某工程K4021塔吊附墻桿件在超常規(guī)條件下的設(shè)計與施工

季建國 王寶建 孫謹(jǐn)

【摘要】本文介紹了在建筑物結(jié)構(gòu)條件和地形條件的限制下，在超常規(guī)的情況下，利用在建筑物上附加鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)件，作為塔吊附墻桿件的支座，進行高層建筑塔吊附墻施工的實例。

【關(guān)鍵詞】超長桿件；格構(gòu)架；承載力；穩(wěn)定性；撐桿；鉸接；強度；剛度；焊縫；綴板

中圖分類號：TU323文獻標(biāo)識碼： A 文章編號：

1工程概況

深圳市某工程，建筑面積10.24萬平方米，32層，其中地下室1層，4層裙房，6層為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，其上為5棟住宅樓，總高104米。本工程設(shè)有3臺塔吊，其中的2# 塔吊為沈陽建筑機械廠生產(chǎn)的K4021塔吊，由于結(jié)構(gòu)條件和地形條件的限制，只能布置在18軸以西100mm、M軸以北9200mm的位置，該塔吊的直接附墻時桿件長度達20.3米，已超出常規(guī)附墻桿件的長度范圍；決定在主體結(jié)構(gòu)上設(shè)計附加鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)架，作為塔吊附墻桿件的支座。本文針對這方面的計算依據(jù)和施工措施作相應(yīng)的介紹。K4021塔吊的主要技術(shù)參數(shù)見下表：

K4021塔吊主要技術(shù)參數(shù)

注:最大起重力矩為1600KN.M，最大幅度71.9M 時起重量為2.1t，最小幅2.5M時起

重為16t，最大轉(zhuǎn)動扭矩為295t.m。

2 方案布置

2.1 方案選擇

按照初期設(shè)想，塔吊附墻有三種設(shè)計方案，如（圖一）示。方案二中的右側(cè)附墻桿件長度達到20.3m，使得在設(shè)計中使用的桿件過長、過重，長細比難以保證，并且在制作、吊運、拆卸時比較困難，同時也不符合塔吊附墻桿的角度要求（300~600之間），所以方案二予以排除；由于在20~23/H軸之間布置有高層人貨電梯，（該人貨電梯只宜布置在兩棟塔樓的中間位置，這樣既能保證貨梯附墻的安全，又極大地方便了工程的施工），使得附墻桿件無法拉通，故方案三予以排除；方案一選擇在主體結(jié)構(gòu)上附加設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)架，作為塔吊附墻桿的支座，這樣既滿足了普通塔吊附墻桿件的設(shè)計要求，又能較方便地施工塔吊附墻桿件和格構(gòu)架。綜合各方面的因素，對初期設(shè)想的三種設(shè)計方案進行比較，決定采用方案一來進行塔吊附墻的設(shè)計。

具體布置：16軸與M軸向南900的交接處設(shè)附墻桿的預(yù)埋件，在H—M/20軸與18—20/M軸處設(shè)鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)件作為附墻桿的支座，同時在B點上設(shè)反拉鋼絲繩、在F點下設(shè)三角架支撐，以及在格構(gòu)件FB與BE之間加設(shè)連接件MH作為安全構(gòu)造保證措施，見（圖一）及（圖七）。該塔吊共布置四道附墻，分別在6、13、20、27層。

2.2內(nèi)力計算

本附墻支架的內(nèi)力計算分為二部分，一是附墻桿件的內(nèi)力計算，二是附墻桿件支座鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)件的內(nèi)力計算。通過力法方程，在考慮風(fēng)荷載的作用下，經(jīng)計算附墻桿對支架支座的最大反力為：±452.86KN，即計算簡圖中的BD桿的軸向受力（計算過程忽略）。

BD附墻桿的受力見（圖二）：圖中NBD=+452.86kN

BD桿在其自重和風(fēng)荷載組合最不利情況下的垂直荷載為NZ：

p（自重）=9.63 kN p（風(fēng)）=2*q*L=0.4556kN（q為深圳市風(fēng)載系數(shù)）

P風(fēng)1=455.6*6.7/10.59=2.88KN P風(fēng)2=455.6*8.2/10.59=3.53KN

說明：上圖中的計算簡圖一為塔吊附墻支座處的最大反力計算簡圖，其中，M2為塔吊的最大扭矩，N2為支座處最大反力；計算簡圖二為附墻格構(gòu)架內(nèi)力分析計算簡圖；計算簡圖三為構(gòu)造加強措施BG桿的受力分析，詳見第3.2條。

