式起重機(jī)支撐梁23上的定位組件24連接(見(jiàn)圖4f)。
由于核心筒結(jié)構(gòu)外墻厚度大，內(nèi)墻薄弱，所以牙塊與壓頭板僅在魚(yú)腹梁外墻端設(shè)計(jì)，這樣可保證軸向力僅傳遞給外墻。
3.3荷載取值、工況選擇及模型建立
計(jì)算采用國(guó)際大型通用有限元軟件ANSYS11.0的Mechanical-U結(jié)構(gòu)分析模塊來(lái)完成。
塔式起重機(jī)及支架的整體計(jì)算模型中，塔身構(gòu)件采用beam188空間梁?jiǎn)卧�，塔式起重機(jī)支撐魚(yú)腹梁采用she11181單元，預(yù)埋件采用she11181單元。荷載取值：1. 2G（G為自重），考慮節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及加勁措施的影響；塔式起重機(jī)荷載的動(dòng)力系數(shù)取1. 35。
由于支座反力的分配與塔式起重機(jī)動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)的角度有關(guān)，因此，根據(jù)塔式起重機(jī)布置平面圖，選取5種工況計(jì)算塔式起重機(jī)支架反力，如圖5所示。各工況均考慮風(fēng)荷載作用，風(fēng)荷載的作用方向從塔式起重機(jī)背部指向塔式起重機(jī)吊臂方向。整體模型及支撐梁節(jié)點(diǎn)編號(hào)如圖6所示。
3.4受力分析
針對(duì)支撐系統(tǒng)主要進(jìn)行如下幾項(xiàng)驗(yàn)算：魚(yú)腹梁受力驗(yàn)算；牛腿受力驗(yàn)算；埋件板受力驗(yàn)算；錨栓布置及數(shù)量分析驗(yàn)算。經(jīng)計(jì)算，支撐梁的最大應(yīng)力約為271MPa，軸向最大位移約2mm，平面外方向最大位移約3mm，豎向最大位移約7mm。各工況下支座反力最不利荷載組合如表1所示。
在上述最不利支座荷載作用下，牛腿受力分析結(jié)果表明，牛腿受拉時(shí)的極限承載力約為設(shè)計(jì)荷載的2. 31倍，具有足夠的安全儲(chǔ)備，滿足要求；牛腿受壓時(shí)的極限承載能力約為設(shè)計(jì)荷載的3. 51倍，具有足夠的安全儲(chǔ)備，滿足要求，如圖7所示。
預(yù)埋件承載拉壓的能力滿足要求，局部應(yīng)力集中荷載約為345MPa（見(jiàn)圖8）。
當(dāng)核心筒剪力墻內(nèi)墻厚由750mm逐漸減薄至400mm時(shí)，墻體兩邊各內(nèi)收175mm，相對(duì)應(yīng)的將牛腿支座的長(zhǎng)度增加175mm，經(jīng)驗(yàn)算，承載力和變形滿足要求。此外，針對(duì)核心筒墻體承載力主要進(jìn)行如下驗(yàn)算：墻體錨固能力計(jì)算；抗沖切承載力計(jì)算；局部承壓計(jì)算；墻體傳遞牛腿節(jié)點(diǎn)不平衡彎矩能力計(jì)算；墻體抗彎能力計(jì)算。
由于核心筒施工速度快，混凝土養(yǎng)護(hù)達(dá)不到28d齡期，根據(jù)研究，混凝土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，7d齡期強(qiáng)度達(dá)到70%左右，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢。因此，塔式起重機(jī)爬升施工時(shí)，取核心筒混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的70%作為校核指標(biāo)（C80區(qū)域以C60的設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算，C60以C40的設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算）。
經(jīng)驗(yàn)算，核心筒外墻厚度在1 500 N1 300mm,內(nèi)墻厚度在750~ 600mm，無(wú)須加固，承載力滿足要求。當(dāng)核心筒外墻厚度由1 300mm降至400mm，內(nèi)墻厚度由600mm降至400mm時(shí)，墻體必須增加補(bǔ)強(qiáng)鋼筋，方能滿足承載力要求。
4應(yīng)用情況
由于采用了無(wú)斜撐式魚(yú)腹梁，在安裝和拆除方面減少了常規(guī)支撐設(shè)計(jì)的斜撐安拆時(shí)間；同時(shí)無(wú)焊接全螺栓連接牛腿支座的設(shè)計(jì)以及壓頭板長(zhǎng)孔的使用，極大地縮短了支撐梁與牛腿的安裝作業(yè)。通過(guò)以上2項(xiàng)措施，主塔樓3臺(tái)巨型動(dòng)臂內(nèi)爬式塔式起重機(jī)每次的爬升作業(yè)安全高效。
此外，在塔式起重機(jī)總計(jì)27次的爬升過(guò)程中，無(wú)斜撐的設(shè)計(jì)確保塔式起重機(jī)、頂模兩大系統(tǒng)同內(nèi)筒存在而互不影響，超高層施工的兩條生命線順利向上延伸，直達(dá)530m高度。
5 結(jié)語(yǔ)
狹小多變空間內(nèi)筒中，塔式起重機(jī)支撐系統(tǒng)無(wú)斜撐魚(yú)腹梁、全螺栓連接牛腿支座、牛腿牙塊、壓頭板等的巧妙設(shè)計(jì)，很好地解決了超高層施工中垂直運(yùn)輸設(shè)備荷載龐大、內(nèi)筒空間多變狹小、塔式起重機(jī)和頂模兩大關(guān)鍵施工設(shè)備使用互不影響、錯(cuò)位頂升等核心問(wèn)題，是超高層施工中重型動(dòng)臂內(nèi)爬式塔式起重機(jī)支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用的一次重大突破。
