免結構加固的大型爬升塔吊外掛支承裝置*

賈寶榮 吳欣之 陳曉明 俞嬡妍

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

0 引言

在現今的超高層建筑施工中，由于建筑物實際尺寸或實際施工條件的限制，塔吊往往只能外掛于建筑物外部，利用自身爬升裝置沿所依附的建筑物完成垂直爬升作業。為了外掛固定及塔吊爬升，需要在已建成的建筑物核心筒墻體上設置外掛支承結構，從而將外掛塔吊的荷載安全可靠地傳遞至建筑物核心筒結構。但是目前的塔吊外掛支承結構體系對所依附的主體結構要求較高，往往需要對主體結構強度不足的局部區域進行加固處理，此外塔吊外掛支承結構本身也存在較大的優化空間，因此亟待改進現有爬升塔吊的外掛支承結構，以解決上述問題。

本文從上海中心大廈鋼結構工程的實際需求出發，以4臺大型塔吊作為研究對象，結合主體結構體系，創新研發了一種免結構加固的大型爬升塔吊的外掛支承裝置。

1 大型塔吊選型及布置

對上海中心大廈鋼結構工程的平面布局、結構特征、場地環境、機械性能和數量需求進行綜合分析，同時結合“對稱分區、性能覆蓋、高效有序”的布置原則，最終選擇了4臺大型動臂式塔吊作為主樓鋼結構吊裝的起重設備。4臺塔吊由3臺M1280D塔吊和1臺ZSL2700組成，起重力矩分別為24 500 kN·m和27 000 kN·m，塔身懸臂高度達到40 m，最大起重質量達到100 t。4臺塔吊呈十字對稱布置，外掛于核心筒墻體外側，如圖1所示，不僅最大限度地避免了群塔施工的相互干涉，而且增加了吊裝半徑，提高了吊裝效率[1,2]。

2 塔吊外掛支承裝置的改進與創新

2.1 傳統外掛支承裝置

圖1 4臺大型動臂式塔吊平面布置

傳統的爬升塔吊外掛支承裝置由爬升梁、水平支撐、斜向支撐等部分組成，如圖2、圖3所示，其中水平支撐和爬升梁處于同一平面，爬升梁與斜向支撐處于同一立面。和爬升梁處于同一平面，爬升梁與斜向支撐處于同一立面。塔吊荷載傳力路徑如下：塔吊工作時和非工作時的荷載通過C形框將荷載傳遞至爬升梁上，其中水平荷載由爬升梁和水平支撐傳遞至核心筒結構，垂直荷載由爬升梁和斜向支撐傳遞至核心筒結構。

傳統塔吊爬升支承裝置的傳力存在如下缺點：

1）爬升梁和水平支撐會向核芯筒翼墻傳遞較大的水平拉壓力，翼墻的強度往往無法滿足要求，需要進行墻體加固；

2）斜向支撐會向核芯筒翼墻傳遞較大的水平壓力，翼墻的強度往往無法滿足要求，需要進行墻體加固；

3）斜向支撐與爬升梁的連接位置選擇不合理，造成爬升梁受力較為復雜，往往使得爬升梁設計不夠經濟，同時帶來爬升梁且與核心筒連接節點設計難度的增加；

4）隨著爬升支承裝置所依附的核心筒翼墻厚度的減小，外掛塔吊的中心與核心筒外墻壁的距離將增大，傳統的塔吊外掛爬升支承結構在具體實施時均需要對爬升支承結構進行改造，保持塔吊重心不變，以滿足外掛塔吊的爬升和平移工藝要求[3,4]。

圖2 傳統的外掛支承裝置立面示意

圖3 傳統的外掛支承裝置 平面示意

2.2 外掛支承裝置的改進研究

對傳統爬升塔吊外掛支承裝置缺點進行針對性的研究，研究思路如下：對爬升梁與水平支撐組成的平面支架系統進行改進，將塔吊的水平荷載通過改進的平面支架直接傳遞至核心筒翼墻與腹墻連接區域，核心筒翼墻將不產生附加彎矩，以免因抗彎剛度不足所產生的墻體加固；對斜向支撐與爬升梁連接點位置進行優化，使得爬升梁的彎矩分布更為合理。主要的改進創新如下：

1）外掛支承裝置的水平傳力系統（爬升梁和水平支撐）演變為平面支架系統（水平桁架），抗彎和抗扭剛度得到加強可以有效地承受塔吊產生的水平荷載，并將荷載直接傳遞至核心筒翼墻和腹墻節點區域，且平面支架系統與核心筒的連接節點由原先的4個演變為2個，受力更為直接和可靠；

