超高層內(nèi)爬式動(dòng)臂塔式起重機(jī)支撐體系力學(xué)模型與加固驗(yàn)算

岑萬雄，湯亮，白玉晶，王睿，王希來

（中國建筑第二工程局有限公司華南分公司，廣東深圳 518048）

1 工程概況

珠澳灣世紀(jì)中心項(xiàng)目施工總承包工程位于香洲城區(qū)拱北夏灣片區(qū)前河?xùn)|路與僑光路交叉口，由5 棟超高層辦公建筑、一棟高層辦公建筑、裙房商業(yè)及幼兒園組成的城市綜合體，占地面積約35 356.15 m2，建筑面積約326 107.66 m2。

項(xiàng)目最高建筑A 棟高度達(dá)260 m， 為63 層超高層建筑。為滿足A 棟施工范圍廣、吊重大的特點(diǎn)，在A 棟4 軸～5 軸交B 軸～C 軸位置安裝1 臺(tái)QTZ500 內(nèi)爬式動(dòng)臂塔式起重機(jī)（以下簡稱“內(nèi)爬式塔吊”或“塔吊”）作為垂直運(yùn)輸?shù)氖┕C(jī)械，其塔身固定在支撐鋼框梁上， 支撐鋼框梁通過鋼板預(yù)埋件與主體結(jié)構(gòu)連接固定[1]。

2 驗(yàn)算要點(diǎn)

塔吊支撐于鋼結(jié)構(gòu)梁上， 支撐梁擱置于兩側(cè)混凝土結(jié)構(gòu)梁上， 塔吊的中心分別位于4 軸偏東2 576 mm 和B 軸偏北2 770 mm。根據(jù)荷載的傳遞途徑，依次計(jì)算塔吊4 條支腿作用在鋼框梁上的荷載、鋼框梁兩端作用在主體結(jié)構(gòu)上的荷載、主體結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算以及增加加固措施的驗(yàn)算。 荷載取值及傳遞計(jì)算時(shí)需要確保數(shù)值準(zhǔn)確，考慮安全系數(shù)，傳遞方式力求與實(shí)際一致。

3 塔吊荷載取值

根據(jù)GB 50068—2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，塔機(jī)動(dòng)荷載取安全系數(shù)1.5，塔機(jī)靜荷載取安全系數(shù)1.3。 塔機(jī)荷載由設(shè)備提供方確認(rèn)，荷載示意圖及數(shù)值見表1。

表1 QTZ500 內(nèi)爬式塔吊荷載取值表

計(jì)算中，上部爬升支架和支座只承受支架的自重和水平反力，不傳遞塔身自重和吊重。 下部支架和支座傳遞承受塔身自重、吊重及底部支架自重[2]。

4 荷載傳遞計(jì)算

內(nèi)爬式塔吊4 個(gè)支腿支承在兩根支撐鋼梁上， 兩根鋼梁為650 mm×400 mm×30 mm×30 mm 尺寸的箱型鋼梁，鋼梁東西向水平放置，鋼梁中心線距梁邊分別373 mm、4 083 mm。

由于塔機(jī)可以360°旋轉(zhuǎn)作業(yè)，在不同角度作業(yè)時(shí)，豎向荷載與繞豎向彎矩作用效果不變， 水平力及繞水平方向彎矩方向隨角度發(fā)生變化，即塔吊支腿處荷載值隨角度變化。 考慮到兩根支撐鋼梁規(guī)格相同， 支承結(jié)構(gòu)關(guān)于塔吊中心點(diǎn)上下對(duì)稱，故可以僅取其中5 種角度和順時(shí)針、逆時(shí)針扭矩搭配共10種工況核算塔吊支座反力，選取角度如圖1 所示。

圖1 塔機(jī)計(jì)算工況示意圖

塔吊與支撐梁連接處采用螺栓連接， 螺栓連接可限制兩構(gòu)件發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，無法限制發(fā)生一定角度的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)算時(shí)視為鉸接節(jié)點(diǎn)，因此，荷載僅有Fx、Fy、Fz三向軸力。

支撐鋼梁水平擱置在塔吊洞口兩側(cè)的混凝土承重梁上，通過混凝土承重梁內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)埋件將上方荷載傳遞到主體結(jié)構(gòu)上。塔吊支撐梁與混凝土承重梁連接處采用埋件預(yù)埋、支撐梁與埋件螺栓連接的形式，螺栓連接可限制兩構(gòu)件發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，無法限制發(fā)生一定角度的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)算時(shí)視為鉸接節(jié)點(diǎn)，計(jì)算時(shí)節(jié)點(diǎn)視為鉸接節(jié)點(diǎn)，因此，支座反力僅有Fx、Fy、Fz三向軸力。 采用有限元分析軟件Midas Civil 進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)支撐梁及結(jié)構(gòu)混凝土梁建模，將10 種工況下塔吊荷載值依次輸入模型中，求得節(jié)點(diǎn)處10 項(xiàng)支座反力值，取其最大值組成結(jié)構(gòu)支座反力包絡(luò)值，數(shù)值見表2。

表2 各工況結(jié)構(gòu)支座反力包絡(luò)值kN

5 主體混凝土承重梁驗(yàn)算及加固設(shè)計(jì)

