超高層外掛動臂塔吊剪力墻收縮附著施工技術(shù)

張相平，喬會丹，李遠(yuǎn)輝，曹江，代世杰，王云鑫

（1.中國建筑第二工程局有限公司華南分公司，廣東 深圳 518048；2.艾奕康設(shè)計與咨詢（深圳）有限公司，廣東 深圳 518052；3.深圳市創(chuàng)美景達(dá)房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，廣東 深圳 518000）

1 工程概況

星河雅寶高科創(chuàng)新園四A地塊位于深圳市龍崗區(qū)坂田街道，項目由5層地下室及4棟建筑組成，其中4-1棟為74層超高層塔樓，結(jié)構(gòu)高度為338.1 m，結(jié)構(gòu)形式為帶加強(qiáng)層的框架-核心筒結(jié)構(gòu)。其核心筒平面尺寸為26.15 m×27.4 m（外墻外側(cè)最大處）的矩形，核心筒墻體厚度隨高度的增加逐漸縮小，核心筒外墻最大厚度為1 200 mm。其核心筒南側(cè)設(shè)計為穿梭梯井道，隨著結(jié)構(gòu)升高逐漸取消墻垛，其中墻①、墻②尺寸由1 200 mm逐層遞減至800 mm，頂部標(biāo)高至49層樓面；墻③、墻④厚度不變，頂部標(biāo)高至46層樓面標(biāo)高；墻⑤、墻⑥尺寸由1 100 mm逐層遞減至400 mm，頂部標(biāo)高至73層樓面標(biāo)高，具體如圖1所示。

圖1 動臂塔吊及布料機(jī)平面布置圖

根據(jù)施工部署，結(jié)構(gòu)施工過程中，在核心筒西北角和東南角各布置1臺外掛動臂塔吊，用于材料的吊運(yùn)。動臂塔吊均從結(jié)構(gòu)底板開始安裝，由落地式轉(zhuǎn)變?yōu)橥鈷炫郎?。其中，東南角2#ZSL750動臂塔吊共計需爬升17次，每次爬升的高度為4個樓層（18 m）高度，附墻采用2套工具梁+1套周轉(zhuǎn)使用工具梁，工具梁由支撐主梁、水平斜撐桿、豎向斜撐桿、平面撐桿及安裝于混凝土剪力墻的埋件組成。因其核心筒結(jié)構(gòu)施工采用液壓爬模體系，頂平臺安裝有2臺HGY24.PT.1401B型號布料機(jī)，臂長為24 m，為避免動臂塔吊旋轉(zhuǎn)與布料機(jī)之間及2臺動臂塔吊之間的碰撞，其2#塔吊一支水平斜撐桿附墻位于墻②。

2 施工難點(diǎn)

2.1 剪力墻收縮后水平斜撐桿雙支變單支

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，其核心筒南側(cè)墻②隨著結(jié)構(gòu)升高至49層樓面后取消，導(dǎo)致其ZSL750動臂塔吊南側(cè)水平支撐斜桿無附著點(diǎn)，其塔吊在使用過程中將存在偏心受力情況。此時動臂塔吊已完成14次爬升，此時塔吊頂部標(biāo)高為338.635 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)基礎(chǔ)標(biāo)高為227.5 m，為確保結(jié)構(gòu)正常施工完成，仍需爬升3次方可進(jìn)行塔吊拆除。此時若對動臂塔吊進(jìn)行水平移動，或進(jìn)行動臂塔吊拆除后更換安裝位置及安裝其他型號的塔吊，將會對現(xiàn)場的施工進(jìn)度造成很大影響，因此，對于解決動臂塔吊工具梁水平支撐斜桿雙支變單支將是其能夠安全使用的最關(guān)鍵問題。