對支座B：NBD=N軸力=452.86KN NZ1=P/2=4.82KN

所以由計算簡圖二可知： NBF1=±290.1kN NBE1=±350.75KN

Nz=7.75+(PBE自重+ PBF自重+PBG自重 )/2=13.68 KN

由計算簡圖三可知,

NBF2=13.68*7.5/5.6=18.31 KNNBE2 =0 KN

對鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)架,按最不利荷載組合：

NBF = NBF2+ NBF1=±309.41KN NBE = NBE2+ NBE1 =±350.75KN

BF桿兩端鉸接,計算長度為L0=7500mm, 其受力簡圖同上：

BE桿兩端同樣按鉸接, 計算長度L0=8500mm,格構(gòu)件的截面形式見（圖四）：

由于BE桿內(nèi)力最大，以BE桿作為設(shè)計計算桿進行驗算：

支架桿規(guī)格： [25b，材質(zhì)：Q235B

S=2*39.91=79.82CM2WX=2*282=564CM3 iX=9.41CM

λX=L/ix=90.23φX=0.62 λ0Y=（λ2Y+λ21）1/2

IY=2*(196+39.92*15.672)=19991.71CM4 iy=(IY/A)1/2=15.82CM

λY=L0Y/ iy=850/15.82=53.72

格構(gòu)件截面示意圖 （圖四）

λ1=L01/i1=55/2.22=24.7<0.5λY=26.86，且不大于40的分肢穩(wěn)定性要求。

λ0Y=(24.72+53.722)1/2=59.1<[λ]=150 L0=850CM

查表可得 φBE=0.813

其中：

S：雙肢格構(gòu)件的面積WX：X軸方向的截面抵抗矩

iX：X軸方向的回轉(zhuǎn)半徑λX：X軸方向的長細比

φX：X軸方向的穩(wěn)定系數(shù) λ0Y：Y軸方向的換算長細比

IY： 格構(gòu)件在Y軸方向的慣性矩 iy： Y方向的回轉(zhuǎn)半徑

λY：Y方向的長細比 λ1：分肢對最小剛度1-1軸線的長細比

L0Y：格構(gòu)件在Y方向的計算長度 L01：相鄰綴板間的凈尺寸

i1： 分肢對1-1軸線的回轉(zhuǎn)半徑，可查表。

2.2.1軸力產(chǎn)生的應(yīng)力：

σ1=NBE/(ФBE*S)= 540.50kg/cm2 σ1ˊ= NBE/(ФX*S)= 708.75kg/cm2

2.2.2 自重產(chǎn)生的應(yīng)力和兩槽鋼在豎直方向上的中心線高為：

M=qL2/8=PL/8=92862Kg.cmH2=31.34CM N2=M/H2=2963Kg

λ2=75/2.22=33.78（75cm為綴板的中心距離）

Ф2=0.925 σ2=N2/(Ф2S2)=80.26Kg/CM2

2.2.3 風(fēng)力產(chǎn)生的應(yīng)力： N風(fēng)=348Kg

M風(fēng)=PL/8=36975Kg.CM σ3=M/WX=65.6Kg/cm2

2.2.4 支架桿所受的應(yīng)力： σ=σ1+σ2+σ3=854.61kg/cm2

2.3 內(nèi)力復(fù)核

2.3.1應(yīng)力復(fù)核

[σ]/ σ=2150/1.34=1604.5>854.61 ， 1.34為安全系數(shù) 即σ<[σ],支架安全。

2.3.2架桿豎向撓度

f=5qL4/(384EIY)=5PL3/(384EIY) =0.167cm

[f]=L/700=850/700=1.214cm>f=0.167cm滿足撓度要求。

2.3.3對綴板的驗算

綴板間的凈距為L01=λ1 * i1=24.7*2.22=55CM

預(yù)估綴板的寬度bj≥2b1/3=20.89cm,取20cm.

綴板的厚度 tj≥b1/40=31.34/40=0.78cm,取1cm 則綴板軸線間距L1=L01+bj=55+20=75cm

綴板線剛度與分肢線剛度之比值為:< 2(Ib/b1)> /(I1/L1) =16.27>6(滿足要求)

2.3.4綴板的連接焊縫

采用角焊縫，三面圍焊，計算時偏安全地僅考慮豎直焊縫，但不扣除考慮缺陷的10mm

取ht=8mm,內(nèi)力計算從略。

2.3.5塔吊附墻桿與格構(gòu)架支座的連接板的焊縫驗算

格構(gòu)架支座的連接板采用二個20厚的鋼板與格構(gòu)架焊接，連接板中間開孔Φ60±3mm，其中面層的連接板與該處的綴板合二為一，用螺栓與附墻桿連接，連接見格構(gòu)件端部構(gòu)造大樣圖。計算從略。

