彎軌行走式動(dòng)臂塔吊設(shè)計(jì)及實(shí)施技術(shù)*

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

0 引言

上海中心大廈總建筑面積約574 058 m2，其塔樓主體高度為580 m，建筑總高度為632 m。塔樓以加強(qiáng)桁架層為界，豎向分為9個(gè)功能區(qū)，整個(gè)塔樓采用鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)組合而成的混合結(jié)構(gòu)，抗側(cè)力體系采用“巨型框架-核心筒-外伸臂”。其旋轉(zhuǎn)扭曲的奇特造型完全通過(guò)大樓外幕墻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)（圖1）。

圖1 外幕墻鋼支撐結(jié)構(gòu)體系

外幕墻鋼支撐體系是實(shí)現(xiàn)整個(gè)大樓扭曲旋轉(zhuǎn)奇特造型的關(guān)鍵構(gòu)造，亦是該樓設(shè)計(jì)和施工難度最大的結(jié)構(gòu)之一。鋼支撐結(jié)構(gòu)采用柔性懸掛的結(jié)構(gòu)體系，與主樓分區(qū)對(duì)應(yīng)，從下往上一共分為9個(gè)區(qū)域，每區(qū)自成體系，相互獨(dú)立。整個(gè)幕墻支撐體系鋼結(jié)構(gòu)總量約為8 800 t[1,2]。

本大樓主體結(jié)構(gòu)施工布置有4臺(tái)外掛巨型動(dòng)臂塔吊用于垂直運(yùn)輸和大型構(gòu)件的安裝。但由于塔樓施工繁忙，無(wú)法利用主體結(jié)構(gòu)的巨型動(dòng)臂塔吊進(jìn)行外幕墻鋼支撐結(jié)構(gòu)施工，需設(shè)置獨(dú)立施工吊裝機(jī)械。經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算和工程特點(diǎn)分析，在每區(qū)幕墻支撐頂部外挑桁架層（休閑層）設(shè)置3臺(tái)彎軌行走式動(dòng)臂塔吊，分3塊區(qū)域?qū)δ粔χ芜M(jìn)行安裝。塔式起重機(jī)型號(hào)為QD10B，最大起重力矩為700 kN·m，最大起重質(zhì)量為9 t。

1 設(shè)計(jì)及施工技術(shù)難點(diǎn)

1）與本工程外幕墻鋼支撐結(jié)構(gòu)的7個(gè)分區(qū)相對(duì)應(yīng)，彎軌行走式動(dòng)臂塔吊需要翻駁安拆7次，如何做到裝拆轉(zhuǎn)移安全、經(jīng)濟(jì)、高效是需要解決的技術(shù)難題。

2）7個(gè)區(qū)域形態(tài)各異，行走路線(xiàn)和行走半徑均不一致，設(shè)計(jì)出能滿(mǎn)足不同行走工況的統(tǒng)一行走機(jī)構(gòu)及其配套構(gòu)造是經(jīng)濟(jì)高效實(shí)現(xiàn)本方案的技術(shù)瓶頸。

3）彎軌行走式動(dòng)臂塔吊行走于結(jié)構(gòu)樓板之上，如何滿(mǎn)足樓板不加固或者少加固是方案成功必須考慮的問(wèn)題。

4）塔吊高空彎軌式行走作業(yè)、脫軌等安全隱患亦需要解決。

2 設(shè)計(jì)創(chuàng)新技術(shù)

針對(duì)上述技術(shù)難點(diǎn)，采取化零為整的整體裝拆技術(shù)解決裝拆轉(zhuǎn)移安全、經(jīng)濟(jì)、高效的技術(shù)難題；采取帶擺臂行走機(jī)構(gòu)結(jié)合內(nèi)外軌互代技術(shù)解決行走工況不一致的難題；采取獨(dú)特設(shè)計(jì)的三輪組合行走架并依靠可周轉(zhuǎn)支撐加固技術(shù)解決彎軌行走式動(dòng)臂塔吊和樓層結(jié)構(gòu)匹配問(wèn)題。

2.1 整體裝拆技術(shù)

所謂整體裝拆系指將塔吊各個(gè)組成部分化零為整，分成幾個(gè)大塊進(jìn)行裝拆，塔吊整體共分成：行走臺(tái)車(chē)總成+上下回轉(zhuǎn)總成+平衡臂總成（含尾部配重）為一整體系統(tǒng)、A架塔頭為一整體系統(tǒng)、大臂總成為一整體系統(tǒng)，總共分三大吊完成。

