外爬式塔吊對高層鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)影響的分析

卿龍邦，姚 雄，肖成志，田穩(wěn)苓

（1.河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，天津 300401；2.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401；3.解放軍93682部隊(duì)，北京 101300）

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市中土地資源緊張，越來越多的高層建筑作為地標(biāo)性建筑出現(xiàn)在各個(gè)城市［1］。鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系與傳統(tǒng)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系相比，具有節(jié)約鋼材、制作施工簡單、延性良好等優(yōu)點(diǎn)［2］，是常見高層建筑的核心部分。高層建筑塔吊的科學(xué)、安全運(yùn)行是確保工程施工質(zhì)量、進(jìn)度、安全的關(guān)鍵因素。高層建筑動臂塔吊爬升方式有內(nèi)爬式和外爬式，外爬式塔吊將塔身安裝在承力導(dǎo)向裝置內(nèi)，承力導(dǎo)向裝置由緊固件固定在建筑體外側(cè)，塔身可沿承力導(dǎo)向裝置四角的水平限位裝置向上爬升，爬升高度不受限制，因此塔身可以做得很短，而不占建筑場地，具有整機(jī)輕、造價(jià)低、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［3］。

由于高層建筑的功能要求，一些建筑的核心筒平面尺寸較小，或內(nèi)部構(gòu)造較復(fù)雜，且需要布置布料桿、腳手架等施工設(shè)備，不能滿足內(nèi)爬式塔吊的安裝和爬升空間的需求，如果采用外爬式塔吊，將塔吊外掛到鋼板剪力墻外壁上就能滿足塔吊安裝、爬升和使用空間的要求，而且可根據(jù)不同工程的實(shí)際施工需要布置多臺塔吊，同時(shí)施工［4］，塔吊附著和頂升過程可利用施工間隙進(jìn)行，對總的施工進(jìn)度影響不大，且塔吊司機(jī)能獲得開闊的視野，利于塔吊安全操作，安裝和拆卸也較為方便［5］。

以往研究多關(guān)注于塔吊本身及支撐系統(tǒng)的分析，對于施工過程中塔吊作用下鋼板剪力墻受到的影響分析較少。文獻(xiàn)研究了塔吊在臺風(fēng)環(huán)境下施工的附著安全性。文獻(xiàn)研究了爬升塔吊外掛支撐系統(tǒng)的在各種工況下的受力，校核了強(qiáng)度要求。

本文結(jié)合天津諾德英藍(lán)國際金融中心工程實(shí)例，模擬了在施工過程中鋼板剪力墻受外爬式塔吊的作用，得出外爬式塔吊對鋼板剪力墻應(yīng)力和位移的影響效應(yīng)。

1 工程概況

諾德英藍(lán)國際金融中心位于天津市濱海新區(qū)于家堡起步區(qū)，建筑高度292.95m，裙房高30.75m，總建筑面積212 882m2，地下4層，基坑深度21.5 m，裙房地上7層，地上主樓63層，主體塔樓結(jié)構(gòu)采用“巨型柱＋剪力墻核芯筒＋環(huán)形桁架＋伸臂桁架”結(jié)構(gòu)體系，裙房采用鋼筋混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，其主體結(jié)構(gòu)材料主要采用Q345C和Q345GJC型鋼板型鋼，鋼結(jié)構(gòu)外包裹高強(qiáng)度混凝土。鋼板剪力墻、巨型柱及伸臂結(jié)構(gòu)均采用焊縫連接［7］。該工程項(xiàng)目建成后將成為于家堡金融區(qū)起步區(qū)9＋3地塊的標(biāo)志性建筑物。工程采用動臂塔吊，塔吊平面布置及塔吊模型分別如圖1、圖2所示。

