超高層內爬式動臂塔式起重機支撐體系力學模型與加固驗算

岑萬雄，湯亮，白玉晶，王睿，王希來

（中國建筑第二工程局有限公司華南分公司，廣東深圳 518048）

1 工程概況

珠澳灣世紀中心項目施工總承包工程位于香洲城區拱北夏灣片區前河東路與僑光路交叉口，由5 棟超高層辦公建筑、一棟高層辦公建筑、裙房商業及幼兒園組成的城市綜合體，占地面積約35 356.15 m2，建筑面積約326 107.66 m2。

項目最高建筑A 棟高度達260 m， 為63 層超高層建筑。為滿足A 棟施工范圍廣、吊重大的特點，在A 棟4 軸～5 軸交B 軸～C 軸位置安裝1 臺QTZ500 內爬式動臂塔式起重機（以下簡稱“內爬式塔吊”或“塔吊”）作為垂直運輸的施工機械，其塔身固定在支撐鋼框梁上， 支撐鋼框梁通過鋼板預埋件與主體結構連接固定[1]。

2 驗算要點

塔吊支撐于鋼結構梁上， 支撐梁擱置于兩側混凝土結構梁上， 塔吊的中心分別位于4 軸偏東2 576 mm 和B 軸偏北2 770 mm。根據荷載的傳遞途徑，依次計算塔吊4 條支腿作用在鋼框梁上的荷載、鋼框梁兩端作用在主體結構上的荷載、主體結構承載力驗算以及增加加固措施的驗算。 荷載取值及傳遞計算時需要確保數值準確，考慮安全系數，傳遞方式力求與實際一致。

3 塔吊荷載取值

根據GB 50068—2018《建筑結構可靠性設計統一標準》，塔機動荷載取安全系數1.5，塔機靜荷載取安全系數1.3。 塔機荷載由設備提供方確認，荷載示意圖及數值見表1。

表1 QTZ500 內爬式塔吊荷載取值表

計算中，上部爬升支架和支座只承受支架的自重和水平反力，不傳遞塔身自重和吊重。 下部支架和支座傳遞承受塔身自重、吊重及底部支架自重[2]。

4 荷載傳遞計算

內爬式塔吊4 個支腿支承在兩根支撐鋼梁上， 兩根鋼梁為650 mm×400 mm×30 mm×30 mm 尺寸的箱型鋼梁，鋼梁東西向水平放置，鋼梁中心線距梁邊分別373 mm、4 083 mm。

由于塔機可以360°旋轉作業，在不同角度作業時，豎向荷載與繞豎向彎矩作用效果不變， 水平力及繞水平方向彎矩方向隨角度發生變化，即塔吊支腿處荷載值隨角度變化。 考慮到兩根支撐鋼梁規格相同， 支承結構關于塔吊中心點上下對稱，故可以僅取其中5 種角度和順時針、逆時針扭矩搭配共10種工況核算塔吊支座反力，選取角度如圖1 所示。

圖1 塔機計算工況示意圖

塔吊與支撐梁連接處采用螺栓連接， 螺栓連接可限制兩構件發生相對移動，無法限制發生一定角度的相對轉動，計算時視為鉸接節點，因此，荷載僅有Fx、Fy、Fz三向軸力。

支撐鋼梁水平擱置在塔吊洞口兩側的混凝土承重梁上，通過混凝土承重梁內的鋼結構埋件將上方荷載傳遞到主體結構上。塔吊支撐梁與混凝土承重梁連接處采用埋件預埋、支撐梁與埋件螺栓連接的形式，螺栓連接可限制兩構件發生相對移動，無法限制發生一定角度的相對轉動，計算時視為鉸接節點，計算時節點視為鉸接節點，因此，支座反力僅有Fx、Fy、Fz三向軸力。 采用有限元分析軟件Midas Civil 進行鋼結構支撐梁及結構混凝土梁建模，將10 種工況下塔吊荷載值依次輸入模型中，求得節點處10 項支座反力值，取其最大值組成結構支座反力包絡值，數值見表2。