連接板與格構(gòu)架之間的焊縫采角焊縫,其搭接長度為400mm，二面圍焊，但不扣除考慮缺陷的20 mm，取ht=10mm,驗算從略。

2.3.6上述連接板與塔吊附墻桿之間的連接

①、 連接板與塔吊附墻桿之間用鉸接，有利于塔吊的卸載，螺栓采用Φ60高強螺栓(8.8級承壓型)，由計算可知，由風(fēng)力與自重產(chǎn)生的彎矩對連接點強度影響可忽略不計。

②、 格構(gòu)件BF與格構(gòu)件BE之間的連接用8M30*120，具體連接方式見（圖五）。

格構(gòu)件端部構(gòu)造大樣圖 （圖五）

3附墻支架的構(gòu)造措施

為了確保附墻壁支架在各種復(fù)雜情況下都能正常工作，除嚴(yán)格按上述設(shè)計的鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)架制作、安裝外，還增加以下構(gòu)造措施，以有利于荷載的傳遞，增加格構(gòu)架的穩(wěn)定，以確保安全。所有構(gòu)造措施作為安全儲備，不納入荷載的計算。構(gòu)造措施如下圖所示：

3.1 在兩格構(gòu)件的中點M與H點之間，增加連接件MH，以加強格構(gòu)架的整體穩(wěn)定，MH

為20號工字鋼，兩端與格構(gòu)架進行焊接，焊縫高度為8，焊縫長度＞200。在格構(gòu)架BF與BE的交接處，兩側(cè)均增加三角形連接耳板，以加強兩格構(gòu)件之間的剛度，耳板采用20厚鋼板，耳板的兩邊與格構(gòu)架進行焊接，長度300，焊縫高度10。在耳板與格構(gòu)件的連接點K、P點部位，對格構(gòu)架內(nèi)部增設(shè)腹肋板，以加強格構(gòu)架的抗扭剛度。詳見（圖六）、（圖七）：

3.2為保證附墻桿的水平傳力及格構(gòu)架在水平方向的穩(wěn)定，在格構(gòu)架的下方5600處設(shè)撐桿BG，BG選用2根槽鋼[25b，中間加設(shè)綴板，組焊成小格構(gòu)架。

腹肋板詳圖（圖六）

3.3格構(gòu)件BF與撐桿BG之間，加設(shè)連接桿FL，以加強撐桿的整體穩(wěn)定性，連接桿采用

用20號工字鋼，兩端與格構(gòu)架BF和撐桿BG進行焊接，焊接要求同上。見（圖七）：

3.4 在附墻桿與鋼結(jié)構(gòu)支座的連接處的格構(gòu)件的二個槽鋼中間加設(shè)縱向加強鋼板，以加強連接點處的整體鋼度；在端部連接中，由于左側(cè)鋼板與格構(gòu)架的綴板不在同一平面上，為保證其剛度及傳力效果，增設(shè)4塊加強肋板，具體連接方式見（圖八）。

3.5附墻桿受力為拉撐兩種作用，砼對受拉比較敏感，同時由于結(jié)構(gòu)條件限制了埋件的大小、形狀，故預(yù)埋件的設(shè)計尤其重要。本工程六層以上外圍結(jié)構(gòu)均為剪力墻結(jié)構(gòu)，墻厚15層以下為250，15層以上為200，不能保證所有的預(yù)埋件的元鋼均錨入到砼中，這樣就不能保證預(yù)埋件不被拔出，現(xiàn)對16軸處A點的預(yù)埋件處理如下：此處結(jié)構(gòu)上為豎向剪力墻與水平樓層的交點，在埋置預(yù)埋件時，只能保證縱橫兩個中軸上的7根元鋼能完全錨入到砼中，而四角各有預(yù)埋件的二根元鋼因砼墻厚只有200而達不到錨固要求，現(xiàn)取消這8根元鋼，而在砼墻的兩側(cè)用8根Φ60高強螺栓連接，螺栓的抗拉應(yīng)力等于元鋼充分所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，在剪力墻預(yù)埋件的背面，緊固螺栓時要采用鋼墊板。詳見（圖九）：

附墻桿件端部連接示意圖 （圖八）

3.6 塔吊附墻格構(gòu)架支點處預(yù)埋件在標(biāo)準(zhǔn)層埋設(shè)時的處理措施；

3.6.1 為加強格構(gòu)架在M/18軸位置處的預(yù)埋件的受力效果，決定對該部位的窗戶洞口在M軸方向上澆筑砼進行封閉。標(biāo)號同墻體部位，配筋除與墻體具有相同的配筋外，增配鋼筋

