塔式起重機安裝在營業商廈樓頂設計與實施

張希望/ZHANG Xi-wang

（北京市機械施工有限公司，北京 100176）

北國商城（圖1）位于石家莊市省政府旁繁華商區，已營業2年，高71m、長寬均為85m。北國商城原建筑設計中的樓頂鋼結構“空中花園”因故未能在竣工營業前施工，2017年4月重新啟動了該“空中花園”鋼結構安裝工程。該“空中花園”是坐落在商城樓頂上的全覆蓋式剛結構網架，且要在北國商城正常營業狀態下完成該施工，外加商城所在的高樓林立商業街區環境，鋼結構安裝的吊裝設備問題成為了本工程的核心難題。我司提出的樓頂架設70m臂長塔機方案（圖2、圖3），是該現場環境下唯一相對最為經濟可行的方案，但仍需面對以下嚴峻的現場條件挑戰。

圖1 北國商城全景實圖

1）僅商城西、南兩側有6～11m寬商業街巷，且兩側樹木遮天、高樓林立，地下管線密布。

2）商城樓頂為高低不一的待施狀態施工現場，沒有合適的常見塔機基礎坐落點。

3）在商城71m樓頂安裝該塔機，塔機初裝高度86m，塔機部件吊裝作業難度極大。

圖2 北國商城樓頂7015塔機實圖

圖3 北國商城7015塔機立面圖

1 結構部件設計簡介

1.1 異形偏心塔機基礎鋼架

基礎鋼架坐落在樓頂西南邊緣4顆跨距為12m×9m的大跨距鋼柱頭上，跨距是該7015塔機原廠6m跨距鋼底架的2倍；塔機水平位置為大偏心放置以使塔機最大限度靠近樓頂邊緣；塔機放置于桁架底部以最大限度降低塔機初裝高度；采用全桁架式結構（圖4），最大限度降低鋼架自重至32t，僅為原廠6m跨距鋼底架自重的2倍；以上設計最終均為剛好滿足以下技術指標要求。

圖4 異形偏心塔機基礎鋼架模型圖

1）剛好滿足塔機自重及彎矩作用下的強度和剛度要求，保證了塔機垂直度符合規范。

2）使得350t汽車起重機超起帶角度副臂剛好能夠跨過樓頂角吊裝塔機所有部件。

3）使得塔機初裝塔頂高度控制為86m（相對地面），地面場地所能容許的350t汽車起重機剛好滿足在該高度吊裝塔機頂部部件的能力。

1.2 改裝型塔機支腳

塔機支腳采用大尺寸4向肋板，強度滿足塔機對支腳的水平力及豎向力要求，事先通過銷軸安裝于塔機標準節，與標準節整體吊裝至塔機基礎鋼架預定位置后再焊接，保證塔機基礎部分整體安裝精度，如圖5所示。

圖5 改裝型塔機支腳焊接安裝后實圖

1.3 350t汽車起重機支腿用跨溝鋼箱梁

外形尺寸為3.6m×2m×0.63m，自重4t，采用工字鋼作為縱向主肢配以橫向肋板構成實腹式箱梁，加工焊接方便，具有足夠的抗彎強度，支架在有地下暗溝的場地上，可承受350t汽車起重機支腿壓力并具備較大安全系數，如圖6所示。

圖6 跨溝鋼箱梁支車實圖

2 設計過程

2.1 異形偏心塔機基礎鋼架設計

2.1.1 整體結構型式設計分析

1）鋼架設置在樓頂西南角，是依據僅商城下西南角勉強具備支放350t汽車起重機的現實，以及該處僅有的4個建筑鋼結構柱頭的存在。

2）鋼架總體高度不宜過高，故塔機支腳應設置于基礎鋼架底部，以最大限度降低塔機初裝高度。

3）因鋼架跨距達12m，吊裝高度達73m，最大限度輕量化設計尤為重要，故采用斜腹桿式桁架結構作為主要受力梁結構。

4）塔機水平位置因安裝時吊裝要求限制，需向桁架平面內的西南部偏移設置，以便塔機靠近樓頂邊緣，故鋼架應采用縱、橫向主、次梁形式，以提供塔機位置的充足微調空間。

2.1.2 塔機支腳壓力組合計算

1）當塔機傾覆力矩方向為正北工況時

2）當塔機傾覆力矩方向為西北工況時

式中：F1、F2、F3、F4為塔機對各支腳主肢的豎直壓力；Fk為塔機對4個支腳的總豎直力，Fk=948kN（塔機說明書）；Mk為塔機做用于塔機4個支腳處最大傾覆力矩，2236.15kNm（塔機說明書）；l、b分別為塔機支腳之間的縱、橫向間距，1.88m；n為塔機支腳個數，4個；n2為縱向上支腳列數，2列；L為對角2個塔機支腳之間的間距，2.659m。傾覆力矩工況如圖7所示。

圖7 傾覆力矩工況示意圖

3）八種傾覆力矩方向工況計算結果匯總

按2.1.2所述計算方法，可分別求得另外6種傾覆力矩方向工況時的F1、F2、F3、F4數值。如圖8及表1所示。

圖8 8種傾覆力矩方向工況說明

表1 8種傾覆力矩方向工況時支腳壓力（kN）

2.1.3 基礎鋼架主結構H型鋼尺寸設計

1）鋼材許用應力確定

解得：[σs]=250MPa

式中：σs為Q345B鋼材厚度為16～40mm時的屈服應力計算值,335MPa；KnB為塔機在載荷組合B時的安全系數，1.34；[σs]為16～40mm厚的Q345B鋼材在用于塔機載荷組合B時的許用應力。

