超高层建筑结构施工中, 外挂式动臂塔式起重机作为施工材料吊装的主要机械设备, 近几年得以广泛应用^[1]。考虑高层建筑功能要求, 很多建筑的核心筒平面尺寸较小或内部构造较复杂, 而外挂式塔式起重机更适合于核心筒内部尺寸小、平面布置复杂的情况, 因此, 这类塔式起重机的应用市场将越来越广阔。外挂式塔式起重机自重和外荷载作用在塔式起重机支撑架上, 支撑架通过预埋件附着于建筑外墙上, 支撑系统设计既需要考虑能够安全承担塔式起重机传递的荷载, 同时又要考虑对所附着建筑结构的影响^[2]。因此, 支撑架、预埋件及附着墙体的受力合理性是外挂式塔式起重机安全工作的重要保证。以往研究^[1,3,4,5,6]大多关注于塔式起重机本身及支撑系统的分析, 对施工中外挂式塔式起重机支撑系统下的预埋件受力合理性探讨较少。本文结合南京金茂广场 (二期) 核心筒外挂式塔式起重机支撑架基础预埋件方案, 建立有限元模型, 验证所提出的钢筋直锚式预埋件方案的可行性。

南京金茂广场 (二期) 为1栋地上68层、地下5层的超高层综合体, 塔楼采用外框-核心筒结构, 外框柱为钢筋混凝土劲性柱, 核心筒为钢筋混凝土剪力墙结构, 部分楼层墙体内置型钢柱。

根据施工需要, 在塔楼进入钢结构施工阶段, 为配合钢结构安装, 需在塔楼核心筒位置安装2台ZSL750动臂式塔式起重机 (见图1) , 塔式起重机附着在剪力墙上, 随核心筒高度升高而向上“爬升”。由于塔式起重机自身强度已由塔式起重机厂家^[7]复核, 施工时主要考虑塔式起重机基础的设计及验算。对于外爬式塔式起重机, 拟通过设置预埋件作为塔式起重机支撑架基础, 本文重点研究预埋件设计方案的强度复核。

ZSL750塔式起重机采用墙体预埋件基础, 直接“挂在”核心筒剪力墙上。首次安装采用2道支撑系统, 支撑系统间距14～22m, 塔式起重机底部支撑架通过与核心筒预埋件焊接固定。每层外挂基础共6个预埋件, 分为主梁预埋件、水平支撑预埋件、下支撑预埋件, 各2个。塔式起重机支撑架布置如图2所示。

由于本项目塔式起重机位置墙体厚度最小为800mm, 提出图3所示钢筋直锚式预埋件方案。该方案主要通过均匀分布在尺寸为840mm×1 140mm×40mm钢板上的6×7=42根28钢筋焊接 (7排6列) , 每根钢筋埋入深度700mm。预埋件上耳板尺寸由塔式起重机供应商提供标准件。

合理的塔式起重机附墙架结构设计不仅包括支撑架节点设计和附着处墙体验算, 还要重视附着处预埋件的设计与计算分析, 预埋件设计除满足施工安装方便的需要, 还需对预埋件受力性能进行分析, 确保建筑物本身安全和施工的正常进行^[8]。本文主要对塔式起重机附着于核心筒剪力墙上的预埋件进行受力分析, 2号ZSL750塔式起重机通过外挂架将荷载传递至核心筒剪力墙上, 主要受力点为剪力墙上6个预埋件位置, 各工况下对节点最不利荷载如表1、图4所示。

根据提供的塔式起重机外挂架设计方案, 本文采用有限元软件ABAQUS对提出的直锚式预埋件方案进行受力计算, 判断其受力合理性。根据预埋件位置的不同, 共选取3种情况。在此基础上, 确定作用在预埋件上的荷载时, 选取ZSL750塔式起重机各工况下对节点的最不利荷载进行计算。

ABAQUS建立模型^[9,10,11]时, 混凝土材料选用损伤塑性模型^[12,13], 钢材采用理想弹塑性的双折线模型。采用C3D8R单元模拟预埋件钢材及连接耳板、剪力墙, T3D2单元模拟墙体中的钢筋。锚筋强度取值按GB50010—2010《混凝土结构设计规范》 (2015年版) 采用^[14], 锚板和预埋板按GB50017—2017《钢结构设计规程》确定^[15]。锚筋采用28钢筋, 屈服强度为400MPa;锚板和预埋板采用Q345钢材, 各部位预埋件钢板厚度均在20～35mm, 因此其抗拉、抗压和抗弯强度设计值f=295MPa。预埋件钢筋与紧邻混凝土墙体间通过嵌固方式发生相互作用^[16], 这种方式不考虑钢材与混凝土间的相对滑移。

