塔吊附墻工況對高層建筑外框鋼結(jié)構(gòu)的影響及加固設(shè)計(jì)

鄭祥杰

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

自立式塔吊廣泛應(yīng)用于高層建筑施工中，當(dāng)塔吊自立高度超過限值后，必須采用附墻工況。由于高層結(jié)構(gòu)的塔樓整體抗側(cè)剛度遠(yuǎn)大于塔吊自身的抗側(cè)剛度，故塔樓可作為塔吊的可靠附著結(jié)構(gòu)。當(dāng)塔吊直接附著于外框鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)考察附著處的結(jié)構(gòu)局部剛度。該階段下樓面梁和外框柱的受力狀態(tài)與使用階段不同，樓面梁在缺少樓板混凝土約束作用下的整體穩(wěn)定性不容忽略，外框柱因附墻桿偏心連接產(chǎn)生的附加扭矩同樣應(yīng)予以重視。有必要找出一些簡單高效的結(jié)構(gòu)加固方式，以改善結(jié)構(gòu)局部剛度，提高桿件承載能力，確保塔吊附著工況下的施工安全[1-5]。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)概況

上海靜安60地塊塔樓主體結(jié)構(gòu)高度為240.27 m，地上53層，地下4層，采用框架-核心筒的結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)平面布置情況如圖1所示。核心筒部分采用混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，并在墻肢邊緣布置鋼骨柱；外框結(jié)構(gòu)采用型鋼混凝土柱＋鋼梁的結(jié)構(gòu)形式；在24F和25F以及38F和39F設(shè)置2道環(huán)帶桁架層，以提高塔樓整體剛度。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置示意

1.2 施工概況

塔樓南北兩側(cè)布置2臺(tái)自立式塔吊，為保證塔吊在工作狀態(tài)下的塔身穩(wěn)定性，塔吊與塔樓外框柱之間需通過附墻桿連系在一起，如圖2所示。

圖2 塔吊平面布置示意

根據(jù)設(shè)備廠商要求，塔吊上下2道附墻桿的間距控制在25～33 m之間，附墻桿所在樓層及對應(yīng)標(biāo)高見表1。

表1 塔吊附墻桿布置位置

2 外框結(jié)構(gòu)梁的加固設(shè)計(jì)

2.1 加固原因

外框樓面梁在使用階段主要承受樓面恒荷載以及活荷載等豎向荷載作用，結(jié)構(gòu)梁的內(nèi)力主要表現(xiàn)為彎矩和剪力。但在塔吊附墻工況中，附墻荷載使得外框結(jié)構(gòu)梁承受較大的軸壓力或軸拉力，當(dāng)樓面混凝土未澆筑時(shí)，壓型鋼板不能有效約束結(jié)構(gòu)梁受壓翼緣的側(cè)向變形，不能忽略結(jié)構(gòu)梁的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)梁的內(nèi)力主要表現(xiàn)為軸力；當(dāng)樓面混凝土澆筑后，盡管結(jié)構(gòu)梁的整體穩(wěn)定性有顯著提高，但樓板自重帶來的彎矩和剪力不可忽略，結(jié)構(gòu)梁的內(nèi)力主要表現(xiàn)為軸力、彎矩和剪力。顯然，塔吊附墻工況下結(jié)構(gòu)梁的內(nèi)力狀態(tài)與使用階段是不一致的。經(jīng)計(jì)算，樓面梁在附墻工況下不能滿足整體穩(wěn)定和強(qiáng)度要求，需要對樓面結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。

2.2 加固方式

因樓板剛度未形成，樓面鋼梁很容易在塔吊附墻荷載下出現(xiàn)面外失穩(wěn)的情況，可在附墻桿件直接對應(yīng)的2根樓面梁之間增設(shè)水平支撐，形成平面桁架，大幅提高樓面梁的面外穩(wěn)定性，如圖3（a）所示；當(dāng)樓板形成后，樓面鋼梁出現(xiàn)強(qiáng)度不足的情況時(shí)，可適當(dāng)增加附墻桿件直接對應(yīng)的2根樓面梁截面的寬度和壁厚，且不改變梁截面的高度，這樣可以在滿足樓層凈高要求的同時(shí)增加梁截面的面積，降低梁截面的應(yīng)力水平，如圖3（b）所示；必要時(shí)，還可改變連接節(jié)點(diǎn)形式，如將鋼梁與核心筒的連接節(jié)點(diǎn)由單剪連接構(gòu)造改為雙剪連接構(gòu)造，以提高連接節(jié)點(diǎn)的承載能力，如圖3（e）所示。

圖3 外框樓面加固形式

2.3 加固效果

計(jì)算結(jié)果（表2）表明，加固后的樓面梁在附墻荷載作用下，最大應(yīng)力比小于1.0，且樓面穩(wěn)定一階屈曲系數(shù)大于10，樓面梁滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定要求。

表2 樓層計(jì)算結(jié)果

3 外框柱的加固設(shè)計(jì)

