內(nèi)爬式塔式起重機(jī)基礎(chǔ)下方連梁鋼支撐加固數(shù)值模擬*

姜繼果，薛曉宏，楊 磊，姜子麒，陳 龍

(中鐵二十局集團(tuán)第六工程有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

隨著我國城市化的快速發(fā)展，建筑用地資源日趨緊張，超高層建筑在城市建設(shè)規(guī)劃中越來越受到青睞。內(nèi)爬式塔式起重機(jī)高度一定，具有上、下2層附著框架，先在上層框架固定塔機(jī)，釋放塔機(jī)與下層框架的連接，并通過固定于下層框架上的頂升裝置頂升塔身，再以上層框架為下層框架循環(huán)頂升，使塔機(jī)在建筑物核心筒內(nèi)隨施工進(jìn)度逐步向上爬升。內(nèi)爬式塔式起重機(jī)工程性能優(yōu)異，在高層建筑中被廣泛應(yīng)用，與其相關(guān)的研究也有了長足發(fā)展。周明等[1]和張家偉[2]結(jié)合實際工程著重分析了塔式起重機(jī)爬升方法及框架建模中遇到的問題。陳愛華等[3]和姚剛等[4]使用軟件模型化處理附墻支撐系統(tǒng)中的設(shè)計強(qiáng)度問題。運(yùn)用不同有限元軟件模擬分析內(nèi)爬式塔式起重機(jī)塔身及附著結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性，是目前內(nèi)爬式塔式起重機(jī)研究的主要方向。內(nèi)爬式塔式起重機(jī)常附著于核心筒電梯間等剛度較大部位，而這類空間較狹小，有時塔式起重機(jī)附著點無可避免位于結(jié)構(gòu)剛度薄弱處，需對其進(jìn)行加固，以保證安全[5]。

1 工程概況

綠地絲路全球文化中心項目位于西安市灞橋區(qū)，其中5，7號樓為超高層建筑，采用核心筒+鋼框架結(jié)構(gòu)，地下2層，地上36層，建筑高度達(dá)160m。為滿足主塔樓施工要求，采用 ZSL500型內(nèi)爬式塔式起重機(jī)在核心筒內(nèi)爬升，吊臂長60m，塔式起重機(jī)總高52m。塔式起重機(jī)C框梁尺寸為3.4m×3.4m，安裝筒可利用空間為8.9m×5.6m，支撐鋼梁長9.7m，內(nèi)爬塔基礎(chǔ)鋼梁布置如圖1所示。

圖1 內(nèi)爬塔基礎(chǔ)支撐鋼梁布置

2 加固方法

由于核心筒內(nèi)可利用空間較小，其中1道支撐梁兩端支撐點位于混凝土連梁LL3(400mm×1 200mm)， LL5(800mm×800mm)跨中位置。連梁下為空洞，作為塔式起重機(jī)的支撐點無法保證充足的安全儲備，需對LL3，LL5進(jìn)行加固。目前常用增大截面加固法、粘貼型鋼加固法、外包型鋼加固法及增設(shè)鋼支撐加固法進(jìn)行結(jié)構(gòu)局部加固[6]。增設(shè)鋼支撐加固法通過增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件對原框架結(jié)構(gòu)受壓進(jìn)行合理分?jǐn)?，可降低原結(jié)構(gòu)承受荷載，提高整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。此類加固方法施工簡便、施工效率高、成本投入低，特別對于臨時加固結(jié)構(gòu)，拆裝方便，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)局部加固[7]。本工程加固主要用于抵抗施工期間塔式起重機(jī)荷載，其增設(shè)支撐用完即拆，因此采用由Q235鋼材制作的外徑375mm、壁厚10mm無縫鋼管作為鋼支撐對連梁進(jìn)行加固，每次塔式起重機(jī)爬升結(jié)束，利用塔式起重機(jī)內(nèi)吊及時運(yùn)輸鋼管支撐至附著層繼續(xù)對連梁進(jìn)行加固。

3 內(nèi)爬塔工況分析與模型建立

對ZSL500型內(nèi)爬式塔式起重機(jī)進(jìn)行受力簡化分析，綜合考慮起重力矩和風(fēng)荷載的影響，可知塔式起重機(jī)上支撐框架只受水平荷載作用，下支撐框架承擔(dān)塔式起重機(jī)自重和吊重產(chǎn)生的豎向荷載(見圖2)。因此受力最不利的最下面一道支撐鋼梁受垂直力V、水平力R共同作用。

