動(dòng)臂塔機(jī)利用鋼結(jié)構(gòu)框架爬升施工技術(shù)

（中國建筑第二工程局有限公司,北京 100000）

1 工程概況

昆明春之眼項(xiàng)目由2 棟超高層塔樓和7 層裙樓組成,總建筑面積約60 萬m2。由于項(xiàng)目地處高抗震設(shè)防烈度區(qū)域,抗震要求高,結(jié)構(gòu)形式與常規(guī)超高層綜合體有較大差別,裙樓地上為鋼框架結(jié)構(gòu),主塔為鋼板剪力墻核心筒+巨柱外框結(jié)構(gòu)。副塔結(jié)構(gòu)形式鋼框架+支撐筒體,主塔核心筒為全鋼結(jié)構(gòu),外框結(jié)構(gòu)為鋼管混凝土柱+鋼梁+組合樓板,項(xiàng)目總體分期開發(fā),一期施工至裙樓封頂、塔樓施工至12F。由于塔樓核心筒結(jié)構(gòu)形式限制,核心筒不具備動(dòng)臂塔機(jī)安裝條件,為滿足施工要求,動(dòng)臂塔機(jī)必須布置在外框位置。本項(xiàng)目為解決動(dòng)臂塔機(jī)安裝在鋼框架外框的技術(shù)難題,采取了一系列設(shè)計(jì)優(yōu)化和施工技術(shù)優(yōu)化,確保動(dòng)臂塔機(jī)在鋼框架上的安全附著和使用。

2 動(dòng)臂塔機(jī)使用設(shè)計(jì)

2.1 塔機(jī)選型及使用規(guī)劃

本項(xiàng)目由于主體鋼結(jié)構(gòu)吊裝量大,副塔需要布置兩臺(tái)動(dòng)臂塔機(jī)方可滿足施工要求,項(xiàng)目綜合考慮施工進(jìn)度、塔機(jī)選型分析、租賃市場等多方面因素,項(xiàng)目決定選用1 臺(tái)ZSL1250(60m)和1臺(tái)MD760DX（52.5m）對(duì)副塔施工范圍進(jìn)行全覆蓋,滿足現(xiàn)場垂直運(yùn)輸、鋼結(jié)構(gòu)安裝等施工要求。

由于基礎(chǔ)筏板鋼筋和預(yù)埋件吊裝量大,為滿足筏板施工吊裝要求,2 臺(tái)動(dòng)臂塔機(jī)基礎(chǔ)均布置在副塔筏板下,動(dòng)臂塔機(jī)從基礎(chǔ)筏板開始介入結(jié)構(gòu)施工。在項(xiàng)目一期施工中,動(dòng)臂塔機(jī)隨著結(jié)構(gòu)施工高度增加標(biāo)準(zhǔn)節(jié),根據(jù)一期塔樓施工結(jié)構(gòu)吊裝要求,塔機(jī)的最終安裝高度需要達(dá)到84m 以上才能滿足結(jié)構(gòu)吊裝要求,由于動(dòng)臂塔機(jī)的最大自由高度只有56m,因此動(dòng)臂塔機(jī)需要超過最大獨(dú)立高度作業(yè)（利用附著或隨結(jié)構(gòu)爬升）。并且該型塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)在國內(nèi)暫無庫存,因此動(dòng)臂塔機(jī)需要借助結(jié)構(gòu)爬升以達(dá)到設(shè)計(jì)安裝高度。

2.2 塔機(jī)爬升規(guī)劃

原使用規(guī)劃中,該動(dòng)臂塔機(jī)為外附著安裝形式。塔機(jī)安裝完成后,準(zhǔn)備頂升之前,發(fā)現(xiàn)M760DX 塔機(jī)在國內(nèi)無閑置標(biāo)準(zhǔn)節(jié),無法進(jìn)行正常頂升加節(jié)工作,原外附著方案需要變更,如施工要求,只能采用自爬升方案,利用外框結(jié)構(gòu)鋼梁作為爬升支撐點(diǎn)和使用支撐點(diǎn)。變更后動(dòng)臂塔機(jī)爬升規(guī)劃如圖1 所示。

