由于塔式起重机支撑结构需满足在高层建筑结构施工过程中重复拆卸爬升和承受较大荷载等工程需求，因此，塔式起重机支撑结构设计和可靠性分析对整个工程项目的施工过程至关重要。近年来，随着我国各大城市在建高层建筑的增加，内爬式塔式起重机支撑结构的分析与设计也受到足够重视。叶浩文等对广州珠江新城西塔大型动臂式塔式起重机爬升工艺进行了研究;姚刚等对东莞台商大厦的塔式起重机支撑结构进行设计与分析，给出附墙架本身和所附着剪力墙的承载力验算方法。张晓以在建工程项目为依托，通过施工现场采集数据，对内爬式塔式起重机附墙节点处支撑结构在塔式起重机作用下的受力特性进行了分析与研究。

　　本文以某高层建筑工程项目的内爬式塔式起重机应用为例，对塔式起重机支撑梁进行单独设计，并采用有限元软件ABAQUS建立塔式起重机支撑结构的精细有限元模型，分析塔式起重机支撑结构在不同工况作用下的工作性能。

　　1 工程概况

　　本工程项目的塔式起重机系统采用M1280D型塔式起重机，在结构中塔式起重机分布如图1所示，1号塔式起重机施工开始时支撑于地下室混凝土基础上，而后随着塔身高度增高至±0.000开始向上爬升。4号塔式起重机无地下室混凝土基础，直接从地下室开始爬升。由于平面布置对称，而且结构上层柱截面减小导致梁净跨增大而使受力不利，本文根据最不利原则选取爬升至屋面层的4号塔式起重机进行设计分析并验算。

　　图1 塔式起重机分布 

　　塔式起重机在施工过程中逐渐爬升，使用2部套架附着。上部套架只起侧向支撑作用，不承受竖向荷载，仅承受水平荷载;下部套架承受来自塔式起重机的竖向荷载和水平荷载(见图2)。对此部分利用有限元软件ABAQUS进行验算。

　　图2 塔式起重机系统布置 

　　2 内沉式支撑钢梁设计

　　在本工程项目中，建筑主体结构地上部分为全钢结构，不存在混凝土剪力墙，所以施工过程中塔式起重机的吊重较传统现浇混凝土结构大，由此产生的巨大荷载大部分要由塔式起重机支撑钢梁承受;同时，在塔式起重机爬升过程中，支撑钢梁需避让已建成建筑结构中的巨型斜撑。因此，在利用有限元软件进行建模前，应先对塔式起重机支撑钢梁进行单独设计，对支撑钢梁的安全性能进行加强，并使其达到在支撑结构爬升过程中避让巨型斜撑的目的。

　　本文将塔式起重机支撑钢梁设计成中部下沉式构造，满足可拆卸后重复利用且避让巨型斜撑的功能需求;同时，支撑钢梁端部增设了抗剪螺栓等构造加强措施，以满足钢梁端部连接的抗剪承载力需求。塔式起重机支撑钢梁设计结果如图3所示。

　　图3 塔式起重机支撑钢梁设计结果  

　　3 有限元分析

　　3.1 模型建立与加载工况

　　采用软件ABAQUS建立塔式起重机支撑结构有限元计算模型，首先根据M1280D型塔式起重机荷载数据对采用不同结构钢梁尺寸的模型加载进行受力情况分析，选取结构钢梁最不利尺寸。将结构钢梁、塔式起重机支撑钢梁、塔式起重机C型梁、钢管混凝土柱及地下室剪力墙一同建模。模型中结构钢梁、塔式起重机支撑钢梁、塔式起重机C型梁采用S4R壳单元，模型钢材均为Q345B，采用各向同性的理想弹塑性本构，混凝土本构采用ABAQUS中的自带混凝土损伤塑性模型。模型分为塔式起重机位于±0.000标高以下部分施工过程模拟模型(支撑钢梁和C型梁部分搭接在剪力墙上)及塔式起重机位于±0.000标高以上部分施工过程模拟模型，如图4所示。

