外爬塔吊作用下核心筒受力分析及加固措施

劉強 ，張劍 ，劉暢 ，潘春龍 ，王輝 ，張冬冬 ，陳思明

（1.深圳大學建筑設計研究院有限公司，廣東 深圳 518060；2.中建三局集團有限公司東北分公司，沈陽 110000）

1 引言

超高層建筑中，鋼筋混凝土核心筒的墻體厚度隨著高度增加而逐漸減薄，施工期間，外爬塔吊（簡稱爬塔）附著于外墻上，如不對核心筒墻體的承載力進行施工階段驗算，將極有可能引起墻體裂縫，爬塔支座不穩固后，繼而可能引發爬塔倒塌事故。另外，還需驗算核心筒連梁在施工階段的承載力，避免在此階段就出現裂縫。本文重點關注爬塔支架反力作用下鋼筋混凝土核心筒（墻肢和連梁）自身的承載力及加固問題，以及爬塔支架及埋件的設計、爬塔支架的反力等，由合作單位提供。

2 工程概況

沈陽環球金融中心位于沈陽市中心沈河區，T2 塔樓主體結構高度296.1m，幕墻頂點高度為328m。采用框架-核心筒體系，結構平面布置規則，框架柱均采用型鋼混凝土，框架梁均采用鋼筋混凝土，鋼筋混凝土核心筒全高采用C60 混凝土，結構33 層以下的墻內設置型鋼暗柱。

3 施工安排及問題的提出

根據爬塔的布置位置和爬升方案，按實際情況對核心筒進行受力計算分析。根據施工安排，本工程采用2 臺外爬塔式起重機（見圖1）。圖1 左側為M600D 塔吊，右側為M760DX 塔吊，分別布置于田字格東西兩側靠北處。

根據施工方提供的塔吊爬升方案：核心筒采用爬模，外框采用爬架，核心筒領先外框及核心筒樓板施工最大19 層；需考慮混凝土齡期強度，要求下部支架處墻體強度達到100%，上部支架處墻體強度達到75%；外框7~10 層按照10d/層施工，11~49 層按照 7d/層施工，50 層~屋頂按照 3d/層施工，核心筒按照5d/層施工。

圖1 爬塔平面布置及外墻受力簡圖

根據上述爬塔布置和爬升方案，核心筒墻體先于外框爬升較多樓層，爬塔支架附著處的相關樓板并未形成，爬塔上支架附著處墻體混凝土強度未達到設計強度，因此，未形成外框和樓板的筒體在爬塔作用下獨自受力，有必要對核心筒的承載力進行復核。2 部爬塔偏置于靠北一側，當同向作用時，北側連梁承受較大面內彎矩，需采取保護措施。

4 加固原則和措施

剪力墻面內承載力往往較大，而面外承載力往往較弱，墻體厚度較大時尚可無需加強，但墻體減薄后，需根據分析和計算，明確加固原因，確定加固原則及對應措施。

4.1 墻厚≥1 000mm 時，無需任何加固

當墻厚≥1 000mm 時，剪力墻不設支撐，無需加固。

4.2 800mm≤墻厚≤900mm，僅連梁側面配筋加強，不設支撐

加固原因：平行爬塔受力方向的2 片墻（面內受力，承載力很大）看作垂直爬塔受力方向墻體（面外受力）的支座，雖然墻體本身的面外承載力可以承擔爬塔支架的作用力，無需設置支撐；但是，將2 片墻肢連在一起的連梁，將產生較大的面外彎矩，而連梁本身的面外承載力較弱，需加強其面外承載力。

加固原則及對應措施：不設置支撐，但爬塔支架附著處上下一定范圍的核心筒連梁需要配置抵抗面外彎矩的縱向鋼筋，在連梁兩側設置1~5 根25mm 鋼筋。

4.3 墻厚≤700mm 時，設置支撐，且連梁側面配筋加強

加固原因：墻體自身無法抵抗面外荷載作用，需將部分面外作用力傳遞到其他墻肢上；連梁仍受一定面外力，需加強其面外承載力。

加固原則及對應措施：設置支撐，撐桿采用Q345B 空心圓管（40mm×2mm×16mm），將爬塔支架主梁及斜撐處垂直墻面的荷載，通過撐桿傳遞到T 型墻肢連接處；連梁面外抗彎附加鋼筋根據電算確定，在連梁兩側設置1~5 根25mm 鋼筋。