5.1 混凝土承重梁承載力驗(yàn)算

單獨(dú)對(duì)混凝土承重梁進(jìn)行建模， 混凝土承重梁兩端鋼筋錨入其他主體結(jié)構(gòu)內(nèi)，混凝土一次澆筑成型，形成的框架結(jié)構(gòu)可承受軸力、剪力及彎矩，計(jì)算時(shí)兩端視為剛接節(jié)點(diǎn)。 將4 個(gè)節(jié)點(diǎn)支座反力包絡(luò)值加載到模型上， 可得到混凝土承重梁的受力分布， 將混凝土承重梁承受的最大彎矩與梁極限彎矩進(jìn)行對(duì)比分析（見表3），混凝土承重梁承受的最大彎矩遠(yuǎn)大于極限彎矩，無法滿足塔吊施工要求，因此，需在梁底設(shè)置加固措施。

表3 最大彎矩與極限彎矩對(duì)比分析

5.2 結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)及驗(yàn)算

經(jīng)過多種加固方案比選與計(jì)算分析，最終確認(rèn)采用在混凝土梁下方增加鋼結(jié)構(gòu)斜撐形式加固（見圖2），將混凝土承重梁的荷載通過斜撐傳遞到結(jié)構(gòu)柱上， 減小混凝土承重梁的受力。斜撐選用箱型截面鋼梁，規(guī)格為400 mm×400 mm×30 mm，鋼梁鋼材選用Q345B 低合金高強(qiáng)度鋼，容許壓力[σ]=345 N/mm2；鋼梁兩端及混凝土預(yù)埋件上焊接耳板， 耳板內(nèi)開設(shè)φ72 mm 銷軸孔，采用M70 銷軸連接鋼梁與預(yù)埋件。 銷軸連接為鉸接結(jié)構(gòu)，無法限制構(gòu)件繞銷軸方向發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，即繞銷軸方向彎矩?zé)o法通過斜撐鋼梁進(jìn)行傳遞； 可限制構(gòu)件發(fā)生其他方向的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)及相對(duì)移動(dòng)，即其他方向的彎矩、軸力、剪力可通過銷軸從結(jié)構(gòu)梁傳遞到斜撐鋼梁上， 再通過另一端的銷軸傳遞到結(jié)構(gòu)柱上，沿結(jié)構(gòu)框架傳遞至結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底部。 因此，此銷軸連接節(jié)點(diǎn)在軟件建模中應(yīng)設(shè)置為僅可繞銷軸方向（Y 方向）轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸接節(jié)點(diǎn)。

圖2 加固斜撐鋼梁剖面圖

5.2.1 增加斜撐鋼梁后混凝土承重梁的驗(yàn)算

采用Midas Civil 進(jìn)行建模， 在混凝土承重梁的基礎(chǔ)上增加斜撐鋼梁模型， 斜撐鋼梁兩端與主體結(jié)構(gòu)連接處設(shè)置為僅可以繞Y 旋轉(zhuǎn)的鉸接節(jié)點(diǎn)，荷載不變，最終建模如圖3 所示。在此模型上重新分析得到混凝土承重梁新的受力分布圖。

圖3 增加加固斜撐后的Midas 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算模型

增加斜撐鋼梁后的混凝土承重梁承受最大彎矩， 與梁極限彎矩進(jìn)行分析（見表3），彎矩小于極限彎矩值，此時(shí)混凝土承重梁滿足承載力要求。

通過模型分析增加斜撐鋼梁后混凝土承重梁在塔吊荷載作用下的最大撓度為13 mm，小于GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（2015 年版）3.4.3 中受彎構(gòu)件撓度限制l/250=7000/250=28mm（l 為構(gòu)件計(jì)算跨度），故混凝土承重梁滿足構(gòu)件撓度要求。

因此， 增加斜撐鋼梁后主體混凝土承重梁可滿足塔吊在各工況下使用要求。

5.2.2 斜撐鋼梁驗(yàn)算

單獨(dú)分析斜撐鋼梁模型， 最大應(yīng)力值σ=62 N/mm2< 容許應(yīng)力值[σ]=345 N/mm2，滿足Q345B 鋼材承載力要求。

6 結(jié)語

內(nèi)爬式塔吊支撐構(gòu)件及承力主體結(jié)構(gòu)驗(yàn)算是其重點(diǎn)。 本工程施工前， 充分考慮塔吊在360°旋轉(zhuǎn)施工工況下自重荷載、吊重荷載、風(fēng)荷載和轉(zhuǎn)向扭矩的荷載組合，通過有限元分析軟件Midas Civil 進(jìn)行建模，依據(jù)荷載傳遞路徑，依次對(duì)塔吊支撐梁荷載傳遞、混凝土承重梁單獨(dú)受力情況、增加斜撐鋼梁后混凝土承重梁受力情況進(jìn)行分析， 驗(yàn)算出是否需要增加斜撐加固， 增加斜撐加固措施后混凝土承重梁能否滿足承載力要求。 充分驗(yàn)算內(nèi)爬式塔吊的支撐系統(tǒng)， 確保足夠的加固措施，為方案及施工提供保證。