2.2 剪力墻收縮后埋件附著及受力限制

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，其核心筒外墻最大厚度為1 200 mm，隨著高度升高墻體按照100 mm的模數(shù)向內(nèi)收縮，結(jié)構(gòu)升至49層后其剪力墻厚度為南北向800 mm，東西向600 mm。當(dāng)剪力墻厚度大于800 mm時，其支撐主梁埋件采用30根直徑28 mm的HRB400 mm鋼筋的錨筋，埋件板為1 020 m×625 m×40 mm的Q345級鋼材，其每根錨筋端頭均雙面焊接140 mm長同型號鋼筋，增加抗拉性能，當(dāng)剪力墻厚度小于或等于800 mm時，其埋件形式采用雙夾板形式，即在剪力墻另一側(cè)設(shè)置同截面、同規(guī)格的鋼板與其錨筋進(jìn)行穿孔塞焊，錨筋型號不變。針對剪力墻垛取消后因塔吊使用過程中存在偏心受力情況，支撐主梁雙夾板形式埋件受力能否滿足受力或采取其他附著方式，以及后埋件如何設(shè)置是保證動臂塔吊安全使用的核心問題之一。

3 方案設(shè)計

3.1 水平支撐斜桿單雙支方案選擇

為解決ZSL750因剪力墻收縮導(dǎo)致水平支撐斜桿雙支變單支情況，項目團(tuán)隊提出兩種設(shè)計方案以滿足動臂塔吊的正常使用。

方案一：單支水平支撐斜桿，即保持水平支撐斜桿單支拉結(jié)工況，完成剩余3次塔吊爬升直至塔吊使用結(jié)束進(jìn)行拆除。方案二：雙支水平支撐斜桿[1]，即采取附加支撐，抵消剪力墻收縮后水平支撐斜桿無附著點(diǎn)問題，使其繼續(xù)保持兩道水平支撐斜桿拉結(jié)。

針對上述方案通過結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙對比分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)動臂塔吊爬升至第17次時，最上一道附墻位于67層，其核心筒外側(cè)剪力墻厚度為400 mm，第二道附墻位于63層，剪力墻厚度為500 mm，上下兩道附墻水平支撐斜桿均為單支，通過對塔吊吊運(yùn)狀態(tài)受力荷載復(fù)核可知，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)處理，且塔吊始終處于偏心受力狀態(tài)，對塔吊機(jī)構(gòu)本身性能狀態(tài)不利，故方案二為最優(yōu)方案。

3.2 附加支撐方案設(shè)計

綜上所述，選擇繼續(xù)使用雙支水平斜桿，確保塔吊使用狀態(tài)安全，通過在南側(cè)剪力墻增加一個“7”字形鋼牛腿彌補(bǔ)剪力墻收縮造成無附著點(diǎn)。其牛腿的設(shè)計形式為水平支撐橫梁+豎向斜撐，水平支撐橫梁和豎向支撐斜桿通過連接板進(jìn)行連接，使其形成整體。

4 單支附著方案介紹

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖及塔吊工具梁設(shè)計，通過在核心筒南側(cè)與原水平支撐斜桿同標(biāo)高位置設(shè)計水平支撐牛腿，確保原塔吊水平支撐斜桿不進(jìn)行二次加工。附加牛腿鋼材均采用Q345B級，鋼材的Z向性能滿足Z15等級，所有焊縫均為一級熔透等強(qiáng)焊接。

水平支撐橫主梁為H400 mm×500 mm×30 mm×30 mm和兩塊340 mm×30 mm鋼板焊接而成，長度均為1 610 mm，在支撐橫梁端部300 mm位置設(shè)置第一道加勁板，向內(nèi)間隔200 mm分別設(shè)置兩道加勁板，加勁板規(guī)格為205 mm×339 mm×20 mm，共計6塊。下支撐梁為H300 mm×300 mm×20 mm×20 mm，長度為1 796 mm，兩端根據(jù)斜撐角度切割為斜面，支撐主梁與豎向支撐斜桿采用720 mm×300 mm×30 mm鋼板進(jìn)行連接，水平支撐主梁與豎向支撐斜桿之間按照45°連接。

其支撐主梁和豎向斜撐端部分別設(shè)計埋件1和埋件2，在結(jié)構(gòu)施工階段即預(yù)埋至剪力墻中。因其埋件位于縱橫向剪力墻交接位置，故將其設(shè)計為錨筋形式，其中埋件1和埋件2均采用16根HRB400 mm鋼筋D28 mm錨筋形式[2]進(jìn)行固定，錨筋長度650 mm，在每根錨筋端部雙面焊接140 mm長同規(guī)格鋼筋以增加其抗拉強(qiáng)度，錨板為700 mm×500 mm×40 mm矩形鋼板，錨筋與錨板連接采用穿孔塞焊。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，水平支撐主梁第15道位于第二個加強(qiáng)層范圍內(nèi)，其剪力墻內(nèi)鋼筋較密，故將第15道水平支撐主梁埋件1錨筋修改為用鋼板代替，即采用6個長620 mm、寬100 mm和厚度30 mm的鋼板加每根前端焊接160 mm×90 mm×30 mm的端頭板進(jìn)行錨拉。

