摘要：塔机爬升是一种先进的施工技术，常用语超高层建筑工程中，该技术具有较好的经济性和较高安全性。该技术的技术特点是：塔吊的自身高度不变，并可以爬升至建筑顶部。爬升功能是通过内爬支撑架和液压顶升系统配合完成的，特别是内爬支撑架的附着位置和附着形式。本文介绍了深圳市某超高层建筑工程中塔吊的内爬技术，为其他工程提供工程借鉴。
关键词：塔吊；爬升；超高层建筑
Key Technology of Tower Crane Climbing in a Super High-rise Building Construction Project in Shenzhen
Ma Tianyu1
1.Shanghai Construction No. 4（Group）Co. LTD，201103，China）
Abstract：Tower crane climbing is an advanced technology frequently used in super high-rise building construction projects，and it has considerable advantages in economy and safety. In this technology，the tower crane has fixed height and can continuously climb to the building’s top. This function is realized by using a supporting system and a hydraulic jacking system. The supporting system is anchored on the building so that it needs to be devised based on the specific building structure and construction process，especially the type and location of the attachment devices. This paper introduces the tower crane climbing technology used in a super high-rise building construction project in Shenzhen and aims to provide case reference for other projects.
Key words：Tower crane；climbing；super high-rise building construction
引言
在超高层建筑项目中，塔吊爬升是一种先进的施工技术，可以在不增加塔身标准节的情况下，满足主体结构的垂直运输的要求。相比于附着式塔吊，爬升式塔吊有以下优点：（1）租赁费用低，不需随建筑物的升高而增加塔吊标准节，爬升支撑架可以循环使用，建筑物高度越高，经济优势越明显；（2）安全性好，塔身迎风面积小，抗风能力强[1]。同时，爬升式塔吊有以下缺点：（1）建筑结构需做局部加强，与设计单位联系比较密切；（2）施工完毕，需在建筑物顶部拆解成零部件，再运往地面；（3）占用建筑内部空间，使得塔吊区域的水平结构和机电安装施工进度滞后[2]。
制定塔吊爬升计划时，需结合建筑的结构形式和施工工艺，确定爬升高度和爬升次数。选择塔吊内爬支撑架的附着位置和附着形式时，需针对各层建筑功能分区和墙体开洞情况，选择结构受力较为合理、对工期影响较低的方案。本文以深圳某超高层建筑工程为背景，介绍两台动臂式塔吊的爬升流程和爬升支撑架的设计方案，为其他工程提供借鉴。
1.工程概况
本超高层建筑的结构形式为框架-核心筒结构，建筑高度356m，基础结构形式为筏板基础和桩基础，筏板厚3.8m。建筑地上74层，地下5层，其中设有7个加强层，加强层层高5.1m，首层层高7m，其余为标准层，层高4.5m。在第42层和第53层设有伸臂桁架。核心筒为钢筋混凝土结构，66层及以下楼层墙体的混凝土强度等级为C60，66层以上为C50，底部墙体内有型钢暗柱，墙体内无剪力钢板。外框柱为钢骨混凝土柱，外框梁板体系为钢梁和钢筋桁架楼板。
