位于樓面上的大型行走式塔吊軌道設(shè)計及安裝技術(shù)

覃 川，姚 剛，包洪余，唐浩洋，李 黎

(1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045;2.四川省建筑設(shè)計院，四川成都 610017)

在鋼結(jié)構(gòu)工程施工中，不管采用何種施工方法進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)安裝，既要確保結(jié)構(gòu)的安全又要追求工程進(jìn)度和提高效率的原則總是不變的［1］。在鋼結(jié)構(gòu)工程量巨大、施工面積很廣、同時構(gòu)件單體重量大、起吊構(gòu)件多而工程工期要求緊張、場地條件有限制等工程環(huán)境下，采用行走式塔吊是比較經(jīng)濟(jì)合理的鋼結(jié)構(gòu)安裝方法。目前行走式塔吊施工技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于體育場館、會展建筑以及工業(yè)建筑的建設(shè)當(dāng)中。比如廈門嵩嶼電廠一期工程中采用DBQ4000 大型行走式塔吊，系當(dāng)時國內(nèi)最大的行走式塔吊之一，被稱為“塔吊之王”［2］。上海世博會主題館屋面工程施工中使用的36 m 大跨度行走式塔吊，是目前亞洲最大跨度的行走式塔吊。本文針對在深圳機(jī)場航站區(qū)擴(kuò)建工程T3 航站樓鋼結(jié)構(gòu)安裝工程中行走式塔吊軌道的布置、塔吊軌道的設(shè)計，以及行走式塔吊對土建結(jié)構(gòu)的影響、軌道支撐鋼柱設(shè)計和軌道埋件的設(shè)計等進(jìn)行計算分析。對行走式塔吊在以后的工程應(yīng)用具有重要的借鑒意義。

1 工程概況

深圳寶安國際機(jī)場T3 航站樓位于深圳市寶安區(qū)寶安國際機(jī)場擴(kuò)建區(qū)域。占地面積約19.5×104m2，總建筑面積45.1×104m2，南北長約1128 m，東西寬約640 m。航站樓主樓地下二層，地上四層(局部五層)，為鋼筋混凝土框架+鋼結(jié)構(gòu)，由主樓和呈十字交叉的指廊組成。建筑物高46.80 m，擁有62個近機(jī)位。主樓大廳區(qū)域東西長約640 m，南北寬約324 m;十字指廊區(qū)域東西長約640 m，南北長約750 m。

大廳屋頂為自由曲面結(jié)構(gòu)，采用主次桁架形成雙層斜交網(wǎng)架，加強(qiáng)桁架設(shè)置在屋頂支撐結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)上。屋頂支承結(jié)構(gòu)由鋼管柱、核心筒、過渡區(qū)的拱形加強(qiáng)桁架組成。大廳的基本單元形狀為空間網(wǎng)架，總重量約13000 t。

大廳屋蓋安裝通過方案采用“胎架支撐高空原位拼裝工藝”。結(jié)合大廳屋頂鋼結(jié)構(gòu)面積大、體量大、造型新穎、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝難度較大等結(jié)構(gòu)特點，屋蓋結(jié)構(gòu)采用行走式塔吊施工工藝。本工程采用4 臺行走式塔吊，型號為M125－75 及ST8075－40。另有兩臺300t 履帶吊輔助安裝。塔吊主要負(fù)責(zé)大廳中部屋蓋及其支撐結(jié)構(gòu)安裝，300t 履帶吊主要負(fù)責(zé)四臺行走式塔吊的安裝及外部鋼結(jié)構(gòu)的安裝。

2 塔吊軌道布置及設(shè)計思路

2.1 行走塔吊軌道布置

大廳區(qū)行走塔吊軌道位于標(biāo)高為+14.250 mm 的四層砼結(jié)構(gòu)樓面上，根據(jù)吊裝施工的需要，大廳共設(shè)置4條行走軌道，分別位于WH(4#)、WB(2#)、EB(1#)、EH(3#)四條軸線上?？拷鼉蓚?cè)的為ST8075－40，居中的為M125－75，每條軌道寬度為9 m，如圖1、圖2 所示。

圖1 大廳行走塔吊軌道平面位置示意

圖2 軌道梁支座分布及其與砼柱關(guān)系平面示意

2.2 行走塔吊軌道設(shè)計思路

(1)為最大限度減少施工過程中塔吊對砼結(jié)構(gòu)(尤其是砼樓板)的影響，特在軌道梁下方設(shè)置若干支點，將軌道梁架空。其支點直接落于砼柱(或主梁)上，從而將上部施工荷載只傳遞到柱或梁，避免使承載力較弱的樓板受力。