圖2 內(nèi)爬塔結(jié)構(gòu)反力

工作期間內(nèi)爬式塔式起重機(jī)吊臂可在平面內(nèi)360°無死角工作，根據(jù)吊臂作業(yè)方向分為8種工況(見圖3)，分別計算各工況下支撐鋼梁與混凝土連梁接觸點荷載。

圖3 內(nèi)爬塔工況分析

3.1 模型建立

利用MIDAS Gen有限元分析軟件建立塔式起重機(jī)基礎(chǔ)支撐鋼梁模型，如圖4所示。ZSL500型內(nèi)爬式塔式起重機(jī)附著框架基礎(chǔ)支撐鋼梁由400mm×900mm箱式鋼梁組成，上、下底板采用30mm厚鋼板，左、右側(cè)板采用20mm厚鋼板，采用Q345鋼材，屈服強(qiáng)度fy為345MPa，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3。塔式起重機(jī)支撐鋼梁主梁通過與結(jié)構(gòu)預(yù)埋件焊接形成固定連接，節(jié)點1～4為基礎(chǔ)鋼梁與核心筒接觸點，并在此節(jié)點設(shè)置剛性約束。

圖4 內(nèi)爬塔基礎(chǔ)支撐鋼梁模型

3.2 荷載參數(shù)

ZSL500型內(nèi)爬式塔式起重機(jī)最大起重量為32t，選定起重半徑15.4m、吊重32t進(jìn)行塔式起重機(jī)工作復(fù)核。根據(jù)ZSL500型內(nèi)爬式塔式起重機(jī)說明書、現(xiàn)場條件及GB 50068—2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，塔式起重機(jī)動荷載取作用分項系數(shù)1.5，靜荷載取作用分項系數(shù)1.3，確定塔式起重機(jī)荷載數(shù)值如表1所示。

表1 ZSL500型塔式起重機(jī)荷載取值

3.3 支座反力

各支座反力計算結(jié)果如表2所示。

表2 基礎(chǔ)梁支座反力 kN

3.4 混凝土連梁承載力驗算

連梁寬300mm，高600mm，混凝土強(qiáng)度等級為C60，受拉縱筋9φ22，截面面積3 419.46mm2，受壓縱筋5φ16，截面面積1 004.8mm2。

1)混凝土連梁垂直方向正截面驗算

截面有效高度h0=h-as=565mm；相對受壓區(qū)高度ζb=β1/[1+fy/(εcuEs)]=0.576；最小配筋率ρmin=max(0.45ft/fy，0.2%)=0.34%；截面配筋率ρ=As/(bh0)=2.02%；用于平衡受壓鋼筋A(yù)′s的受拉鋼筋面積As2=A′sf′y/fy=1 005mm2；用于平衡混凝土壓力的受拉鋼筋面積As1=As-As2=2 415mm2；As1受壓區(qū)混凝土形成的截面抵抗彎矩Mu1=fyAs1(h0-x/2)=342.60kN·m；As2和A′s形成的截面抵抗彎矩M′u=f′yA′s(h0-a′s)=191.72kN·m；抗彎承載力Mu=Mu1+M′u= 534.31kN·m。

混凝土連梁跨度為3.3m，F(xiàn)zmax=626.7kN，故M=PL/4=517.028kN·m(P為連梁中點所受集中力，L為連梁跨度)。考慮塔式起重機(jī)工作可能遇到的極端天氣環(huán)境及工作過載情況，為保證混凝土結(jié)構(gòu)安全性，需對連梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。

2)混凝土連梁水平方向正截面驗算

截面有效高度h0=h-as=265mm；相對受壓區(qū)高度ζb=β1/[1+fy/(εcuEs)]=0.576；最小配筋率ρmin=max(0.45ft/fy，0.2%)=0.34%；截面配筋率ρ=As/(bh0)=1.98%；用于平衡受壓鋼筋A(yù)′s的受拉鋼筋面積As2=A′sf′y/fy=3 154mm2；用于平衡混凝土壓力的受拉鋼筋面積As1=As-As2=0；因此，受壓區(qū)高度x=fyAs1/(α1fcb)=0。ρ≥ρmin，且x<2a′s，此梁為適筋梁但受壓鋼筋未屈服；近似取x=2a′s，抗彎承載力Mu=fyAsh0(1-a′s/h0)=195.87kN·m。

混凝土連梁跨度為3.3m，F(xiàn)xmax=189.6kN,故M=PL/4=156.42kN·m。因此連梁在水平方向無需加固。

4 鋼支撐結(jié)構(gòu)形式分析

鋼支撐常采用柱狀支撐和V形支撐。利用MIDAS Gen建模對比分析兩種鋼支撐結(jié)構(gòu)形式在不同塔式起重機(jī)工況下對核心筒結(jié)構(gòu)的影響[8]。