2.1.1 行走臺(tái)車(chē)總成+上下回轉(zhuǎn)總成+平衡臂總成

本組成為實(shí)現(xiàn)整體裝拆的關(guān)鍵。為此在工廠(chǎng)就設(shè)置好吊裝吊點(diǎn)，總計(jì)為4個(gè)，上回轉(zhuǎn)前端2個(gè)吊點(diǎn)、平衡臂后端2個(gè)吊點(diǎn)。同時(shí)，為避免整體起吊過(guò)程當(dāng)中回轉(zhuǎn)總成和行走臺(tái)車(chē)總成之間以及行走輪和相關(guān)行走機(jī)構(gòu)之間產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，造成吊車(chē)損壞，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了防轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，即將上回轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)到一個(gè)合適的角度使上下支座孔重合，用銷(xiāo)軸銷(xiāo)接的方式進(jìn)行固定，如圖2所示。

圖2 塔吊拆裝吊點(diǎn)示意

2.1.2 塔頭總成及大臂總成

塔頭總成及大臂總成的整體裝拆技術(shù)和常規(guī)吊車(chē)類(lèi)似。塔頭總成如圖3所示，整機(jī)安裝完畢后現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

2.2 帶擺臂行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本吊車(chē)行走彎軌的曲率半徑從最大曲率半徑25 088 mm逐區(qū)變化至最小曲率半徑12 530 mm不等，需要針對(duì)性地設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)，有效地采取防脫軌措施，從而確保彎軌的適應(yīng)靈活性。

2.2.1 設(shè)計(jì)措施

常規(guī)的塔吊行走底架在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，以塔吊一側(cè)的支點(diǎn)中心進(jìn)行定位時(shí)，另一側(cè)支點(diǎn)中心將對(duì)軌道產(chǎn)生偏移，以?xún)?nèi)軌定位為例（圖5）。

最大偏移量Δ計(jì)算公式如下：

圖5 支點(diǎn)中心對(duì)軌道偏移量示意

其中起重機(jī)的基距K，即軌道同一側(cè)兩支點(diǎn)間距為4 m，經(jīng)過(guò)計(jì)算，輪緣與軌道最大間隙Δ1＝18 mm＜Δ＝0.058 m，所以常規(guī)機(jī)構(gòu)不能順利通過(guò)彎軌，需在外軌一側(cè)的臺(tái)車(chē)架上增加軌道寬度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，即增加一個(gè)擺臂，使整個(gè)支腿可以向外偏移（圖6）。

圖6 帶擺臂行走裝置示意

轉(zhuǎn)動(dòng)軸上安裝滾動(dòng)推力軸承減少摩擦，擺臂梁與行走縱梁連接軸采用固體潤(rùn)滑軸承支撐。擺臂梁的2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)豎軸距離500 mm，可滿(mǎn)足通過(guò)彎軌需要。

2.2.2 施工措施

使外側(cè)軌道的鋪設(shè)高度略高于內(nèi)側(cè)軌道（外側(cè)軌道比內(nèi)側(cè)軌道標(biāo)高高5 mm左右），使同一根軌道的兩端鋪設(shè)高度略高于中間軌道標(biāo)高（軌道兩端比軌道中間標(biāo)高高20 mm左右），標(biāo)高的調(diào)整利用墊片從軌道中間向兩端緩慢逐漸調(diào)整，嚴(yán)禁標(biāo)高突變。

2.3 內(nèi)外軌互代技術(shù)

由于每個(gè)區(qū)的塔吊行走軌道和路線(xiàn)均不一樣，因此在設(shè)計(jì)塔吊行走軌道的長(zhǎng)度和軌道曲率時(shí)需要盡量考慮能夠周轉(zhuǎn)使用。經(jīng)過(guò)統(tǒng)籌考慮，二～四區(qū)塔吊行走軌道的外軌曲率半徑為25 088 mm，內(nèi)軌曲率半徑為21 088 mm；五區(qū)外軌曲率半徑為21 088 mm，內(nèi)軌曲率半徑為17 088 mm，因此將四區(qū)以下的內(nèi)側(cè)軌道作為五區(qū)的外側(cè)軌道使用，減少了軌道的使用量[3,4]。

3 實(shí)施技術(shù)

3.1 特殊輪距和軌距設(shè)計(jì)滿(mǎn)足樓板不加固要求

塔式起重機(jī)型號(hào)為Q D 1 0 B，最大起重力矩為700 kN·m，最大起重質(zhì)量為9 t。為減小對(duì)樓板的荷載影響，行走式塔式起重機(jī)共設(shè)置4組行走輪，每組行走輪設(shè)置3個(gè)輪子，軌距為4 m，輪距為1.3 m，有效分布了荷載，樓板結(jié)構(gòu)無(wú)須進(jìn)行加固即可承擔(dān)經(jīng)特殊設(shè)計(jì)塔式起重機(jī)荷載。軌距4 m和每組行走輪的輪距設(shè)計(jì)為1.3 m，是經(jīng)過(guò)對(duì)樓板構(gòu)造分析特殊設(shè)計(jì)的（圖7）。

