外爬式動臂塔吊可周轉牛腿組件設計與應用

田喜勝 文方仁 王 軍 廖 繼

中建三局第三建設工程有限責任公司 湖北 武漢 430074

1 技術背景

目前建筑施工中大型機械設備通常使用混凝土預埋件作為承力結構，這種承力結構由錨筋、錨板與耳板或牛腿焊接而成，其中錨筋、錨板預埋在混凝土中，牛腿或耳板與預埋板焊接后作為承力連接件[1-3]。然而這種承力結構由于其錨筋、錨板預埋在混凝土結構中，無法取出周轉使用，增加了施工成本；而且其焊接工序較多，焊接周期較長，影響工期，焊接質量也難以保證，焊接過程中不可避免地產生廢物、廢氣，污染環境。

以重慶萬科超高層二、三期項目為例，項目主塔樓采用3臺動臂塔吊，2臺為內爬式動臂塔吊，1臺為外爬式動臂塔吊，項目針對外爬式動臂塔吊爬升焊接安裝傳統牛腿等問題，采用了一種可周轉預埋組件，簡稱“可周轉牛腿組件”。該牛腿組件具有可周轉使用、施工高效且污染小等特點，已成功應用在重慶萬科超高層二、三期項目外爬式動臂塔吊上。

2 可周轉組件設計說明

M440F外爬塔吊傳統支撐系統如圖1所示。使用錨筋＋錨板形式預埋，外部連接件采用全焊接方式連接，塔吊標準節與箱梁通過C形框進行連接，主梁和水平斜撐處于同一平面。

圖1 M440F傳統支撐架（俯視）

針對M440F支撐架形式，設計一種可周轉混凝土預埋件及外部調節機構，整體包括主梁附著件、水平斜撐附著件及豎向斜撐附著件等（圖2），附著件由可取出預埋件及連接件組成，其中可取出預埋件由預埋螺桿、抗沖切板及定位板組成（圖3）。

圖2 可周轉混凝土附著件

圖3 附著件組成

改變錨筋形式設計了一種螺旋式混凝土預埋螺桿（圖4、圖5），混凝土澆筑前埋設在墻體內，既能滿足外部連接附著件受力要求，又具有可拆卸周轉使用的性能，預埋形式不會對其附著的墻體造成結構影響，亦不會對后期施工造成影響。

圖4 預埋螺桿示意

圖5 預埋螺桿實物

2.1 可取出預埋螺桿設計

預埋螺桿采用類似于自攻螺桿的外形，總長501 mm，最大外徑為98 mm，內螺紋規格M56，螺距5.5 mm國標粗牙，材質為42CrMo，調質10.9級。

為最大限度承受外部水平載荷，預埋螺桿大螺紋段應盡量深入混凝土內部，但整個長度需小于剪力墻厚度。

2.2 連接螺桿設計

連接螺桿用于連接外部的（雙耳）連接件和預埋螺桿，外部連接件承受的荷載通過連接螺桿傳遞至預埋螺桿。連接螺桿螺紋規格為M56，螺距5.5 mm，材質為42CrMo，調質10.9級。

2.3 混凝土結構附著件設計

對外部附著件進行建模分析，三維模型為Pro/E5.0Creo實體建模，導出.igs格式，再導入到ABAQUS 6.12.3作為分析模型。定義材料為Q390B，彈性模量為2.1 GPa，泊松比為0.3。

計算結果表明，預埋螺桿及3種形式的附著件受力滿足承載要求，并根據現場混凝土墻體施工實際情況，設計試驗方案。

3 現場應用

外爬式動臂塔吊可周轉組件于重慶萬科超高層二、三期項目首次使用，安裝流程簡易快捷。使用可周轉預埋組件代替傳統外爬式動臂塔吊預埋鋼筋錨板，每套支撐架安裝可節省工期約5 h，安裝效率提高了2倍以上，同時，推動了可周轉預埋組件在外爬式動臂塔吊中的應用。