4.4 墻厚≤500mm 時，與水平撐對應的墻角加臨時鋼板腋

加固原因：水平撐垂直墻面的支反力大于外墻抗沖切承載力，外墻有被水平斜撐沖壞或埋件被拔出的可能，需將部分內力就近傳到相交墻上。

加固原則及對應措施：水平撐支反力就近傳遞，但需避開暗柱區設置埋件，2 埋件通過鋼板連接，共同受力。

4.5 墻厚≤500mm 時，面內受力連梁的保護措施

加固原因：2 部爬塔分別附著于核心筒田字格東西側靠北處，當墻體減薄后，北側墻體面內側向變形較大，墻間連梁是1根兩端固定的單跨梁，最不利情況下，相同標高處支座反力同向時，核心筒受剪切作用，墻肢發生側向變形，連梁固端產生轉角，則連梁產生較大彎曲變形。連梁原有配筋不足以承擔相應的彎矩，如不采取保護措施，連梁縱筋屈服后，原結構設計遭破壞。

加固原則：不能允許連梁在施工階段發生縱筋屈服，因為縱筋屈服后的彈性模量遠小于初始彈性模量，地震作用下連梁無法起到預定的耗能效果；也不能因施工階段而增加連梁縱筋，如連梁超筋，地震作用下仍然不能起到預定的耗能效果，因此，必須采取臨時性的保護措施。這些保護措施需要保證原設計的連梁在爬塔作用下不受力或者少受力，而且要求構造簡單，便于施工，易于撤除。

分析比較了多種連梁保護措施：（1）將連梁洞口進行臨時封堵，采用X 撐傳遞洞口間剪力，對受力較大處，支撐間還設置鋼板。（2）連梁上下加高，原設計連梁作為梁的中間部分，施工狀態下連梁上下加高部分的配筋作為受力筋，爬塔拆去后割斷加高部分的縱筋。其中，上下層連梁必須與中間層連梁共同澆筑，否則起不到協同工作效果，中間連梁得不到保護。（3）連梁頂底貼鋼板，鋼板相當于增加連梁配筋，但受力鋼板必須有效錨固于墻體內。（4）連梁側面貼鋼板：鋼板上下邊緣伸出連梁一定距離，使原有連梁居于這種兩側夾鋼板的組合連梁的中部，盡量由鋼板抗彎；鋼板外側加焊角鋼，防止板件面外失穩；鋼板四角布置通長對拉高強螺桿，采用8.8 級M16 摩擦型高強螺栓，鋼板可兼作對應區域的混凝土模板。

比較上述4 種措施，洞口封堵的效率最好，但制作、安裝支撐桿件及埋件費工費時，而且埋件與暗柱或連梁內配筋會有沖突；連梁頂底貼鋼板，鋼板需有效錨入兩側墻體內，安裝麻煩；連梁側面貼鋼板效率較低，雖然通過合理設計可有效保護連梁，但給爬模施工的模板工程帶來麻煩；最終選擇連梁臨時加高方案，制定切割縫施工做法，后期割斷臨時加高部分的受力筋。

5 計算過程及結果介紹

采用Midas Gen 進行有限元分析，并結合概念判斷及必要的手算復核。計算內容主要為：（1）核心筒的整體變形和位移；（2）墻體的抗拉壓、抗剪、抗彎和抗沖切承載力；（3）連梁的抗剪和抗彎承載力；（4）支撐的強度和穩定驗算。

5.1 有限元模型介紹

墻體采用殼單元（效率高于塊單元，便于多模型、多工況分析），殼單元尺寸為0.4m 左右，加支架反力處局部加密至0.2m 左右，墻內型鋼采用梁單元，梁單元節點與殼單元節點對應，支撐采用梁單元。

計算模型僅考慮還未形成外框架和樓板的筒體墻，選取下支架以下不少于5 層的位置作為模型的嵌固端，相當于根部嵌固的懸臂核心筒。

除結構自重外，考慮爬塔支架荷載（主要作用）和墻上風荷載（影響不大）。爬塔支架反力為已考慮動力作用的荷載設計值，按節點荷載施加于墻體殼元的節點上，節點數根據預埋件的尺寸和殼元的尺寸確定。混凝土的材料強度按實際齡期考慮。