鋼板剪力墻隨層數(shù)增加自重不斷增大，外荷載容易對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響［8］。施工過程中，鋼板剪力墻達(dá)到一定高度后外爬式塔吊需要爬升，塔吊依靠鋼板剪力墻上的預(yù)埋鋼板支撐。塔吊的自重大，施工過程中加上吊裝重量，對墻體產(chǎn)生較大的作用力。因此，有必要分析外爬式塔吊對鋼板剪力墻的應(yīng)力和位移的影響。

圖2 塔吊和支撐系統(tǒng)模型示意圖

2 模型

外爬式動臂塔吊的塔身和塔吊支撐系統(tǒng)采用ANSYS有限元軟件建模，模擬剪力墻施工到10層高度，塔吊附著在鋼板剪力墻上的工況如圖2所示，上下支撐系統(tǒng)的間距為18.55m。

塔身和支撐系統(tǒng)鋼材為Q345 型鋼，彈性模量取2.06×1011N／m2，密度取7 850kg／m3，泊松比取0.3，均采用BEAM188單元，采用雙線性隨動強(qiáng)化模型考慮鋼材應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，支撐系統(tǒng)連接通過釋放自由度實(shí)現(xiàn)鉸接。

塔吊回轉(zhuǎn)平臺荷載和吊裝荷載以及塔吊彎矩分四點(diǎn)作用在塔身H 型鋼柱上，通過荷載統(tǒng)計(jì)和查閱廠家塔吊技術(shù)文件［9］，塔吊最大豎向力取295t，塔吊最大彎矩取1 024t·m，每根鋼柱的受力為295／4＝73.75t，每根鋼柱受彎矩為1 024／4＝256t·m。

鋼板剪力墻采用SAP2000結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件建模，模擬施工過程中塔吊對鋼板剪力墻的作用，建立了10層的剪力墻模型，層高5.1 m，剪力墻中間層為鋼板，內(nèi)外澆筑C80 高強(qiáng)混凝土，墻體總厚度為1 m，其中鋼板厚度為0.04m。鋼板為Q345型鋼，彈性模量取2.06×1011N／m2，密度取7 850kg／m3，泊松比取0.3，C80混凝土密度取2 340kg／m3［10］，彈性模量取4.30×1010N／m2［11］，泊松比取0.2。將ANSYS軟件計(jì)算出來的支撐系統(tǒng)墻體位置的荷載施加到剪力墻上，求出剪力墻的應(yīng)力和位移。為了求出塔吊對鋼板剪力墻應(yīng)力和位移的影響，分別建立無塔吊附著和有塔吊附著的鋼板剪力墻模型，鋼板剪力墻模型如圖3所示，墻體荷載施加位置如圖4所示。

圖3 剪力墻模型示意圖

圖4 墻體荷載施加位置示意圖

3 計(jì)算結(jié)果和討論

通過分析計(jì)算，與墻體相連部分支撐系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的荷載坐標(biāo)值如表1所示：

鋼板剪力墻無塔吊附著時(shí)和有塔吊附著時(shí)豎向應(yīng)力如圖5、圖6所示?？梢?，無塔吊附著時(shí)，鋼板剪力墻豎向應(yīng)力呈豎向向底部較為均勻遞增，最大豎向應(yīng)力約為1 300kPa；在有塔吊附著情況下，鋼板剪力墻豎向應(yīng)力在塔吊上部支撐以上部位往下較為均勻遞增，在塔身附著高度以下范圍內(nèi)應(yīng)力等值線變成不連續(xù)的彎折的曲線，豎向應(yīng)力增大，底部最大應(yīng)力約為1 650kPa，增大約350kPa。

表1 與墻體相連部分支撐系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的荷載統(tǒng)計(jì)表

圖5 無塔吊附著豎向應(yīng)力

圖6 有塔吊附著豎向應(yīng)力

剪力墻無塔吊附著和有塔吊附著的豎向位移如圖7、圖8所示?？梢钥闯?，鋼板剪力墻在無塔吊附著的情況下豎向位移的最大值約為0.7 mm，呈現(xiàn)較為均勻的向底部遞減的規(guī)律，位移等值線基本趨于直線；在有塔吊附著的情況下，豎向位移的最大值略有增大，約為0.78 mm，在塔吊附著高度范圍內(nèi)位移等值線變成了傾斜的曲線。