φ20@100雙層雙向進行加強，對洞口部位與墻體連接處采用鋼絲網(wǎng)進行間隔，以便在塔吊拆除后對窗戶洞口進行恢復(fù)。

3.6.2 為加強格構(gòu)架在H/20軸處的預(yù)埋件的埋設(shè)效果，決定對該部位在梁范圍以外的外伸墻體進行后澆，預(yù)留插筋，以保證預(yù)埋件的受力。詳見（圖十）：

4塔吊附墻桿件與格構(gòu)架制作、安裝、拆卸施工注意事項

4.1塔吊附墻桿與格構(gòu)架的施工必須待方案審批后才能進行。

4.2必須按設(shè)計要求施工，構(gòu)件尺寸必須精確。

4.3必須確保焊縫的高度、長度和焊縫質(zhì)量，每條焊縫必須認(rèn)真檢查，尤其是結(jié)構(gòu)焊縫。施焊人員必須持有特殊工種操作證，并設(shè)立專人負責(zé)檢查驗收。

4.4格構(gòu)架附墻處的標(biāo)高要與樓面層標(biāo)高基本持平，以增加塔吊附墻桿支座處的水平剛度，同時也方便預(yù)埋件的設(shè)置和施工。

預(yù)埋件在標(biāo)準(zhǔn)層處的節(jié)點圖（圖十）

4.5構(gòu)造措施按構(gòu)造說明施工，必須確保預(yù)埋件的埋設(shè)符合設(shè)計要求，保證預(yù)埋件的制作尺寸、錨固長度、焊縫長度與高度達到要求，保證該處砼的密實度和整體性能，砼中的構(gòu)造鋼筋按設(shè)計要求施工。對于連接耳板、加強連接件MH、FL及鋼絲繩OB，必須認(rèn)真施工與檢查，保證其質(zhì)量，不能遺漏。

4.6將塔吊的70M大臂改制成50M大臂，重新設(shè)計塔吊的限載，將最大起重量降低，嚴(yán)格按操作規(guī)程使用塔吊，大風(fēng)和暴雨天氣嚴(yán)禁操作。

4.7 塔吊附墻桿與鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)架施工時，要有技術(shù)交底和安全交底，并由相關(guān)負責(zé)人講解

操作要點，設(shè)立專職指揮，劃定施工區(qū)域，嚴(yán)禁閑人進入。施工完備后，要經(jīng)過項目部、工程處檢查驗收并報請公司驗收后，塔吊方可繼續(xù)使用。

4.8在格構(gòu)架拆卸過程中，由于塔吊大臂受結(jié)構(gòu)形狀限制，不能吊運附墻格構(gòu)架，為了保證格構(gòu)架拆卸能夠順利進行，對二十七層的格構(gòu)架暫不進行拆卸，作為吊運下幾層格構(gòu)架的支撐；待塔吊拆除后，在屋面上安裝吊桿，用卷揚機將未拆卸的鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)架在進行分割后，逐一拆除。

5結(jié)束語

5.1目前該塔吊已投入使用，該部位的施工層次到達了32層，四道附墻已施工完備，在上級主管部門的監(jiān)督和控制下，各方面運轉(zhuǎn)均正常。

5.2 從經(jīng)濟角度看，由廠家進行附墻設(shè)計、施工的總報價為35萬元，而按照本方案進行設(shè)計、施工的附墻總造價為9萬元，節(jié)約了近26萬元。但它的總造價還是超過了普通塔吊附墻造價的2.5倍。

5.3該塔吊附墻的施工難度較大，因此在條件許可下，還要謹(jǐn)慎使用。通過這次事例，可以為我們以后在工作中，遇到塔吊附墻在特殊情況下施工時，提供一些實踐經(jīng)驗。

作者簡介：

季建國（1971年出生），男，江蘇泰州市人，工程師，國家一級建造師、監(jiān)理工程師、安全工程師，現(xiàn)就職于江蘇華建建設(shè)股份有限公司，從事建筑施工技術(shù)管理；

王寶建（1969年出生）,江蘇泰州市人，高級工程師，國家一級建造師、監(jiān)理工程師，就職于江蘇省第一建筑安裝有限公司, 從事建筑施工技術(shù)管理、行政管理；

孫謹(jǐn)（1973年出生），男，江蘇泰州市人，高級工程師，國家一級建造師，現(xiàn)就職于江蘇華建建設(shè)股份有限公司，從事建筑施工技術(shù)管理、行政管理。

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請用PDF形式查看。