4.1 模型建立

以實際工程核心筒分別使用柱狀支撐、V形支撐結(jié)構(gòu)為原型，簡化建立4層核心筒模型(見圖5),從2層開始由下而上增設(shè)鋼支撐，在模型剪力墻底端施加3個方向的位移和轉(zhuǎn)角約束[9]。

圖5 數(shù)值模型

4.2 材料屬性及加載方式

連梁、剪力墻采用C60混凝土，彈性模量為3.599×104MPa，密度為2 549kg/m3。核心筒框架梁采用C30混凝土，彈性模量為2.979×104MPa，密度為2 549kg/m3。鋼支撐采用Q235B鋼材，屈服強(qiáng)度fy為235MPa，屈服應(yīng)變?yōu)?.024，抗拉強(qiáng)度fu為375MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.26，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3。

根據(jù)上文塔式起重機(jī)工況分析結(jié)果可將塔式起重機(jī)荷載經(jīng)支撐鋼梁傳遞到核心筒上的工況分為8種，以塔式起重機(jī)懸臂指向x軸負(fù)向為工況1，以逆時針方向旋轉(zhuǎn)45°為一種工況依次設(shè)計8種工況(見圖3)，對應(yīng)2種不同支撐模型分別進(jìn)行加載。

4.3 模擬結(jié)果分析

工況1狀態(tài)下由柱狀支撐加固的核心筒模型最大位移及結(jié)構(gòu)承載梁單元應(yīng)力如圖6,7所示。

圖6 柱狀支撐模型等值線位移(單位：mm)

圖7 柱狀支撐模型結(jié)構(gòu)梁單元應(yīng)力(單位：MPa)

由圖6，7可知，除極少部分結(jié)構(gòu)梁出現(xiàn)位移最大值0.22mm，其他影響均不大。柱狀支撐核心筒結(jié)構(gòu)模型中的梁單元最大應(yīng)力值僅1.704MPa，C60混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為2.04MPa。因此混凝土構(gòu)件梁不會出現(xiàn)裂縫，可認(rèn)為核心筒結(jié)構(gòu)安全儲備充足。

工況1狀態(tài)下由V形支撐加固的核心筒模型最大位移及結(jié)構(gòu)承載梁單元應(yīng)力如圖8，9所示。

圖8 V形支撐模型等值線位移(單位：mm)

圖9 V形支撐模型結(jié)構(gòu)梁單元應(yīng)力(單位：MPa)

由圖8，9可知，僅極少部分結(jié)構(gòu)梁出現(xiàn)位移最大值0.22mm，其余部分影響較弱。V形支撐核心筒結(jié)構(gòu)模型中梁單元最大應(yīng)力值僅1.680MPa，C60混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為2.04MPa。因此混凝土構(gòu)件梁不會出現(xiàn)裂縫，可認(rèn)為核心筒結(jié)構(gòu)安全儲備充足。

對8種工況下核心筒最大位移及支撐結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力進(jìn)行分析統(tǒng)計，如表3所示。

表3 8種工況下核心筒位移及支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力

由表3可知，柱狀支撐最大應(yīng)力25.892MPa，V形支撐最大應(yīng)力49.775MPa，均小于規(guī)范規(guī)定的235MPa，滿足要求。在柱狀支撐和V形支撐條件下的核心筒結(jié)構(gòu)位移均在工況4達(dá)到最大值，為最不利工況。相較于柱狀支撐，V形支撐核心筒結(jié)構(gòu)在各工況下的結(jié)構(gòu)最大位移明顯較小，說明V形支撐加固效果優(yōu)于柱狀支撐。

5 結(jié)語

1)采用增設(shè)鋼支撐加固核心筒，塔式起重機(jī)荷載通過連梁及鋼管支撐傳至下層，由3層連梁共同抵抗塔式起重機(jī)荷載，可有效增強(qiáng)連梁承重性能，提高結(jié)構(gòu)安全儲備。

2)通過對塔式起重機(jī)基礎(chǔ)鋼梁進(jìn)行模擬計算，可知塔式起重機(jī)懸臂處于工況4時，核心筒結(jié)構(gòu)受影響最大。因此，施工過程中，當(dāng)塔式起重機(jī)位于該工況時，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測。

3) 數(shù)值計算結(jié)果中柱狀支撐最大應(yīng)力25.892MPa，V形支撐最大應(yīng)力49.775MPa，均小于規(guī)范規(guī)定的235MPa，滿足要求。相較于柱狀支撐，V形支撐核心筒結(jié)構(gòu)在各工況下的結(jié)構(gòu)最大位移明顯較小，說明V形支撐加固效果優(yōu)于柱狀支撐。