圖7 無塔吊附著豎向位移

圖8 有塔吊附著豎向位移

鋼板剪力墻有塔吊附著和無塔吊附著時(shí)的墻面法向位移如圖9、圖10所示。無塔吊附著時(shí)，由于沒有考慮風(fēng)荷載和地震荷載，鋼板剪力墻法向位移基本為零；在有塔吊附著的情況下，塔吊對鋼板剪力墻的法向位移產(chǎn)生顯著的影響，最大法向位移約為1.95mm，在上部支撐系統(tǒng)預(yù)埋件處墻體法向位移較周圍墻體明顯增大，達(dá)到約1.65 mm，下部支撐系統(tǒng)部位墻體法向位移較周圍墻體有所減小，約為0.15mm，這樣加大了上下部支撐系統(tǒng)部位墻體的法向位移差，約為1.5mm。此外，塔吊附著對門窗洞口左邊剪力墻肢也產(chǎn)生較大影響。

圖9 塔吊附著法向位移

圖10 有塔吊附著法向位移

4 結(jié)論

針對超高層建筑施工過程的質(zhì)量控制需要，本文分析了諾德英藍(lán)國際金融中心外爬式塔吊在施工過程中對在建高層建筑鋼板剪力墻的影響，主要結(jié)論如下：

（1）塔吊附著對鋼板剪力墻應(yīng)力產(chǎn)生影響。在無塔吊附著時(shí)鋼板剪力墻豎向應(yīng)力最大值約為1 300kPa，有塔吊附著時(shí)豎向應(yīng)力的最大值為1 650 kPa，增大約350kPa。

（2）塔吊附著對鋼板剪力墻豎向位移影響不大，無塔吊附著時(shí)豎向位移最大值約為0.7 mm，有塔吊附著時(shí)豎向位移的最大值為0.78 mm。塔吊附著對法向位移產(chǎn)生顯著影響：有塔吊情況下墻體最大法向位移約為1.95mm，上下部支撐系統(tǒng)部位墻體的位移差達(dá)到1.5mm。

因此，在施工過程中應(yīng)該重視塔吊對鋼板剪力墻的影響。隨著施工的進(jìn)展，層數(shù)增加，風(fēng)荷載等不利因素加大，建議在施工過程中重視塔吊的安全運(yùn)作，加強(qiáng)墻體的應(yīng)力變形監(jiān)測和分析，減少額外的墻體水平位移，以確保工程質(zhì)量和安全。

［1］ 摩天城市網(wǎng).沖向天空的1.7萬億——2012中國摩天城市報(bào)告［EB／OL］.（2012.7.31）［2013.6.1］http／／www.Motiancity.com／2012／index.php.

［2］ 郭彥林，周明.鋼板剪力墻的分類及性能［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，（3）：1－2.

［3］ 建筑機(jī)械化.實(shí)用新型專利三則［J］.建筑機(jī)械化，1994，（3）：36.

［4］ 張宇，陳曉明.爬升塔吊的外掛支承系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］.建筑施工，2007，29（10）：802－803.

［5］ 李迪，王朝陽.超高層建筑施工中塔吊的合理應(yīng)用［J］.工業(yè)建筑，2012，（12）：79－80.

［6］ 鄢長，李松.超高層建筑施工臺風(fēng)環(huán)境下塔吊附著安全性技術(shù)研究［J］.建筑安全，2011，（9）：48－51.

［7］ 中鐵建工集團(tuán).諾德.英藍(lán)國際金融中心動臂塔吊施工方案［Z］.天津：中鐵建工集團(tuán)，2012.

［8］ JGJ3－2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［9］ 中昇建機(jī)（南京）重工有限公司.產(chǎn)品手冊［Z］.南京：中昇建機(jī)（南京）重工有限公司，2012.

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