2）外掛支承裝置的斜向支撐與核心筒連接節點也由原先的翼墻位置移至翼墻和腹墻節點區域，受力更為直接和可靠；

3）將斜向支撐與爬升梁連接位置由最外側移至塔身中心位置，爬升梁彎矩更趨平衡，塔吊的垂直荷載全部由斜向支撐承擔，受力更為直接；

4）增加斜向拉桿，并采用后張拉預應力的方式減小斜向支撐的軸壓力，提高整體的安全冗余度；

5）在原先外掛支承裝置的基礎上增加了塔吊高空平移功能，以適應核心筒翼墻厚度減小，避免了施工作業過程中對爬升支承裝置的平面支架系統的改造。

改進后的外掛支承裝置如圖4、圖5所示。

圖4 改進后的外掛支承裝置立面示意

圖5 改進后的外掛支承裝置 平面示意

2.3 新型外掛支承裝置

通過對傳統的外掛支承裝置進行針對性改進后，研發出一種新型的爬升塔吊外掛支承裝置。采用“下撐上拉式”的結構體系，由平面支架、斜向支撐、斜向拉桿三部分組成，其中平面支架承受塔吊傳遞的水平力和扭矩，斜向支撐桿承受塔吊傳遞的垂直力，斜拉桿待塔吊爬升完成之后通過后張預應力的方式減小支撐桿件的受力，增加安全冗余度。平面支架采用桁架形式，一端通過牛腿連接在核心筒翼墻與腹墻節點區域上，另一端由斜向撐桿和斜向拉桿共同支承。斜向撐桿和斜向拉桿兩端均采用銷軸連接形式。斜向拉桿與斜向支撐與核心筒翼墻連接節點采用同一節點，可以最大限度地平衡節點受力。平面支架與核心筒翼墻的連接節點如圖6（a）所示，斜向支撐與斜向拉桿與核心筒連接節點如圖6（b）所示。

圖6 新型外掛支承裝置與主體結構連接節點

另外，隨著爬升支承結構所依附的核心筒翼墻厚度的減小，外掛塔吊的中心與核心筒外墻壁的距離將增大，本文立足于不對支承裝置進行改造的原則進行創新研究，研發出一種在支承裝置的平面支架上使用千斤頂同步頂推實現塔吊高空平移的施工方法及配套裝置，從而實現了塔吊中心與核心筒翼墻距離保持不變的目的。具體操作方法如下：塔吊高空平移時打開C形框與平面支架連接螺栓，使用千斤頂對2道C形框（C形框與平面支架之間設置四氟板以減小摩擦阻力）進行同步頂升滑動，滑動距離與核心筒翼墻厚度的減小相等，平移到位后再將C形框與平面支架連接螺栓進行固定[5]。

3 塔吊外掛支承裝置設計計算

3.1 結構體系設計計算

從結構安全冗余度考慮，爬升支承裝置的設計校核時僅考慮斜向支撐單獨支承爬升框架工況，斜拉桿后施加的400 kN預應力僅起增加安全儲備的作用，不參與整體結構計算，圖7為計算簡圖。

圖7 爬升支承裝置計算簡圖

在承載能力計算荷載組合作用下，構件的應力如圖8（a）所示，最大應力為200 MPa，位于梁4和梁1的節點區域；構件的應力比如圖8（b）所示，最大應力比為0.70，位于下道爬升支承裝置的斜向支撐與平面支架的連接節點區域，具有足夠的安全儲備。

圖8 爬升支承裝置強度計算結果

3.2 主要連接節點設計計算

對爬升支承裝置的平面支架與核心筒的連接節點和斜向支撐與核心筒的連接節點分別進行了精細有限元分析，計算結果如圖9、圖10所示，最大應力均控制在240 MPa以下，具有足夠的安全儲備。

圖9 連接節點1應力云圖

圖10 連接節點2應力云圖

4 塔吊外掛支承裝置對主體結構的影響分析

4.1 不利工況分析

當塔吊爬升至核心筒結構最高處時，上道外掛支承裝置的平面支架位于578.45 m，下道支架位于556.85 m，此時核心筒施工至125F，外圍施工至約101F，核心筒領先外圍混凝土樓板20F左右。此時外掛支承結構對主體結構影響最為不利，對此工況下的主體結構進行安全性校核。綜合考慮了核心筒整體爬升模架荷載、10年一遇風荷載（基本風壓0.40 kN/m2）、大型動臂塔吊荷載等主要荷載。在工作狀態下，塔吊荷載考慮3種最不利工況，如圖11所示；在非工作狀態下，塔吊荷載考慮2種最不利工況。限于篇幅，本文僅給出工作狀態下主體結構的安全性分析結果。

圖11 分析工況（塔吊工作狀態）

4.2 計算結果

4.2.1 應力計算結果

在承載力驗算荷載組合作用下，塔吊工況1組合作用下核心筒最大應力為7.70 MPa，塔吊工況2組合作用下核心筒最大應力為7.10 MPa，塔吊工況3組合作用下核心筒最大應力為5.30 MPa，且最大應力均處于受壓狀態，滿足規范要求。

4.2.2 變形計算結果

塔吊工況1組合作用下核心筒最大變形為73 mm，塔吊工況2組合作用下核心筒最大變形為35 mm，塔吊工況3組合作用下核心筒最大變形為13 mm。整體頂部最大變形Δ=73 mm＜[H/1000]=110 mm，滿足規范要求[6]。

5 施工監測分析

為了驗證設計計算結果，對外掛爬升支承裝置的首次安裝及開始工作全過程進行了實時應力監測，并把實測數據與理論計算值進行了對比分析。實施過程中，把塔吊爬升支架系統應力監測分為3個階段：第1階段為塔吊爬升階段，第2階段為塔吊爬升到位階段，第3階段為斜拉桿張拉階段（預拉力400 kN）。

監測數據與理論計算結果較為吻合，監測結果較為理想，通過應力監測方法同步驗證了爬升支承裝置設計的安全性和可靠性[7]。

6 結語

本文從上海中心大廈鋼結構工程的實際需求出發，以4臺大型塔吊作為研究對象，結合主體結構體系，首次創新研發了一種免結構加固和可實現塔吊高空平移的大型爬升塔吊外掛支承裝置。通過對爬升支承裝置、連接節點以及依附的主體結構安全性等進行計算分析，并輔以施工監測等技術手段，確保了支承裝置在施工過程中的安全性和可靠性。該大型塔吊外掛內爬支承裝置極大地提高了塔吊的施工效率，節約了施工成本，具有極大的市場推廣前景。