图1 某超高层建筑结构形式
2.塔吊布置
深圳市每年的台风期长达5个月[3]，将塔吊布置在核心筒内部，可以有效减小塔吊的迎风面积，降低塔吊的风荷载；另一方面，塔吊的每层爬升支撑架具有4个附着点，进一步提高了爬升支撑架的安全冗余度。考虑到建筑内部消防电梯和机电设备的布置情况，以及整体提升模架钢平台的操作空间需求，将2台动臂式塔吊布置于核心筒的对角位置，依次编号为2#和3#，如下图。
3.塔吊爬升计划
以建筑的底板作为塔吊基础，底板浇筑完成后，安装塔吊，此时塔吊的工作模式为独立支腿式，用于地下室结构的施工。当结构施工至地上2层时，塔吊塔身与底板基础脱开，并随结构施工高度爬升，共计爬升18次，除最初的2次爬升外，每次爬升高度均为4个楼层层高，当4个楼层均为标准层时，爬升高度18.0m，当遇到加强层时，爬升高度18.6m。由于核心筒的竖向结构施工采用了整体提升模架钢平台体系，塔吊的塔身高度除满足两次爬升所需的高度外，还必须满足钢平台的安装高度，因此，塔身高度在原标准高度的基础上，增加1个标准节的高度，即62.7m。
塔吊的爬升穿插于核心筒竖向结构的施工过程中，其流程为：核心筒竖向结构每施工1层，钢平台向上爬升1次，当钢平台爬升4层后，钢平台下方已经具备塔吊爬升1次的爬升高度及倒运承重梁的操作空间，此时塔吊向上爬升1次，钢平台继续用于核心筒竖向结构下一楼层的施工，以此方式，塔吊和钢平台交替爬升，直至完成核心筒的所有竖向结构。
图3 塔吊与钢平台爬升流程
4.爬升支撑架的设计
塔吊爬升和正常工作时，通过内爬支撑架将塔吊荷载传递给主体结构。爬升支撑架由内爬半框（也称“C形框”）和承重梁组成，承重梁附着在核心筒的墙体或连梁上，如下图。塔吊爬升时，需安装上、中、下三层内爬支撑架，塔吊利用安装在内爬基节上的一套液压顶升系统进行爬升。塔吊爬升后，原本由中、下层内爬支撑架承受的荷载转移至上、中层内爬支撑架，下层内爬支撑架被倒运至原上层内爬支撑架上方，成为下一次爬升的上层内爬支撑架。塔吊工作时，只需安装两层内爬支撑架，上层内爬支撑架只受水平力（Ho），下层内爬支撑架不仅受水平力（Hv）还受垂直力（V），如下图所示。
图4 塔机工作时内爬框架受力示意图
表2 塔吊荷载设计值
4.1 承重梁设计
塔吊承重梁的布置，需要考虑结构墙体之间的距离以及墙体厚度的变化情况。对于2#塔吊，所在筒体的南北方向净空小于东西方向净空，因此，承重梁沿南北方向布置跨度较小，可以使截面尺寸比较小。另一方面，随着楼层的增加，承重梁附着的墙体逐渐变薄，但是这两面墙体的靠近塔吊的一侧位置不变，这可以使每个楼层承重梁的各附着装置规格统一，同时承重梁的长度也无需调整。综合这两方面的原因，将2#塔吊的承重梁沿南北方向布置。类似地，将3#塔吊的承重梁沿东西方向布置。
承重梁选用等截面箱型钢梁，箱型梁具有较强的抗扭转能力，梁截面尺寸见表3，钢材强度等级为Q345B。
表3 塔吊承重梁截面尺寸
图5 承重梁的附着位置及附着装置
对于2#塔吊，由于塔吊所在筒体空间较小，并且钢平台模架需要占据墙体附近的空间，塔吊不能过于靠近墙体，所以只能将2#塔吊布置于所在筒体的中心，并且采用标准尺寸的C形框。2#塔吊左侧承重梁一端附着在连梁上，一端附着在墙体上，右侧承重梁两端均附着在墙体上。
对于3#塔吊，塔吊所在筒体空间较大，可以较为灵活地布置附着点。若将承重梁的附着点布置于连梁上，承重梁的水平力将在连梁内产生绕弱轴的弯矩，外墙连梁宽度最小为400mm，内墙连梁宽度最小为250mm，此时连梁绕弱轴抗弯承载力较小，加固性价比较低。所以将3#塔吊的承重梁附着在墙体上，此时C形框需特别定制。
4.3 附着装置的设计
附着装置的设计和附着点的选择是相互关联的，通常高层建筑的剪力墙主要用来承受面内荷载，而而塔吊附着产生的荷载包含面外荷载，所以当上部墙体较薄时，需要局部加固。对于薄弱墙体，通常选择产生面外弯矩小的附着装置。本工程共采用了3种附着装置：连梁搭接、销轴连接和牛腿连接，见图6。由于销轴连接对墙体施工尺寸精度要求较高，因而，承重梁两端不宜同时采用销轴连接。
（1）连梁搭接