5.2 結構變形驗算

計算結果表明，爬塔同向作用時，最后一次爬升后，北側外墻水平位移最大，整體水平位移滿足變形要求。

5.3 支撐結構設計

5.3.1 桿件的截面設計和驗算

墻厚≤700mm 時需設置支撐，支撐設計要點為：（1）通過鋼管將爬塔支架垂直墻面的作用力直接傳遞到對面兩向墻肢正向相交的墻肢交點處，撐桿與墻體法線夾角為13°~15°，將墻體面外力轉化為面內力；（2）鋼管支撐與埋件間采用銷軸連接，鋼管端部按鉸接考慮；（3）圓管支撐計算長度系數取1.0，圓管截面 402mm×16mm，最大長細比為 λ=79≤150，滿足要求【1】。

每部爬塔工作時，上下支架主梁和斜撐根部各對應2 根支撐，加上為下次爬升而預裝的支撐，2 部爬塔共需20 根鋼管循環利用。

墻最薄時（墻厚=400mm），面外承載力較低，是撐桿最不利受力情況，將爬塔支架的支座反力直接作用在撐桿的端節點上，考慮兩部爬塔作用力同向或反向時的工況，其中，支座反力為已考慮動力作用的荷載設計值，按等效靜荷載進行靜力計算。

5.3.2 連接件計算

撐桿與埋件間采用銷軸連接，銷軸與耳板地面對接，吊裝就位后耳板現場焊于埋件上。銷軸選用Q345B 鋼材，銷軸直徑120mm，撐桿雙耳板，厚度2×40mm，埋件單耳板，厚度80mm。驗算內容包括：銷軸的承壓、抗剪、抗彎、彎剪組合強度，銷軸孔的凈截面抗拉強度，耳板端部抗拉（劈開）強度驗算，耳板抗剪強度。

5.3.3 埋件設計

埋件設計時，由墻體的沖切承載力確定錨板尺寸，并采用短鋼梁代替錨筋，使得與爬塔支架自身的埋件形式一致，需要注意的是，支撐桿與爬塔支架共用一個埋件時，需在埋件中部設置能夠直接傳遞大部分作用力的鋼板。

5.4 墻體承載力驗算

上支架處墻體的混凝土強度達到下支架的75%，而上支架的支座反力不到下支架的一半，其他條件都相同的情況下，可判斷下支架處墻體受力更不利【2】。

驗算情況包括：不加支撐的最小墻厚800mm 及加支撐的最小墻厚400mm 時，墻體的抗剪和抗彎承載力，墻體混凝土應力。

5.5 連梁抗剪及面外抗彎承載力驗算

連梁抗剪和面外抗彎問題主要由兩端墻體的變形差引起，可根據電算結果提取內力驗算是否小于對應抗力。驗算面外抗彎承載力時，可考慮連梁側面鋼筋及部分縱筋，根據雙筋矩形截面進行驗算。

6 主要結論

參考文獻【3】介紹了爬塔支架的設計及內力計算，是本文進行核心筒受力復核的前提條件；參考文獻【4】進一步給出了墻體加固，但項目各有特點，國內此類文獻較少。本文將爬塔支架的作用力直接用于核心筒復核，重點關注核心筒結構本身的承載力問題，給出了驗算方法、加固原則和措施：

（1）墻體較厚時，連梁截面也較大，可不予處理，但墻厚≤800~900mm 時，應根據爬塔支架與連梁的關系，復核連梁是否滿足面外受彎；（2）墻厚≤700~800mm 時，應根據項目特點驗算是否需要設置支撐，支撐應將外墻的面外力就近轉移到能面內受力的墻肢上；（3）墻厚較薄時，需注意支點埋件的沖切承載力，避免埋件沖壞或拔出；（4）墻厚較薄時，還需注意不利工況下核心筒的整體變形，關注墻肢間的薄弱構件——連梁，如不滿足承載力要求，應采取施工階段的保護措施。

施工過程中，現場觀察核心筒無明顯裂縫，說明驗算成果及加固措施滿足要求，切實可行。