彎軌行走式動臂塔吊設計及實施技術*

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

0 引言

上海中心大廈總建筑面積約574 058 m2，其塔樓主體高度為580 m，建筑總高度為632 m。塔樓以加強桁架層為界，豎向分為9個功能區，整個塔樓采用鋼筋混凝土和鋼結構組合而成的混合結構，抗側力體系采用“巨型框架-核心筒-外伸臂”。其旋轉扭曲的奇特造型完全通過大樓外幕墻系統實現（圖1）。

圖1 外幕墻鋼支撐結構體系

外幕墻鋼支撐體系是實現整個大樓扭曲旋轉奇特造型的關鍵構造，亦是該樓設計和施工難度最大的結構之一。鋼支撐結構采用柔性懸掛的結構體系，與主樓分區對應，從下往上一共分為9個區域，每區自成體系，相互獨立。整個幕墻支撐體系鋼結構總量約為8 800 t[1,2]。

本大樓主體結構施工布置有4臺外掛巨型動臂塔吊用于垂直運輸和大型構件的安裝。但由于塔樓施工繁忙，無法利用主體結構的巨型動臂塔吊進行外幕墻鋼支撐結構施工，需設置獨立施工吊裝機械。經過結構計算和工程特點分析，在每區幕墻支撐頂部外挑桁架層（休閑層）設置3臺彎軌行走式動臂塔吊，分3塊區域對幕墻支撐進行安裝。塔式起重機型號為QD10B，最大起重力矩為700 kN·m，最大起重質量為9 t。

1 設計及施工技術難點

1）與本工程外幕墻鋼支撐結構的7個分區相對應，彎軌行走式動臂塔吊需要翻駁安拆7次，如何做到裝拆轉移安全、經濟、高效是需要解決的技術難題。

2）7個區域形態各異，行走路線和行走半徑均不一致，設計出能滿足不同行走工況的統一行走機構及其配套構造是經濟高效實現本方案的技術瓶頸。

3）彎軌行走式動臂塔吊行走于結構樓板之上，如何滿足樓板不加固或者少加固是方案成功必須考慮的問題。

4）塔吊高空彎軌式行走作業、脫軌等安全隱患亦需要解決。

2 設計創新技術

針對上述技術難點，采取化零為整的整體裝拆技術解決裝拆轉移安全、經濟、高效的技術難題；采取帶擺臂行走機構結合內外軌互代技術解決行走工況不一致的難題；采取獨特設計的三輪組合行走架并依靠可周轉支撐加固技術解決彎軌行走式動臂塔吊和樓層結構匹配問題。

2.1 整體裝拆技術

所謂整體裝拆系指將塔吊各個組成部分化零為整，分成幾個大塊進行裝拆，塔吊整體共分成：行走臺車總成+上下回轉總成+平衡臂總成（含尾部配重）為一整體系統、A架塔頭為一整體系統、大臂總成為一整體系統，總共分三大吊完成。

2.1.1 行走臺車總成+上下回轉總成+平衡臂總成

本組成為實現整體裝拆的關鍵。為此在工廠就設置好吊裝吊點，總計為4個，上回轉前端2個吊點、平衡臂后端2個吊點。同時，為避免整體起吊過程當中回轉總成和行走臺車總成之間以及行走輪和相關行走機構之間產生相對轉動，造成吊車損壞，專門設計了防轉動裝置，即將上回轉旋轉到一個合適的角度使上下支座孔重合，用銷軸銷接的方式進行固定，如圖2所示。

圖2 塔吊拆裝吊點示意

2.1.2 塔頭總成及大臂總成

塔頭總成及大臂總成的整體裝拆技術和常規吊車類似。塔頭總成如圖3所示，整機安裝完畢后現場如圖4所示。

2.2 帶擺臂行走機構設計

本吊車行走彎軌的曲率半徑從最大曲率半徑25 088 mm逐區變化至最小曲率半徑12 530 mm不等，需要針對性地設計行走機構，有效地采取防脫軌措施，從而確保彎軌的適應靈活性。

2.2.1 設計措施

常規的塔吊行走底架在轉彎過程中，以塔吊一側的支點中心進行定位時，另一側支點中心將對軌道產生偏移，以內軌定位為例（圖5）。

最大偏移量Δ計算公式如下：

圖5 支點中心對軌道偏移量示意

其中起重機的基距K，即軌道同一側兩支點間距為4 m，經過計算，輪緣與軌道最大間隙Δ1＝18 mm＜Δ＝0.058 m，所以常規機構不能順利通過彎軌，需在外軌一側的臺車架上增加軌道寬度補償機構，即增加一個擺臂，使整個支腿可以向外偏移（圖6）。