3 動(dòng)臂塔機(jī)結(jié)構(gòu)爬升加固

圖1 塔機(jī)爬升規(guī)劃圖

變更后的動(dòng)臂塔機(jī)需要爬升2 次,塔機(jī)支撐梁需要支撐在地下室頂板、L4、L8 層外框鋼梁上。經(jīng)設(shè)計(jì)單位核算,原樓板、鋼梁結(jié)構(gòu)無法滿足動(dòng)臂塔機(jī)的荷載要求,故要對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng),以確保動(dòng)臂塔機(jī)的爬升、使用不對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞。

本項(xiàng)目裙樓地下為鋼筋砼結(jié)構(gòu),地上結(jié)構(gòu)為組合鋼結(jié)構(gòu)（鋼管混凝土柱+鋼梁組合樓板）,總體而言,加固施工相較于傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)比較容易施工。經(jīng)過比選最后選定的加固措施為：用圓管柱對(duì)L1 層砼梁進(jìn)行回頂,層層回頂?shù)交A(chǔ)筏板；對(duì)L4、L8 動(dòng)臂所處鋼梁進(jìn)行加肋、加水平斜撐、加豎向拉桿等措施進(jìn)行加強(qiáng),達(dá)到動(dòng)臂塔機(jī)工作的承載力要求。

3.1 地上鋼結(jié)構(gòu)外框結(jié)構(gòu)加固

塔機(jī)爬升位置的外框結(jié)構(gòu)形式為鋼框架結(jié)構(gòu)+組合樓板,相較于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),承載能力相近,但是結(jié)構(gòu)剛度較小。但鋼結(jié)構(gòu)具有工藝簡單、施工快的優(yōu)點(diǎn),為滿足動(dòng)臂塔基的承載能力要求,對(duì)外框鋼結(jié)構(gòu)的豎向和橫向均進(jìn)行加固,加固初步設(shè)計(jì)如下。

3.1.1 水平方向結(jié)構(gòu)加固

原結(jié)構(gòu)梁為H 型鋼,結(jié)構(gòu)尺寸為800×300×16×25（mm）,鋼梁的Y 軸抵抗性能較差,由于承擔(dān)的荷載遠(yuǎn)大于原框架梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載,為保證結(jié)構(gòu)梁的橫向穩(wěn)定性,在2 根承載鋼梁上增加水平拉桿,增加的拉桿可以顯著提高承載鋼梁的Y 軸剛度,加固后平面布置如圖2 所示。

3.1.2 豎向結(jié)構(gòu)加固

圖2 水平方向結(jié)構(gòu)加固布置圖

由于原結(jié)構(gòu)鋼梁豎向承載能力不足,需要進(jìn)行加固：①加強(qiáng)鋼梁本身的結(jié)構(gòu),提升鋼梁本身承載力；②對(duì)鋼梁所承擔(dān)的荷載進(jìn)行疏導(dǎo),通過拉桿將荷載傳遞到上層或下層的梁柱節(jié)點(diǎn)上,支撐式和上拉式加固施工難度相近,但是由于下?lián)问嚼瓧U設(shè)計(jì)中,拉桿處于受壓狀態(tài),較為不利。因此增加的拉桿選擇上拉式拉桿方案,兩種加固方式對(duì)比如圖3 所示。