圖7 塔式起重機(jī)軌道布置示意

結(jié)合塔吊的自重和起重性能，軌距4 m可有效地控制住每組行走輪的受力不超過(guò)200 kN。

塔式起重機(jī)行走輪對(duì)樓板的荷載為局部荷載，樓板本身的構(gòu)造為連續(xù)板。根據(jù)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 99—1998）第7.1.9條規(guī)定，在局部荷載下組合板的有效工作寬度按照連續(xù)板抗彎計(jì)算時(shí)，其計(jì)算寬度為：

式中：l——組合板跨度，根據(jù)本樓層具體情況，取3 000 mm；

lp——荷載作用點(diǎn)到組合樓板較近支座的距離，最不利取作用樓板跨中計(jì)算，取1 500 mm；

bf1——集中荷載在組合板中的分布寬度，軌道下部埋件的寬度為200 mm，樓板厚度為200 mm，壓型鋼板高度為76 mm，因此bf1=0.2 m+2×（0.2-0.076）m =0.45 m。

故bef=0.45+［4×1.5（1-1.5/3）］/3=1.45 m。

塔式起重機(jī)下部每組行走輪的輪距為1.3 m，較好地接近樓板有效承載工作寬度，因此每個(gè)輪子的荷載可考慮傳遞給其下部寬1.3 m的樓板，較好地分散了相鄰行走輪對(duì)樓板的共同作用。

根據(jù)塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)情況，每個(gè)行走輪最大的輪壓為70 kN，考慮輪壓力作用于3 m跨度連續(xù)樓板跨中，則輪壓造成的1.3 m寬度內(nèi)連續(xù)板帶最大彎矩為：M=0.175pl=0.175×7×1.3×3×10=48 kN·m。折算至1 m板帶內(nèi)彎矩為：M1=48/1.3=37 kN·m。

塔式起重機(jī)行走樓板采用厚200 mm的組合樓板形式，壓型鋼板肋高75 mm，厚為1.2 mm。樓板配備鋼筋為φ14 mm，鋼筋間距為100 mm。1 m板帶范圍內(nèi)受拉區(qū)鋼筋截面積As為1 540 mm2，鋼筋抗拉強(qiáng)度值f為300 N/mm2，不考慮壓型鋼板作用情況下樓板1 m板帶的抗彎承載能力約為：M2=1 540×300×150/106=69.3 kN·m＞M1。

抗彎符合要求，本樓板承載過(guò)程中彎矩控制為關(guān)鍵，其他相關(guān)承載經(jīng)過(guò)計(jì)算也均符合受力要求，因此塔式起重機(jī)使用安全可靠。

3.2 周轉(zhuǎn)支撐加固技術(shù)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，支撐樓板的鋼梁部分區(qū)域需要進(jìn)行加固，下部設(shè)置圓管支撐進(jìn)行加固，圓管支撐可周轉(zhuǎn)重復(fù)利用，采取焊接形式和加固鋼梁連接，操作簡(jiǎn)單可行（圖8）。

圖8 支撐鋼管加固示意

4 結(jié)語(yǔ)

1）采取化零為整的整體裝拆技術(shù)解決裝拆轉(zhuǎn)移安全、經(jīng)濟(jì)、高效的技術(shù)難題，平均裝拆轉(zhuǎn)移1臺(tái)小吊車(chē)時(shí)間僅為2 h，確保了施工進(jìn)度和效率[5,6]；

2）采取帶擺臂行走機(jī)構(gòu)結(jié)合內(nèi)外軌互代技術(shù)解決了行走工況不一致的難題，節(jié)約了軌道的用量，并且安全可靠地解決了小半徑彎弧軌道的吊車(chē)行走難題；

3）采取獨(dú)特設(shè)計(jì)的三輪組合行走架并依靠可周轉(zhuǎn)支撐加固技術(shù)解決了彎軌行走式動(dòng)臂塔吊和樓層結(jié)構(gòu)匹配問(wèn)題，從二～九區(qū)沒(méi)有對(duì)一個(gè)樓層的混凝土樓板進(jìn)行了加固，僅部分小型鋼梁設(shè)置了圓管支撐，用鋼量控制在1 t以?xún)?nèi)，成本低、效益高；

4）目前整個(gè)大樓施工已全部完成，彎軌行走式動(dòng)臂塔吊取得良好效果，可為其他項(xiàng)目提供較好的借鑒作用。