內爬式塔式起重機基礎下方連梁鋼支撐加固數值模擬*

姜繼果，薛曉宏，楊 磊，姜子麒，陳 龍

(中鐵二十局集團第六工程有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

隨著我國城市化的快速發展，建筑用地資源日趨緊張，超高層建筑在城市建設規劃中越來越受到青睞。內爬式塔式起重機高度一定，具有上、下2層附著框架，先在上層框架固定塔機，釋放塔機與下層框架的連接，并通過固定于下層框架上的頂升裝置頂升塔身，再以上層框架為下層框架循環頂升，使塔機在建筑物核心筒內隨施工進度逐步向上爬升。內爬式塔式起重機工程性能優異，在高層建筑中被廣泛應用，與其相關的研究也有了長足發展。周明等[1]和張家偉[2]結合實際工程著重分析了塔式起重機爬升方法及框架建模中遇到的問題。陳愛華等[3]和姚剛等[4]使用軟件模型化處理附墻支撐系統中的設計強度問題。運用不同有限元軟件模擬分析內爬式塔式起重機塔身及附著結構的結構特性，是目前內爬式塔式起重機研究的主要方向。內爬式塔式起重機常附著于核心筒電梯間等剛度較大部位，而這類空間較狹小，有時塔式起重機附著點無可避免位于結構剛度薄弱處，需對其進行加固，以保證安全[5]。

1 工程概況

綠地絲路全球文化中心項目位于西安市灞橋區，其中5，7號樓為超高層建筑，采用核心筒+鋼框架結構，地下2層，地上36層，建筑高度達160m。為滿足主塔樓施工要求，采用 ZSL500型內爬式塔式起重機在核心筒內爬升，吊臂長60m，塔式起重機總高52m。塔式起重機C框梁尺寸為3.4m×3.4m，安裝筒可利用空間為8.9m×5.6m，支撐鋼梁長9.7m，內爬塔基礎鋼梁布置如圖1所示。

圖1 內爬塔基礎支撐鋼梁布置

2 加固方法

由于核心筒內可利用空間較小，其中1道支撐梁兩端支撐點位于混凝土連梁LL3(400mm×1 200mm)， LL5(800mm×800mm)跨中位置。連梁下為空洞，作為塔式起重機的支撐點無法保證充足的安全儲備，需對LL3，LL5進行加固。目前常用增大截面加固法、粘貼型鋼加固法、外包型鋼加固法及增設鋼支撐加固法進行結構局部加固[6]。增設鋼支撐加固法通過增加結構構件對原框架結構受壓進行合理分攤，可降低原結構承受荷載，提高整體結構穩定性。此類加固方法施工簡便、施工效率高、成本投入低，特別對于臨時加固結構，拆裝方便，廣泛應用于結構局部加固[7]。本工程加固主要用于抵抗施工期間塔式起重機荷載，其增設支撐用完即拆，因此采用由Q235鋼材制作的外徑375mm、壁厚10mm無縫鋼管作為鋼支撐對連梁進行加固，每次塔式起重機爬升結束，利用塔式起重機內吊及時運輸鋼管支撐至附著層繼續對連梁進行加固。

3 內爬塔工況分析與模型建立

對ZSL500型內爬式塔式起重機進行受力簡化分析，綜合考慮起重力矩和風荷載的影響，可知塔式起重機上支撐框架只受水平荷載作用，下支撐框架承擔塔式起重機自重和吊重產生的豎向荷載(見圖2)。因此受力最不利的最下面一道支撐鋼梁受垂直力V、水平力R共同作用。

圖2 內爬塔結構反力

工作期間內爬式塔式起重機吊臂可在平面內360°無死角工作，根據吊臂作業方向分為8種工況(見圖3)，分別計算各工況下支撐鋼梁與混凝土連梁接觸點荷載。

圖3 內爬塔工況分析

3.1 模型建立

利用MIDAS Gen有限元分析軟件建立塔式起重機基礎支撐鋼梁模型，如圖4所示。ZSL500型內爬式塔式起重機附著框架基礎支撐鋼梁由400mm×900mm箱式鋼梁組成，上、下底板采用30mm厚鋼板，左、右側板采用20mm厚鋼板，采用Q345鋼材，屈服強度fy為345MPa，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3。塔式起重機支撐鋼梁主梁通過與結構預埋件焊接形成固定連接，節點1～4為基礎鋼梁與核心筒接觸點，并在此節點設置剛性約束。

圖4 內爬塔基礎支撐鋼梁模型

3.2 荷載參數

ZSL500型內爬式塔式起重機最大起重量為32t，選定起重半徑15.4m、吊重32t進行塔式起重機工作復核。根據ZSL500型內爬式塔式起重機說明書、現場條件及GB 50068—2018《建筑結構可靠性設計統一標準》，塔式起重機動荷載取作用分項系數1.5，靜荷載取作用分項系數1.3，確定塔式起重機荷載數值如表1所示。

表1 ZSL500型塔式起重機荷載取值

3.3 支座反力

各支座反力計算結果如表2所示。

表2 基礎梁支座反力 kN

3.4 混凝土連梁承載力驗算

連梁寬300mm，高600mm，混凝土強度等級為C60，受拉縱筋9φ22，截面面積3 419.46mm2，受壓縱筋5φ16，截面面積1 004.8mm2。

1)混凝土連梁垂直方向正截面驗算

截面有效高度h0=h-as=565mm；相對受壓區高度ζb=β1/[1+fy/(εcuEs)]=0.576；最小配筋率ρmin=max(0.45ft/fy，0.2%)=0.34%；截面配筋率ρ=As/(bh0)=2.02%；用于平衡受壓鋼筋A′s的受拉鋼筋面積As2=A′sf′y/fy=1 005mm2；用于平衡混凝土壓力的受拉鋼筋面積As1=As-As2=2 415mm2；As1受壓區混凝土形成的截面抵抗彎矩Mu1=fyAs1(h0-x/2)=342.60kN·m；As2和A′s形成的截面抵抗彎矩M′u=f′yA′s(h0-a′s)=191.72kN·m；抗彎承載力Mu=Mu1+M′u= 534.31kN·m。