圖3 豎向結(jié)構(gòu)加固方案比選

由于塔機(jī)支撐梁傳遞的主要是集中荷載,且集中荷載較大,遠(yuǎn)大于原設(shè)計(jì)的樓板荷載,雖然已經(jīng)對(duì)鋼梁進(jìn)行了加強(qiáng),但其本身抗彎能力不足以承受塔機(jī)集中力所產(chǎn)生的彎矩,需要將鋼梁受到的集中荷載通過拉桿傳遞一部分到梁柱節(jié)點(diǎn)上,為簡化內(nèi)力傳輸路徑,拉桿設(shè)計(jì)為鉸接桿件,與節(jié)點(diǎn)的連接采用銷軸連接,鉸接支座現(xiàn)場焊接于結(jié)構(gòu)上,焊縫探傷驗(yàn)收完成之后實(shí)測兩端銷軸的中心距離,在工廠根據(jù)實(shí)測數(shù)加工拉桿,拉桿尺寸為□325×14（圖4）。拉桿的安裝和固定在現(xiàn)場完成,銷軸的直徑為100mm,加工精度±1mm。

圖4 豎向結(jié)構(gòu)加固拉桿

3.2 鋼梁加強(qiáng)

動(dòng)臂塔機(jī)利用鋼框架爬升時(shí),塔機(jī)支撐梁直接支承于結(jié)構(gòu)鋼梁上,支撐梁所傳遞的荷載超過原結(jié)構(gòu)梁的抗彎承載力,因此需要對(duì)原結(jié)構(gòu)梁進(jìn)行加強(qiáng),且不宜改變?cè)Y(jié)構(gòu)尺寸。因此,在不改變?cè)Y(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上只能對(duì)原結(jié)構(gòu)梁進(jìn)行加強(qiáng),將原結(jié)構(gòu)梁尺寸由300×800mm 加大到400×800mm,鋼梁承受的荷載主要為集中豎向荷載,水平側(cè)向作用力較小,因此,主要加固方向是提高鋼梁的抗彎承載力及集中荷載位置的抗剪承載力：在鋼梁集中受力點(diǎn)位置增加加勁板,同時(shí)鋼梁整體腹板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),H 型鋼兩側(cè)增加2塊腹板,形成鋼箱梁（圖5）。

圖5 加固鋼梁結(jié)構(gòu)圖

4 加固結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

對(duì)于該項(xiàng)臨時(shí)加固結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算采用手算和電算相互校核,手算通過荷載與允許應(yīng)力的關(guān)系估算構(gòu)件截面積,并完成選型構(gòu)件。構(gòu)件選型完成并手算驗(yàn)算通過,滿足許用應(yīng)力要求以后,再建立Midas 有限元模型對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體核算,對(duì)手算結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。

考慮鋼梁補(bǔ)強(qiáng)腹板與柱不焊接,因此模型建立時(shí)用梁柱節(jié)點(diǎn)形式鉸接和剛接分別建立模型,計(jì)算結(jié)果鋼梁的受荷最不利工況為鉸接工況,選取最不利的工況為計(jì)算模型；拉桿兩端的連接均為銷軸連接,因此拉桿兩端的連接形式均為鉸接,最終建立的局部驗(yàn)算模型如圖6 所示。

圖6 有限元驗(yàn)算模型

將塔機(jī)設(shè)計(jì)荷載加載后得出桿件的各項(xiàng)應(yīng)力圖,控制應(yīng)力為鋼梁的平面內(nèi)彎矩值,最不利的主梁的彎矩應(yīng)力如圖7 所示,驗(yàn)算結(jié)果的鋼梁允許應(yīng)力比均小于1.0,滿足使用安全要求。

圖7 構(gòu)件應(yīng)力云圖

5 結(jié)語

在項(xiàng)目面對(duì)前期策劃受外界影響,而無法施行的條件下,通過一系列優(yōu)化加固措施,成功解決了項(xiàng)目施工中遇到的技術(shù)難題,總結(jié)了部分動(dòng)臂塔機(jī)安裝于鋼框架上的施工和加固經(jīng)驗(yàn),對(duì)動(dòng)臂塔機(jī)穿過的混凝土結(jié)構(gòu)、鋼框架結(jié)構(gòu)采取針對(duì)性的加固措施,在保證安全質(zhì)量的前提下,確保大型機(jī)械的正常使用,助力項(xiàng)目進(jìn)度履約。對(duì)于同類項(xiàng)目有較強(qiáng)的借鑒意義。