表2 各工況結構支座反力包絡值kN

5 主體混凝土承重梁驗算及加固設計

5.1 混凝土承重梁承載力驗算

單獨對混凝土承重梁進行建模， 混凝土承重梁兩端鋼筋錨入其他主體結構內，混凝土一次澆筑成型，形成的框架結構可承受軸力、剪力及彎矩，計算時兩端視為剛接節點。 將4 個節點支座反力包絡值加載到模型上， 可得到混凝土承重梁的受力分布， 將混凝土承重梁承受的最大彎矩與梁極限彎矩進行對比分析（見表3），混凝土承重梁承受的最大彎矩遠大于極限彎矩，無法滿足塔吊施工要求，因此，需在梁底設置加固措施。

表3 最大彎矩與極限彎矩對比分析

5.2 結構加固設計及驗算

經過多種加固方案比選與計算分析，最終確認采用在混凝土梁下方增加鋼結構斜撐形式加固（見圖2），將混凝土承重梁的荷載通過斜撐傳遞到結構柱上， 減小混凝土承重梁的受力。斜撐選用箱型截面鋼梁，規格為400 mm×400 mm×30 mm，鋼梁鋼材選用Q345B 低合金高強度鋼，容許壓力[σ]=345 N/mm2；鋼梁兩端及混凝土預埋件上焊接耳板， 耳板內開設φ72 mm 銷軸孔，采用M70 銷軸連接鋼梁與預埋件。 銷軸連接為鉸接結構，無法限制構件繞銷軸方向發生相對轉動，即繞銷軸方向彎矩無法通過斜撐鋼梁進行傳遞； 可限制構件發生其他方向的相對轉動及相對移動，即其他方向的彎矩、軸力、剪力可通過銷軸從結構梁傳遞到斜撐鋼梁上， 再通過另一端的銷軸傳遞到結構柱上，沿結構框架傳遞至結構基礎底部。 因此，此銷軸連接節點在軟件建模中應設置為僅可繞銷軸方向（Y 方向）轉動的鉸接節點。

圖2 加固斜撐鋼梁剖面圖

5.2.1 增加斜撐鋼梁后混凝土承重梁的驗算

采用Midas Civil 進行建模， 在混凝土承重梁的基礎上增加斜撐鋼梁模型， 斜撐鋼梁兩端與主體結構連接處設置為僅可以繞Y 旋轉的鉸接節點，荷載不變，最終建模如圖3 所示。在此模型上重新分析得到混凝土承重梁新的受力分布圖。

圖3 增加加固斜撐后的Midas 結構驗算模型

增加斜撐鋼梁后的混凝土承重梁承受最大彎矩， 與梁極限彎矩進行分析（見表3），彎矩小于極限彎矩值，此時混凝土承重梁滿足承載力要求。

通過模型分析增加斜撐鋼梁后混凝土承重梁在塔吊荷載作用下的最大撓度為13 mm，小于GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》（2015 年版）3.4.3 中受彎構件撓度限制l/250=7000/250=28mm（l 為構件計算跨度），故混凝土承重梁滿足構件撓度要求。

因此， 增加斜撐鋼梁后主體混凝土承重梁可滿足塔吊在各工況下使用要求。

5.2.2 斜撐鋼梁驗算

單獨分析斜撐鋼梁模型， 最大應力值σ=62 N/mm2< 容許應力值[σ]=345 N/mm2，滿足Q345B 鋼材承載力要求。

6 結語

內爬式塔吊支撐構件及承力主體結構驗算是其重點。 本工程施工前， 充分考慮塔吊在360°旋轉施工工況下自重荷載、吊重荷載、風荷載和轉向扭矩的荷載組合，通過有限元分析軟件Midas Civil 進行建模，依據荷載傳遞路徑，依次對塔吊支撐梁荷載傳遞、混凝土承重梁單獨受力情況、增加斜撐鋼梁后混凝土承重梁受力情況進行分析， 驗算出是否需要增加斜撐加固， 增加斜撐加固措施后混凝土承重梁能否滿足承載力要求。 充分驗算內爬式塔吊的支撐系統， 確保足夠的加固措施，為方案及施工提供保證。