5 單支附著塔吊穩(wěn)定性分析

由于支座反力的分配與塔吊動臂轉(zhuǎn)動的角度有關(guān)，因此，根據(jù)塔吊定位平面圖，選取8種工況計算塔吊支架的反力。

針對ZSL750塔吊爬升支架計算，選用全塔吊與爬升支架一體建模的方式，可以更加合理地體現(xiàn)出爬升支架在塔吊作用下內(nèi)力與位移的情況。X向為平行于剪力墻方向，Y向為豎直方向，Z向為垂直于剪力墻方向。計算中，上部爬升支架的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。下部支架及支座傳遞承受塔身自重、吊重及底部支架自重。通過計算分析得知，其單支水平桿受拉及受壓最大值為-263 kN。對其單支鋼牛腿計算分析，最大應(yīng)力為95 MPa，最大變形為1 mm，滿足要求。

6 剪力墻穩(wěn)定性驗算

動臂塔吊附墻安裝時，附著點(diǎn)對應(yīng)位置樓層的核心筒內(nèi)水平構(gòu)件已經(jīng)完成施工。在施工期間，核心筒外墻主要承受動臂塔吊傳遞的剪力墻面外彎矩、上部墻體的自重、本層水平構(gòu)件的自重以及考慮10 a一遇的風(fēng)荷載。根據(jù)動臂塔吊的8種不同作業(yè)工況下的懸臂支架附墻點(diǎn)的受力情況，選取最薄的厚度為400 mm的墻體進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性復(fù)核。本次分析采用Midas/Gen分析程序進(jìn)行有限元分析，所有構(gòu)件均采用殼單元，單元網(wǎng)格按1 000 mm×1 000 mm劃分，采用彈性屈服分析方法，屈曲分析時結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重視為不變荷載，將動臂塔吊附墻的節(jié)點(diǎn)荷載視為可變荷載，獲得的一階屈曲因子即為墻肢的穩(wěn)定系數(shù)。通常，根據(jù)規(guī)范性建議，彈性穩(wěn)定系數(shù)不小于10時，即可認(rèn)為穩(wěn)定因素對構(gòu)件的承載能力降低不超過10%。

通過有限元分析，可以了解剪力墻在面外受荷且上部壓力較小情況下的局部穩(wěn)定性，根據(jù)彈性屈服分析結(jié)果，對剪力墻的穩(wěn)定性進(jìn)行評價。其工況7下其屈服因子最小，彈性屈曲分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 工況7分析模型

通過對8種不同作業(yè)工況下動臂塔吊附著的墻肢彈性屈服分析結(jié)果可知，最小的屈服因子為1 598，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于建議值10。分析結(jié)果表明，動臂塔吊附著墻肢的彈性穩(wěn)定性良好，因動臂塔吊附著力對墻肢的承載能力降低的因素基本可以忽略，通過正常的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計，可確保相應(yīng)墻肢在考慮穩(wěn)定因素下仍具有滿足施工階段受荷需求的承載能力。

7 結(jié)語

在超高層的建設(shè)過程中，因其鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件或機(jī)電等大型設(shè)備的吊運(yùn)需求，以及受平臂塔吊附墻高度、拆除等因素影響，通常在起重設(shè)備選擇上采用大型動臂塔吊。本文基于星河雅寶四A地塊項目4-1棟塔樓，闡述了其2#ZSL750外掛動臂塔吊因其結(jié)構(gòu)剪力墻變化導(dǎo)致附墻困難，通過設(shè)置附加牛腿，解決了塔吊水平支撐斜桿在剪力墻收縮后的附著，很好地解決了其雙支變單支后塔吊使用過程中的偏心受力，確保了塔吊使用的安全，并針對剪力墻不同的特點(diǎn)設(shè)計了埋件形式。經(jīng)實踐應(yīng)用情況良好，可為類似項目施工提供借鑒。