混凝土連梁跨度為3.3m，Fzmax=626.7kN，故M=PL/4=517.028kN·m(P為連梁中點所受集中力，L為連梁跨度)。考慮塔式起重機工作可能遇到的極端天氣環境及工作過載情況，為保證混凝土結構安全性，需對連梁結構進行加固。

2)混凝土連梁水平方向正截面驗算

截面有效高度h0=h-as=265mm；相對受壓區高度ζb=β1/[1+fy/(εcuEs)]=0.576；最小配筋率ρmin=max(0.45ft/fy，0.2%)=0.34%；截面配筋率ρ=As/(bh0)=1.98%；用于平衡受壓鋼筋A′s的受拉鋼筋面積As2=A′sf′y/fy=3 154mm2；用于平衡混凝土壓力的受拉鋼筋面積As1=As-As2=0；因此，受壓區高度x=fyAs1/(α1fcb)=0。ρ≥ρmin，且x<2a′s，此梁為適筋梁但受壓鋼筋未屈服；近似取x=2a′s，抗彎承載力Mu=fyAsh0(1-a′s/h0)=195.87kN·m。

混凝土連梁跨度為3.3m，Fxmax=189.6kN,故M=PL/4=156.42kN·m。因此連梁在水平方向無需加固。

4 鋼支撐結構形式分析

鋼支撐常采用柱狀支撐和V形支撐。利用MIDAS Gen建模對比分析兩種鋼支撐結構形式在不同塔式起重機工況下對核心筒結構的影響[8]。

4.1 模型建立

以實際工程核心筒分別使用柱狀支撐、V形支撐結構為原型，簡化建立4層核心筒模型(見圖5),從2層開始由下而上增設鋼支撐，在模型剪力墻底端施加3個方向的位移和轉角約束[9]。

圖5 數值模型

4.2 材料屬性及加載方式

連梁、剪力墻采用C60混凝土，彈性模量為3.599×104MPa，密度為2 549kg/m3。核心筒框架梁采用C30混凝土，彈性模量為2.979×104MPa，密度為2 549kg/m3。鋼支撐采用Q235B鋼材，屈服強度fy為235MPa，屈服應變為0.024，抗拉強度fu為375MPa，極限應變為0.26，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3。

根據上文塔式起重機工況分析結果可將塔式起重機荷載經支撐鋼梁傳遞到核心筒上的工況分為8種，以塔式起重機懸臂指向x軸負向為工況1，以逆時針方向旋轉45°為一種工況依次設計8種工況(見圖3)，對應2種不同支撐模型分別進行加載。

4.3 模擬結果分析

工況1狀態下由柱狀支撐加固的核心筒模型最大位移及結構承載梁單元應力如圖6,7所示。

圖6 柱狀支撐模型等值線位移(單位：mm)

圖7 柱狀支撐模型結構梁單元應力(單位：MPa)

由圖6，7可知，除極少部分結構梁出現位移最大值0.22mm，其他影響均不大。柱狀支撐核心筒結構模型中的梁單元最大應力值僅1.704MPa，C60混凝土抗拉強度設計值為2.04MPa。因此混凝土構件梁不會出現裂縫，可認為核心筒結構安全儲備充足。

工況1狀態下由V形支撐加固的核心筒模型最大位移及結構承載梁單元應力如圖8，9所示。

圖8 V形支撐模型等值線位移(單位：mm)

圖9 V形支撐模型結構梁單元應力(單位：MPa)

由圖8，9可知，僅極少部分結構梁出現位移最大值0.22mm，其余部分影響較弱。V形支撐核心筒結構模型中梁單元最大應力值僅1.680MPa，C60混凝土抗拉強度設計值為2.04MPa。因此混凝土構件梁不會出現裂縫，可認為核心筒結構安全儲備充足。

對8種工況下核心筒最大位移及支撐結構最大應力進行分析統計，如表3所示。

表3 8種工況下核心筒位移及支撐結構應力

由表3可知，柱狀支撐最大應力25.892MPa，V形支撐最大應力49.775MPa，均小于規范規定的235MPa，滿足要求。在柱狀支撐和V形支撐條件下的核心筒結構位移均在工況4達到最大值，為最不利工況。相較于柱狀支撐，V形支撐核心筒結構在各工況下的結構最大位移明顯較小，說明V形支撐加固效果優于柱狀支撐。

5 結語

1)采用增設鋼支撐加固核心筒，塔式起重機荷載通過連梁及鋼管支撐傳至下層，由3層連梁共同抵抗塔式起重機荷載，可有效增強連梁承重性能，提高結構安全儲備。

2)通過對塔式起重機基礎鋼梁進行模擬計算，可知塔式起重機懸臂處于工況4時，核心筒結構受影響最大。因此，施工過程中，當塔式起重機位于該工況時，應加強監測。

3) 數值計算結果中柱狀支撐最大應力25.892MPa，V形支撐最大應力49.775MPa，均小于規范規定的235MPa，滿足要求。相較于柱狀支撐，V形支撐核心筒結構在各工況下的結構最大位移明顯較小，說明V形支撐加固效果優于柱狀支撐。