(2)考慮到軌道梁下方的支座間距不能太大(否則軌道梁的剛度不足)，在行走塔吊作用下，撓度較大;基于大廳區(qū)域砼結(jié)構(gòu)基本柱距為9 m，為此，將軌道梁支座間距統(tǒng)一設(shè)定為9 m。

(3)在大廳的局部區(qū)域，其柱距為18 m，因此部分軌道梁支座下方?jīng)]有砼柱，只能落在砼主梁或次梁上。注意到:當(dāng)主梁下方無柱時，除了驗算主梁本身的承載力(抗剪、抗彎)外，還要校核主梁兩端的砼柱，因為此時主梁端部的砼柱已成為“壓彎構(gòu)件”，不能只考慮行走塔吊輪壓傳來的軸力，還要考慮主梁對端柱產(chǎn)生的彎矩。

當(dāng)軌道梁支座落在主梁上時，鑒于主梁的截面較大(一般主梁高度為1200～1300 mm)，先考慮主梁(不加固)的可能性;若主梁本身或端柱承載力不足，則在主梁下方增設(shè)鋼柱。

當(dāng)軌道梁支座落在次梁上時，鑒于次梁截面較小，則統(tǒng)一在次梁下方增設(shè)支承鋼柱。

(4)考慮到現(xiàn)場既有材料，軌道梁采用H 型鋼，加固用支承鋼柱采用圓鋼管。

3 大廳行走塔吊軌道截面設(shè)計

3.1 M125－75 及ST8075－40 荷載說明

由塔吊生產(chǎn)廠家提供的資料，查出M125－75 塔吊及ST8075－40 塔吊的最大輪壓荷載為:M125－75 塔吊最大輪壓荷載為273 t、ST8075－40 塔吊最大輪壓荷載為276 t。

3.2 軌道梁承載力及剛度校核

3.2.1 整體穩(wěn)定

由于大廳區(qū)域的行走塔吊軌道梁架空，軌道梁的剛度及穩(wěn)定性需要進(jìn)行校核［3］，擬采用H1200×500×20×35 截面形式。穩(wěn)定性校核時，由于在梁跨中布置有橫向支承，梁的自由長度與其截面寬度之比為4500/500=9.0＜10.5(荷載作用在上翼緣)，依據(jù)GB50017－2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第4.2.1條，可不計算梁的整體穩(wěn)定性。

3.2.2 局部穩(wěn)定

依據(jù)GB50017－2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第4.3節(jié)，梁受壓翼緣自由外伸寬度與其厚度之比b/tf=250/35=7.14＜13(235/fy)0.5;在腹板兩側(cè)，每隔0.5 m 均布有加勁板，腹板高厚比為1200/20=60＜80 (235/fy)0.5，因此軌道梁的局部穩(wěn)定滿足。

3.2.3 強(qiáng)度及剛度

對于梁的強(qiáng)度及剛度，荷載采用行走式塔吊最大輪壓荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，采用H1200×500×20×35 也滿足強(qiáng)度及剛度要求。

通過以上計算，采用H1200×500×20×35 截面完全能夠滿足強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求。

4 大廳區(qū)土建結(jié)構(gòu)承載力校核

4.1 軌道梁支座分布

在大廳的局部區(qū)域，由于柱網(wǎng)間距變?yōu)?8 m×18 m，使9 m 間距的行走軌道不可能將荷載全部傳于柱頂。為此，將軌道梁支座的分布與土建結(jié)構(gòu)的關(guān)系表達(dá)在圖2 中。

通過考察各片軌道梁的立面支承布置情況，對于軌道支點直接落于砼梁，而這種支承方式承載力不足時，需新增支承鋼管。對于軌道支點落于砼主梁的區(qū)域，根據(jù)上文“行走塔吊軌道設(shè)計思路”一節(jié)，應(yīng)通過計算確定是否增設(shè)鋼管柱。

4.2 砼主梁承載力判定

當(dāng)軌道梁支點直接落于砼主梁(18 m 跨)時，需根據(jù)計算判定是否需在主梁下部增設(shè)鋼管柱支承。影響判定結(jié)果的因素包括砼主梁的承載能力及砼柱的承載能力。下面首先在砼主梁不考慮支承的情況下，進(jìn)行砼柱承載力計算。

行走塔吊的最大輪壓為276 t，通過madis 建立塔吊局部區(qū)域的整體模型，計算各砼柱的控制內(nèi)力，并按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行承載力校核，如圖3 所示。

圖3 施工荷載與鋼筋砼柱承載力的比值(大廳)