圖6 帶擺臂行走裝置示意

轉動軸上安裝滾動推力軸承減少摩擦，擺臂梁與行走縱梁連接軸采用固體潤滑軸承支撐。擺臂梁的2個轉動豎軸距離500 mm，可滿足通過彎軌需要。

2.2.2 施工措施

使外側軌道的鋪設高度略高于內側軌道（外側軌道比內側軌道標高高5 mm左右），使同一根軌道的兩端鋪設高度略高于中間軌道標高（軌道兩端比軌道中間標高高20 mm左右），標高的調整利用墊片從軌道中間向兩端緩慢逐漸調整，嚴禁標高突變。

2.3 內外軌互代技術

由于每個區的塔吊行走軌道和路線均不一樣，因此在設計塔吊行走軌道的長度和軌道曲率時需要盡量考慮能夠周轉使用。經過統籌考慮，二～四區塔吊行走軌道的外軌曲率半徑為25 088 mm，內軌曲率半徑為21 088 mm；五區外軌曲率半徑為21 088 mm，內軌曲率半徑為17 088 mm，因此將四區以下的內側軌道作為五區的外側軌道使用，減少了軌道的使用量[3,4]。

3 實施技術

3.1 特殊輪距和軌距設計滿足樓板不加固要求

塔式起重機型號為Q D 1 0 B，最大起重力矩為700 kN·m，最大起重質量為9 t。為減小對樓板的荷載影響，行走式塔式起重機共設置4組行走輪，每組行走輪設置3個輪子，軌距為4 m，輪距為1.3 m，有效分布了荷載，樓板結構無須進行加固即可承擔經特殊設計塔式起重機荷載。軌距4 m和每組行走輪的輪距設計為1.3 m，是經過對樓板構造分析特殊設計的（圖7）。

圖7 塔式起重機軌道布置示意

結合塔吊的自重和起重性能，軌距4 m可有效地控制住每組行走輪的受力不超過200 kN。

塔式起重機行走輪對樓板的荷載為局部荷載，樓板本身的構造為連續板。根據《高層民用建筑鋼結構技術規程》（JGJ 99—1998）第7.1.9條規定，在局部荷載下組合板的有效工作寬度按照連續板抗彎計算時，其計算寬度為：

式中：l——組合板跨度，根據本樓層具體情況，取3 000 mm；

lp——荷載作用點到組合樓板較近支座的距離，最不利取作用樓板跨中計算，取1 500 mm；

bf1——集中荷載在組合板中的分布寬度，軌道下部埋件的寬度為200 mm，樓板厚度為200 mm，壓型鋼板高度為76 mm，因此bf1=0.2 m+2×（0.2-0.076）m =0.45 m。

故bef=0.45+［4×1.5（1-1.5/3）］/3=1.45 m。

塔式起重機下部每組行走輪的輪距為1.3 m，較好地接近樓板有效承載工作寬度，因此每個輪子的荷載可考慮傳遞給其下部寬1.3 m的樓板，較好地分散了相鄰行走輪對樓板的共同作用。

根據塔式起重機設計情況，每個行走輪最大的輪壓為70 kN，考慮輪壓力作用于3 m跨度連續樓板跨中，則輪壓造成的1.3 m寬度內連續板帶最大彎矩為：M=0.175pl=0.175×7×1.3×3×10=48 kN·m。折算至1 m板帶內彎矩為：M1=48/1.3=37 kN·m。

塔式起重機行走樓板采用厚200 mm的組合樓板形式，壓型鋼板肋高75 mm，厚為1.2 mm。樓板配備鋼筋為φ14 mm，鋼筋間距為100 mm。1 m板帶范圍內受拉區鋼筋截面積As為1 540 mm2，鋼筋抗拉強度值f為300 N/mm2，不考慮壓型鋼板作用情況下樓板1 m板帶的抗彎承載能力約為：M2=1 540×300×150/106=69.3 kN·m＞M1。

抗彎符合要求，本樓板承載過程中彎矩控制為關鍵，其他相關承載經過計算也均符合受力要求，因此塔式起重機使用安全可靠。

3.2 周轉支撐加固技術

經過計算，支撐樓板的鋼梁部分區域需要進行加固，下部設置圓管支撐進行加固，圓管支撐可周轉重復利用，采取焊接形式和加固鋼梁連接，操作簡單可行（圖8）。

圖8 支撐鋼管加固示意

4 結語

1）采取化零為整的整體裝拆技術解決裝拆轉移安全、經濟、高效的技術難題，平均裝拆轉移1臺小吊車時間僅為2 h，確保了施工進度和效率[5,6]；

2）采取帶擺臂行走機構結合內外軌互代技術解決了行走工況不一致的難題，節約了軌道的用量，并且安全可靠地解決了小半徑彎弧軌道的吊車行走難題；

3）采取獨特設計的三輪組合行走架并依靠可周轉支撐加固技術解決了彎軌行走式動臂塔吊和樓層結構匹配問題，從二～九區沒有對一個樓層的混凝土樓板進行了加固，僅部分小型鋼梁設置了圓管支撐，用鋼量控制在1 t以內，成本低、效益高；

4）目前整個大樓施工已全部完成，彎軌行走式動臂塔吊取得良好效果，可為其他項目提供較好的借鑒作用。