2）鋼架剛度基本要求

根據GB/T5031-2008規定，本獨立式塔機的塔身垂直度應小于等于4‰，另本塔機獨立高度僅為19.3m，因塔機支腳接口所在平面輕微水平度偏差所造成的塔身彎曲撓度很小，根據多年經驗，需保證4個塔機支腳接口所在平面的水平度偏差小于等于2.5‰。

3）基于SolidWorks的建模及有限元分析

基礎桁架主要結構均采用H型鋼材，在模型上分別加載表1中8種工況時的支腳壓力，通過對桁架主肢及斜腹桿H型鋼截面尺寸的逐步調節，最終得到符合強度及剛度要求的有限元應力云圖及變形位移云圖。8種工況下鋼架變形位移的有限元分析結果見表2，工況5的鋼架有限元變形位移云圖見圖9。8種工況下鋼架應力的有限元分析結果見表3，工況5的鋼架有限元應力云圖見圖10（因篇幅限制，其它7種工況云圖未展示）。

圖9 工況5的鋼架有限元變形位移云圖

圖10 工況5的鋼架有限元應力云圖

表2 8種工況時鋼架變形位移分析結果

表3 種工況下鋼架應力分析結果匯總表

4）主要H型鋼截面尺寸統計如表4所示。

表4 主要H型鋼截面尺寸統計匯總

2.2 塔機支腳改裝設計

2.2.1 改裝設計方案分析確定

1）原廠預埋支腳底板若直接焊接基礎鋼架橫梁，底板將承受巨大彎矩，受力不合理，故取消支腳底板，使肋板直接焊接于鋼架橫梁之上。

2）本塔機支腳非預埋形式安裝，需對原廠塔機預埋支腳的肋板強度做加強設計（圖11），以抵抗塔機作用在4個支腳上的71kN水平力。

3）本塔機支腳因本工程特點，需在高空露天現場迅速與鋼架對裝焊接，肋板底面長度的增加可以降低對焊縫質量要求，保證絕對安全。

2.2.2 塔機支腳有限元應力分析

采用SolidWorks建模，將塔機支腳最大壓力1077.97kN加載于支腳上接口，單個支腳的最大水平力35.5kN按2個方向加載于支腳上接口附近，如圖12所示。通過有限元分析得到以下結果。

圖11 塔機支腳主要改裝設計要點

圖12 塔機支腳有限元應力云圖

1）肋板應力較小，均在70MPa以下，有充足的強度余量。

2）最大極力聚集在肋板頂端附近的主肢角鋼上，其最大局部應力為202.156MPa，小于主肢材料（Q345B）的許用應力250MPa。

2.3 塔機安裝的吊裝工序設計

2.3.1 汽車起重機超高吊裝模擬

通過計算機1∶1圖形模塊，真實模擬350t汽車起重機在吊裝塔機所有部件的平面圖、立面圖，確認起重臂與周邊所有高聳建筑之間的位置關系，審查各作業半徑時的額定起重量是否滿足吊載要求，確保切實可行。圖13及圖14為其中部分吊裝模擬圖（因篇幅限制，僅展示3張吊裝模擬圖）。

圖13 吊裝塔機起重臂平面模擬分析圖

圖14 吊裝塔機基礎鋼架及塔機主機立面模擬分析圖

2.3.2 設備進場組裝吊車工序

1）350t汽車起重機最先從西北口進入行至商城西南角路口的預定支車位置，自行出半支腿。

2）1輛運跨溝鋼箱梁的板車、2輛運350t汽車起重機配重的板車進場至350t汽車起重機北側，350t汽車起重機自行安裝鋼箱梁及配重。

3）3輛運350t汽車起重機副臂、超起支架的板車及1輛50t輔助汽車起重機進場，用50t汽車起重機拼裝350t汽車起重機副臂及超起支架機構。

2.3.3 塔機安裝的吊裝工序

1）3輛運輸塔機基礎鋼架片段的板車進場，使用350t汽車起重機吊裝至商城樓頂的預定塔機基礎位置（圖15）。

圖15 塔機安裝中高空吊裝實圖

2）塔機基礎鋼架組裝焊接完畢后，運輸塔機的6輛板車陸續進場，先吊裝帶有塔機支腳的基礎節，與塔機基礎鋼架上的預定位置焊接。

3）塔機支腳焊接完畢后，后續塔機部件的安裝按常規安裝工藝進行。

3 結 語

本文技術設計精確指導了本次特殊塔機安拆。塔機安裝總時間為4天，其中350t汽車起重機支、收車1天，塔機基礎鋼架吊裝及焊接1天，塔機主機安裝1天。350t汽車起重機高空多障礙吊裝以及群體機械設備站位尺寸與本技術設計中的測繪及模擬一致；跨溝鋼箱梁架放在地下暗溝上穩固支撐了350t汽車起重機支腿；塔機安裝后，異形大偏心基礎鋼架的強度和剛度與技術設計預期一致。

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