塔式起重机支撑架预埋件及墙体计算模型如图5所示。模型中的墙体是从混凝土核心筒中截取出的隔离体。选取隔离体时, 在墙体被切割位置, 保留下的墙体会受到周边被丢弃墙体的作用。这种作用通过约束相应墙体截断面上节点的3个平动自由度的方式近似体现, 即外挂架与核心筒之间的边界条件设为铰接。

预埋件计算模型分为3类 (主钢梁预埋件、水平斜撑预埋件、下支撑预埋件) , 分别按钢筋直锚形式进行计算分析。将塔式起重机支撑系统各工况下的支座反力包络值作为预埋件分析的最不利荷载。计算中未考虑墙体及预埋件自重。

根据表1中塔式起重机支撑架节点支座反力值, 主钢梁支座反力的最不利荷载取为:F_x=-86.8kN, F_y=-2 023.6kN, F_z=-378.4kN。

水平斜撑埋件分析的最不利荷载F_x=1 011.3kN, F_y=1 424.5kN, F_z=-1.09kN;由于水平斜撑在不同工况下所受的拉力与压力相当, 故水平斜撑埋件分析按该最不利荷载分别为拉力和压力时进行验算。下支撑埋件分析的最不利荷载F_x=-312.1kN, F_y=-787.1kN, F_z=1 270.6kN。

有限元分析结果如下。

1) 主钢梁预埋件耳板Mises应力峰值为456.5MPa, 劲板Mises应力峰值为348.9MPa, 锚筋Mises应力峰值为359.1MPa, 埋板Mises应力峰值为256.0MPa。耳板开孔处局部应力过大, 建议增加耳板洞口处板厚, 锚筋应力未超过屈服强度400MPa, 劲板、埋板的绝大部分Mises应力未超过钢材强度设计值295MPa, 只有极少部位出现应力集中, 判定整个主钢梁预埋件刚度分布较合理。

2) 当最不利荷载以压力施加在水平支撑预埋件上时, 耳板Mises应力峰值为283.7MPa, 劲板Mises应力峰值为185.5MPa, 锚筋Mises应力峰值为493.2MPa, 埋板Mises应力峰值为435.7MPa。锚筋绝大部分应力未超过屈服强度400MPa, 应力峰值未超过极限强度540MPa, 耳板、劲板、埋板的绝大部分应力未超过钢材强度设计值295MPa, 只有极少部位出现应力集中, 判定整个水平支撑预埋件刚度分布较合理。

当最不利荷载以拉力施加在水平支撑预埋件上时, 耳板Mises应力峰值为274.9MPa, 劲板Mises应力峰值为132.9MPa, 锚筋Mises应力峰值为494.8MPa, 埋板Mises应力峰值为436.4MPa。锚筋绝大部分应力未超过屈服强度400MPa, 其应力峰值未超过极限强度540MPa, 耳板、劲板、埋板绝大部分应力未超过钢材的强度设计值295MPa, 只有极少部位出现应力集中, 判定整个预埋件刚度分布较合理。

3) 下支撑预埋件耳板Mises应力峰值为319.5MPa, 出现在销轴与耳板连接的孔洞边缘处, 面积很小, 且未超过钢材屈服强度345MPa;劲板Mises应力峰值为90.86MPa, 锚筋Mises应力峰值为307.7MPa, 埋板Mises应力峰值为570.7MPa。锚筋应力未超过屈服强度400MPa, 耳板、劲板、埋板绝大部分应力未超过钢材的强度设计值295MPa, 只有极少部位出现应力集中, 判定整个下支撑预埋件刚度分布较合理。

南京金茂广场 (二期) 核心筒外挂式塔式起重机采用钢筋直锚式预埋件方案。本文应用大型通用有限元软件ABAQUS对该方案进行分析验算, 分析结果显示, 预埋件绝大多数区域的Mises应力低于材料强度设计值, 只有极小范围内的材料Mises应力超过材料强度设计值, 对于耳板开孔处集中应力过大情况, 建议增加耳板洞口处板厚。分析结果验证了该方案可行性。