通過計算分析可見，當(dāng)主梁下方不增設(shè)鋼柱時，部分主梁兩端的砼柱承載力不足(主要是壓彎時，承載力不足)。且與砼柱承載力相比，即使承載力滿足，很多砼柱的荷載也比較飽滿。為充分保證土建結(jié)構(gòu)的安全性，除直接落在砼柱的支點外，其余所有軌道梁支點下部均考慮加設(shè)鋼管柱支承。

4.3 鋼筋砼框架柱承載力校核

軌道梁所有支點下部均有豎向支承(砼柱或鋼管柱)，使得砼柱受力狀態(tài)基本轉(zhuǎn)化為軸壓作用。軸壓力N 包括行走塔吊的最大輪壓276 t 及砼柱支承范圍內(nèi)砼結(jié)構(gòu)自重(均按9 m×9 m 范圍取用，考慮到次梁重，取系數(shù)1.2)，故:

N=2760+9×9×25×0.12×1.2=3052 kN

根據(jù)已計算出各砼柱的軸壓承載力Nu，由此繪制施工荷載與砼柱軸壓承載力比值曲線如圖4。

4.4 鋼筋砼框架梁承載力校核

塔吊作用下不會引起砼梁內(nèi)力(荷載直接通過豎向支承傳遞)，砼梁僅為中間傳力構(gòu)件，因此無需進(jìn)行承載力校核。

4.5 鋼管柱設(shè)計

依土建結(jié)構(gòu)統(tǒng)計，支撐鋼柱的長度主要有3400 mm，4400 mm，5000 mm，……，10540 mm 共17 類。鋼管柱在砼梁、板澆筑前設(shè)置到位，故計算中考慮鋼管柱承擔(dān)部分砼自重，取3052 kN 軸壓力用于設(shè)計計算。結(jié)合施工現(xiàn)場現(xiàn)有材料，優(yōu)先考慮現(xiàn)有截面型號為325×10 的Q235 無縫鋼管。

圖4 施工荷載與砼柱軸壓承載力比值曲線

通過對幾種工況下的構(gòu)件承載力、整體穩(wěn)定等的計算分析，證明方案切實可行。

5 軌道安裝

采用H1200×500×20×35 鋼梁作為軌道支撐梁，鋼梁長度9 m，兩端設(shè)支點，梁底距樓面架空50 mm。梁底支撐部位設(shè)埋件，用墊板調(diào)節(jié)標(biāo)高，相鄰鋼梁的腹板采用雙夾板的螺栓連接。兩條軌道之間的間距為9 m，兩道軌道間每隔不超過6 m 設(shè)軌距拉桿一個，并且軌道起始端應(yīng)設(shè)置拉桿。

軌道要求使用P100 鋼軌;每間隔6 m 應(yīng)設(shè)軌距拉桿一個，每個軌接頭處應(yīng)有軌枕支撐，不應(yīng)懸空、移動，軌距允許偏差為公稱值的1/1000，且不超過6 mm;軌道頂面在縱橫方向上傾斜度不得大于1/1000;鋼軌接頭間隙不得大于4 mm，并應(yīng)與另一側(cè)軌道接頭錯開，錯開距離不得小于1.5 m，接頭處應(yīng)架在軌枕上，接點處兩軌頂高度差不大于2 mm;距軌道終端1 m 處必須設(shè)置緩沖止擋器，其高度不應(yīng)小于行走機(jī)構(gòu)在每個運行方向設(shè)置行程限位開關(guān)的高度，同時在軌道上安裝限位開關(guān)碰觸裝置，保證塔機(jī)與止檔裝置不小于1 m 處能安全停車。塔機(jī)不行走時，夾軌器應(yīng)夾上。路基兩側(cè)或中間應(yīng)設(shè)排水溝，保證路基沒有積水;底架與加強(qiáng)節(jié)之間的銷軸應(yīng)緊固。安裝效果如圖5 所示。

圖5 塔吊軌道安裝效果圖

6 結(jié)束語

通過現(xiàn)場實際實施，證明行走式塔吊所采用軌道可行。行走式塔吊軌道的設(shè)置確保了施工過程中的結(jié)構(gòu)安全性，加快了施工進(jìn)度，節(jié)約了施工成本，對以后的鋼結(jié)構(gòu)施工提供了經(jīng)驗。

［1］羅昭軍.位于樓面上的行走式塔吊吊裝大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工及性能分析［D］.重慶:重慶大學(xué)，2011

［2］余旭.DBQ400 型塔吊路基設(shè)計與施工技術(shù)［J］.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2005，5(1):5－6

［3］范鵬濤，高良，曹美娣.樓面行走式塔吊施工加固計算［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2010，23(4):2－3