　　图4 有限元模型  

　　施工中塔式起重机承重荷载主要由结构钢梁与塔式起重机支撑钢梁承受，并传递至结构竖向构件。支撑结构的受力响应与塔臂方位有关，在塔身顶部，塔臂对塔身产生的弯矩M并非完全由水平力H形成的力偶来抵抗。除水平力H形成的力偶抵抗弯矩M外，塔式起重机立柱(拉压)形成的力矩也参与抵抗弯矩M。以往类似塔式起重机的分析结果表明，水平力H形成的力偶约占总弯矩M的75%，塔式起重机自身立柱形成的力矩约占总弯矩的25%。不同的塔身标准节百分比分配会相应变化。若塔身刚度无限大，即塔式起重机自身为刚体，则此时总弯矩M会完全由水平力H形成的力矩抵消。但实际上，塔身刚度有限，即塔身为变形体，则此时总弯矩M有一部分由塔身立柱形成的力矩抵消。即随着塔臂转动，塔身立柱拉压直接导致塔身底部与下部套架C型梁4个连接部位的竖向作用力并不相等，其不均匀程度取决于弯矩M方位。因此，塔臂方位的影响是支撑结构设计须考虑的因素之一。经分析表明，4种塔臂方位所形成的内力最不利工况如表1所示。

　　表1 最不利工况  

　　在有限元模型中，塔式起重机荷载的传递路径为:标准节→C型梁→塔式起重机支撑钢梁→结构钢梁→方钢管混凝土柱。根据塔式起重机荷载传递路径，利用表1中提供的4种工况对有限元模型进行加载，重点分析塔式起重机支撑钢梁受力状态是否处于允许范围内，荷载在标准节处的分配如图5所示。

　　图5 标准节处荷载分配  

　　3.2±0.000标高以上塔式起重机施工模拟分析

　　在4种工况作用下，±0.000标高以上塔式起重机支撑结构施工模拟分析的最不利结果如图6所示。塔式起重机支撑钢梁最大应力为361MPa，但为局部应力集中，整体应力水平较低;C型梁最大应力为345.1MPa，建议对应力较高一侧的支撑钢梁进行加强;西侧结构钢梁最大应力为259.3MPa，东侧结构钢梁最大应力为259.8MPa，除局部应力集中外均处于较低水平。综上所述，在不同工况的设计荷载作用下，除C型梁应力较高一侧的支撑钢梁需进行加强外，±0.000标高以上塔式起重机支撑结构各构件受力状态均处于允许范围内。

　　图6±0.000标高以上塔式起重机施工应力云图(单位:MPa)  

　　3.3±0.000标高以下塔式起重机施工模拟分析

　　在4种工况作用下，±0.000标高以下塔式起重机支撑结构施工模拟分析最不利结果如图7所示。塔式起重机支撑钢梁最大应力为399.8MPa，但为局部应力集中，整体应力水平较低;C型梁最大应力为345.8MPa，建议对应力较高一侧支撑钢梁进行加强;西侧结构钢梁最大应力为294.1MPa，除局部应力集中外均处于较低水平。综上所述，在不同工况的设计荷载作用下，除C型梁应力较高一侧的支撑钢梁需进行加强外，±0.000标高以下塔式起重机支撑结构各构件受力状态均处于允许范围内。

　　图7±0.000标高以下塔式起重机施工应力云图(单位:MPa) 

　　4 结语

　　本文考虑某高层建筑工程内爬式塔式起重机爬升过程中塔式起重机支撑钢梁承受较大荷载并避让结构中巨型斜撑的工程需求，将支撑钢梁设计为内沉式，并采用有限元软件ABAQUS对塔式起重机施工过程中的塔式起重机支撑结构进行多工况精细有限元模拟分析。分析结果表明，对原结构塔式起重机支撑钢梁进行单独设计后，在不同工况荷载作用下，除C型梁应力较高一侧的支撑钢梁需进行加强外，塔式起重机支撑结构主要构件受力状态均处于允许范围内，支撑结构安全可靠。