这种连接形式用于2#塔吊左侧承重梁与连梁的附着。附着装置由预埋板、肋板和盖板组成。安装顺序为：先在连梁顶部预埋板，板面向上，待连梁施工完成后，将承重梁的一端搭接在预埋板上，不与预埋板焊接，承重梁的上部和左右两侧用搭接固定件夹紧。这种连接方式没有对承重梁的端部形成转动约束和轴向平动约束，是一种单向滑动支座，可以将塔吊荷载的竖向力和与连梁平行的水平力传递至连梁，在连梁中形成沿弱轴剪力、绕强轴弯矩和轴力，使得连梁加固效率较高。
（2）销轴连接
这种连接形式用于2#塔吊承重梁的内墙附着和3#塔吊承重梁的外墙附着。附着装置由预埋板、耳板和销轴组成。安装顺序为：先在墙体安装预埋板，待墙体施工完成后，在预埋板上焊接耳板，预埋板的耳板和承重梁的耳板通过销轴连接。这种连接方式为铰接，可以将承重梁的竖向力、任意方向水平力和绕弱轴的弯矩传递至墙体。对墙体造成面外弯矩的荷载当中，塔吊的竖向力和垂直墙面的水平力是最主要因素，这种连接可以有效减小竖向力与墙体之间的距离。由于2#塔吊左侧承重梁一端搭接在连梁上，因此塔吊与墙面垂直的水平力只能由内墙承担。由于上部楼层的内墙较为薄弱，选用销轴连接造成的面外弯矩较小，因此选用销轴连接。对于3#塔吊，内墙较为薄弱且有较大墙洞，加固效率较低，通过有限元分析得知，附着装置选用牛腿连接比销轴连接所形成的的面外弯矩小，因此内墙选择牛腿连接，而外墙选择销轴连接。
（3）牛腿连接
这种连接形式用于3#塔吊的内墙附着和2#塔吊的外墙附着。附着装置由预埋板、肋板和盖板组成。安装流程为：先在墙体内预埋板，当墙体厚度大于400mm时，采用单面锚板，小于等于400mm时，采用双面锚板。待墙体施工完成后，在预埋板上焊接牛腿，将承重梁搭在牛腿上，不焊接，承重梁的上部和左右两侧用搭接固定件夹紧。这种连接方式没有对承重梁的端部形成转动约束和轴向平动约束，也是一种单向滑动支座，可以将塔吊荷载的竖向力和与墙体平行的水平力传递至墙体。
3#塔吊承重梁的内墙附着选择牛腿的原因不在赘述。2#塔吊承重梁的外墙附着时，由于不需要传递垂直墙面的水平力，因而采用牛腿连接。
结构受力分析及加固
通过有限元计算分析，得到塔吊荷载产生的墙体荷载和连梁荷载。对墙体进行加固时，增大墙体水平筋和纵筋的钢筋规格，减小钢筋间距，加固范围是承重梁所在楼层的上下各一层墙肢，并使墙体抗弯承载力满足荷载要求，裂缝宽度小于等于0.2mm，挠度小于等于1/1000。加固后的墙体配筋见表4。对连梁进行加固时，增大纵筋直径和钢筋数量，使得连梁抗弯和抗剪承载力满足何在要求，裂缝宽度小于等于0.2mm，挠度小于等于1/800。经过计算发现，当连梁宽度大于等于900mm时，原配筋已经可以满足，无需额外加固。另外，增大纵筋可能会造成连梁“强弯弱剪”，不符合抗震性能的要求，因此，增大纵筋的连梁同时增大了纵筋配筋率。加固后的连梁配筋见表5。
表4加固后墙体配筋表
除增加配筋外，采用了一系列构造措施，进一步提高结构的安全储备。当连梁宽度小于等于400mm时，梁下设置钢格构柱，使得上下两层连梁共同承担塔吊荷载。当内墙厚度小于等于400mm时，预埋板采用双面锚板，墙体背面锚板上焊接32#工字钢，拉结在附近墙体上。
结语
1）深圳市某超高层建筑工程中，根据施工负载要求和对施工进度的影响程度，选择将2台LH630-50动臂塔吊的安装于核心筒中；
2）通过增加1节标准节，使得塔吊可以和钢平台轮流提升，满足核心筒竖向结构的施工进度要求；
3）结合本工程的结构形式，设计了爬升支撑架的承重梁和附着装置，使得塔吊荷载可以较为合理地传递至结构，提高加固效益。
4）通过梁下设置格构柱和墙背面设置工字钢拉结，进一步提高了结构的安全储备。
参考文献：
[1]胡建锋，“国内内爬塔式起重机的开发与发展，” 建筑机械化，Vol. 11，pp. 31–35，2005.
[2]张松，吴欣之，崔晓强，and 石端学，“广州珠江城ZSL1000塔式起重机关键技术，” 建筑施工，Vol. 33，No. 10，pp. 891–893，2011.
[3]深圳市住房和建设局，SJG55-2019 建筑起重机械防台风安全技术规程. .
论文作者:马天雨
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第26期
论文发表时间:2019/7/20
标签：塔吊论文; 墙体论文; 支撑架论文; 荷载论文; 结构论文; 弯矩论文; 内墙论文; 《建筑细部》2018年第26期论文;