3.1 附墻桿件與外框柱鋼骨的連接構(gòu)造

外框柱采用型鋼混凝土柱，受施工進(jìn)度制約，外框柱混凝土澆筑滯后于塔吊附墻工況，必須在鋼骨柱一側(cè)設(shè)置鋼牛腿，便于塔吊附墻桿件與之焊接。鋼牛腿端板外側(cè)與混凝土外邊平齊，附墻桿與端板之間焊接。端板通過水平肋板與十字鋼骨柱相連，十字柱在附墻標(biāo)高處出現(xiàn)2道橫隔板，為保證勁性柱混凝土澆筑質(zhì)量，2道橫隔板的凈距不小于300 mm，且橫隔板除在中心設(shè)有流淌孔外，在近端板處還開設(shè)直徑150 mm的澆搗孔，如圖4所示。鋼牛腿端板厚度40 mm，水平肋板（鋼骨橫隔板）厚度30 mm。

圖4 鋼骨柱鋼牛腿構(gòu)造

水平肋板近端板處布置若干鋼筋接駁器，勁性柱縱筋在牛腿處與上下肋板的鋼筋接駁器連接，因接駁器與端板距離非常接近，故水平肋板具有足夠的剛度，可以認(rèn)為縱筋通過端板連接在一起，從而實(shí)現(xiàn)縱筋力線連續(xù)的設(shè)計(jì)要求。

3.2 加固原因

外框柱截面呈方形，為便于外框混凝土澆筑施工，避免附墻桿件與外框柱角部產(chǎn)生沖突，附墻桿軸線無法對準(zhǔn)外框柱的中心，只能調(diào)整至外框柱側(cè)邊中心處，如圖5（b）所示，則外框柱將承受扭矩。

圖5 附墻桿與外框柱的定位

附墻桿與外框柱連接時(shí)，外框柱的混凝土尚未澆筑，也就是說，外框柱的鋼骨需要獨(dú)立承受附墻桿的荷載，但鋼骨截面為十字形截面，且附墻桿與外框柱的中心存在偏心，意味著鋼骨將獨(dú)自承受扭矩，這是十分不利的。

計(jì)算結(jié)果表明，在附墻荷載作用下，鋼骨柱最大應(yīng)力為467.2 MPa，出現(xiàn)在鋼骨柱端部，如圖6（a）所示。最大應(yīng)力超過材料屈服強(qiáng)度345 MPa，不滿足強(qiáng)度要求。最大位移20.9 mm，表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)后的平面內(nèi)變形，位于鋼牛腿處，如圖6（b）所示。

圖6 鋼骨加固前的計(jì)算結(jié)果

3.3 加固方式

由于外框鋼骨為開口斷面，鋼骨的抗扭性能較差。借鑒基坑工程中常用的綴板格構(gòu)柱的截面形式，擬在十字形鋼骨翼緣之間等距間隔布置綴板，綴板寬度為100 mm，綴板之間的中心距為400 mm，如圖7所示。

圖7 十字形鋼骨截面加固形式

這種加固方式具有以下2個(gè)優(yōu)勢：

1）將原本開口的截面調(diào)整為近似閉口的截面，有效提高截面的抗扭性能。

2）綴板間的空隙可確保混凝土的流淌，保證了混凝土的澆筑質(zhì)量。

3.4 加固效果

加固后的鋼骨抗扭能力大幅提高，應(yīng)力峰值和最大扭轉(zhuǎn)變形量值的降幅明顯。計(jì)算結(jié)果表明，在附墻桿荷載作用下，鋼骨柱最大應(yīng)力235.1 MPa，出現(xiàn)在鋼骨柱端部，降幅達(dá)到50%。最大應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度345 MPa，滿足強(qiáng)度要求，如圖8（a）所示。最大位移6.4 mm，表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)后的平面內(nèi)變形，位于鋼牛腿處，降幅達(dá)到70%，如圖8（b）所示。

圖8 鋼骨加固后的計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

1）當(dāng)自立式塔吊用于超高層塔樓施工時(shí)，往往需要設(shè)置附墻桿與主體結(jié)構(gòu)形成可靠連接，以保證塔吊工作時(shí)塔身的穩(wěn)定性。當(dāng)附墻桿與外框鋼結(jié)構(gòu)連接時(shí)，應(yīng)特別注意塔吊附墻荷載對外框結(jié)構(gòu)的受力影響。

2）當(dāng)樓面板尚未澆筑時(shí)，在樓面增設(shè)水平支撐可以有效地改善結(jié)構(gòu)承受面內(nèi)荷載時(shí)的穩(wěn)定性，以確保塔吊施工的安全性；當(dāng)樓面板澆筑完成后，即可拆除這些臨時(shí)水平支撐。

3）附墻桿與勁性混凝土柱連接時(shí)，可通過鋼牛腿將連接面移至混凝土面外側(cè)，鋼牛腿與鋼骨應(yīng)避免形成密室，橫隔板應(yīng)設(shè)置澆搗孔，從而保證混凝土的澆筑質(zhì)量。

4）十字形鋼骨柱為開口截面，抗扭性能較差，應(yīng)盡可能避免承受扭矩。當(dāng)扭矩不可避免時(shí)，可將鋼骨柱改造為綴板格構(gòu)式截面，既能有效改善截面的抗扭性能，又能保證混凝土的澆筑質(zhì)量。