3.1 施工工藝流程

主塔樓采用“造樓機”進行主體結構的修建，“造樓機”采用大鋼模作為主體施工模板，大鋼模具有“一層滿配、一模到底”的特點，項目針對新型爬模提出新型的安裝技術。

可周轉附著件安裝施工流程為：定位放線→鋼筋綁扎→模架提升→預埋件組裝與包裹→預埋件安裝→混凝土澆筑→拆模、養護→預埋質量檢測→牛腿安裝→支撐架安裝。

3.2 安裝關鍵技術

3.2.1 定位放線與鋼筋綁扎

預埋件的測量定位控制線必須單獨設置，各個埋件的控制線從結構控制軸線單獨引測。預埋件在安裝前做好中心定位標記，便于安裝時的測量校正。

一般情況下暗柱區域豎向鋼筋及箍筋較密，鋼筋綁扎時，豎向鋼筋應避開埋件螺桿位置。如圖6所示，橫豎紅線交點為螺桿預埋中心位置。

圖6 螺桿預埋定位

3.2.2 模架提升

提升頂模架系統，將模板提升至預埋位置，合模后通過鋼模上預留的螺桿孔洞固定預埋螺桿（圖7、圖8）。

圖7 鋼模深化預留孔

圖8 現場預留孔

3.2.3 預埋件組裝

將預埋螺桿與定位板通過鎖緊螺帽固定，用黃油等具有潤滑隔離作用的材料涂抹螺桿，并用保鮮膜或熱縮膜包裹，防止螺桿被混凝土污染，便于螺桿取出（圖9）。

圖9 可取出預埋件塑料薄膜包裹

3.2.4 預埋件安裝

通過鋼模上深化的螺桿孔洞安裝預埋螺桿，螺桿位置調整完畢后將整塊組件用螺釘固定在鋼模上，即為完成1根螺桿安裝。

3.2.5 混凝土施工及拆模

混凝土施工中的具體要求如下：

1）混凝土不得直接在可取出預埋件上方進行澆筑，且不得一次澆筑大量混凝土，以免混凝土的沖擊力造成預埋件偏移。混凝土需從距離埋件30～40 cm處，由振搗棒引至埋件處。

2）混凝土振搗時，振搗棒注意避開預埋螺桿及預埋板，振搗時需小心謹慎，邊振搗邊觀察預埋件，及時校正預埋件的位置，保證不產生過大位移。

3）混凝土振搗時間控制在20～30s ，不得漏振、少振或過振。混凝土初凝前做二次振搗，保證混凝土澆筑質量。

4）混凝土成形后，需加強混凝土的養護，防止混凝土干縮變形引起的預埋件內空鼓。

拆模后及時對混凝土外觀及預埋件進行檢查。重點檢查混凝土與埋板結合部位，混凝土是否有空鼓、開裂、蜂窩、返砂等影響埋件受力的質量缺陷。

3.2.6 主梁、豎向斜撐牛腿組件安裝

可周轉組件使用可焊接承力面板，面板使用連接螺桿固定在預埋螺栓上。安裝面板前需使用止旋板固定水平位置的2根螺桿，防止對預埋螺桿產生擾動而影響受力狀態；面板安裝完畢后使用扭矩扳手對連接螺桿進行初擰，單塊面板完成初擰后調節扭矩扳手力矩完成終擰；螺桿終擰結束后在螺桿及面板上畫一條輔助線供后期巡查對比，發現螺桿松動應及時進行復擰。

3.2.7 水平斜撐牛腿組件安裝

針對外爬式動臂塔吊可周轉組件，設計了一種應用于外爬式動臂塔吊可周轉支撐結構的可調絲桿機構，調節范圍在0～10 cm，可滿足各類支撐架的使用長度。安裝方法如下：

1）根據支撐架預先調節水平斜撐長度。

2）安裝承力牛腿組件。

3）水平斜撐安裝。

4 結語

本文對可取出混凝土預埋螺桿和外附連接件組合而成的混凝土結構附著件進行了分析，該附著件結構形式合理，受力可靠，通過現場安裝得出以下結論：

1）相較于傳統的錨筋錨板形式，該混凝土結構附著件具有完全可取出的優勢，實現了預埋件的全部周轉使用，節約了成本。

2）通過現場安裝測算，一套可周轉附著件的安裝時間為5 h，傳統牛腿的焊接時間為10～12 h，安裝效率提高2倍以上，降低勞動力投入，節約成本。

3）外附連接件采用螺桿進行組裝，無需焊接和氧割作業，節約了大量焊接勞動力，避免了焊接缺陷可能引發的安全風險，實現了綠色、高效施工。

4）通過經濟測算，與傳統焊接式牛腿相比，可周轉牛腿組件節約成本高達58%，經濟效益顯著。