重庆来福士广场项目位于重庆朝天门渝中半岛最顶端, 项目总占地面积为9万m², 总建筑面积约110万m², 由3层地下室、6层裙楼、8栋塔楼及连接4栋塔楼的3层空中连廊构成, 是集商场、酒店、写字楼、高端住宅为一体的超大型综合项目, 建成后将成为重庆市地标性建筑之一, 如图1所示。

该工程T4N塔楼选用2台大吨位外挂式动臂塔式起重机, 最大起重量80t, 工作状态下重420t, 核心筒剪力墙随楼层高度内收, 附着处剪力墙厚度从1 200mm内收至300mm, 针对核心筒不同区段, 采取基于墙体局部加强及改变传力途径的多层级结构加固措施。

核心筒+外框是其典型的结构形式, 塔式起重机作为最主要的垂直运输设备, 制约着工程进度, 直接影响工程经济效益。大吨位外挂式塔式起重机通过1套外挂装置将塔式起重机以外挂形式布置于核心筒外部, 能有效克服内爬简支式塔式起重机的主要问题, 应用前景更加广泛。由于外挂式塔式起重机结构自重大、运行时力学性能复杂, 随着建筑高度增加剪力墙厚度变薄, 不能满足大吨位外挂式塔式起重机附着节点处受力要求, 影响工程垂直运输效率。

1) 计算模型 采用有限元分析软件MIDAS/Gen进行施工模拟, 整体模型范围包含核心筒剪力墙、外挂支撑系统。节点区域混凝土采用实体单元, 例如ANSYS软件中的solid65单元, 该单元可以模拟混凝土受拉开裂和受压破碎性能;混凝土的本构关系可采用多线性等向强化模型MISO;节点区域内钢筋采用link8杆单元;埋件和耳板采用shell43壳单元;钢筋和钢板可采用双线性随动强化模型BKIN和双线性等向强化模型BISO;外爬架杆件采用beam44梁单元, 可不考虑杆件的材料非线性;节点区域以外, 框架梁、框架柱采用线单元, 剪力墙采用壳单元, 如图2所示。

2) 荷载 塔式起重机主要受自重、风荷载、吊重荷载, 具体传递到附着上表现为竖向荷载、水平荷载和弯矩, 具体大小可参见塔式起重机说明书。通过将厂家说明书中提供的最不利荷载加以处理、风荷载加载至模型上, 调整荷载的分项系数, 一定程度上补偿了动力荷载、施工中的不确定因素等现场不利因素的影响。

3) 节点性能分析 对于支承爬架的剪力墙, 在加载过程中, 采用墙体刚度折减系数说明墙体损伤情况。根据分析结果显示, 采用钢筋应力大小对爬架附着节点受力性能进行判断, 建议荷载基本组合下的钢筋最大应力控制在300MPa以下。

4) 墙体局部加强分析 基于墙体局部加强的加固方法为增加局部钢筋配筋率, 塔式起重机附着节点附近的墙体钢筋在水平分力作用下一侧受拉、一侧受压, 提高局部钢筋配筋率可直接降低塔式起重机附着节点区域的钢筋应力 (见图3) 。

5) 改变传力途径加固分析 当墙体厚度随高度继续变薄, 外挂塔式起重机附着节点处的墙体钢筋应力超过钢筋屈服强度标准值, 局部混凝土最大主压应力超过混凝土抗压强度标准值, 不能满足施工要求。通过在剪力墙间增设钢支撑改变传力途径, 将部分水平分力传递给核心筒内墙的方式可以有效降低钢筋应力水平, 根据分析模型中墙体刚度折减系数等参数, 以及剪力墙与附着埋件位置关系选定外加固钢支撑位置及截面尺寸, 增设加固钢支撑后, 部分水平分力通过钢支撑传递给核心筒内墙, 附着墙体钢筋最大应力由420MPa降至125MPa, 钢筋应力云图对比如图4所示。

根据施工模拟分析结果与结构特点, 大吨位外挂式塔式起重机附着节点与剪力墙厚度、洞口位置关系采用多层级附墙加固方式。对于结构下部剪力墙较厚区段, 无需进行加固;随着楼层增加, 墙体逐渐变薄, 优先考虑钢筋加固、设置暗梁及约束边缘柱的方式, 钢筋加密首先要满足规范要求, 钢筋间距、保护层厚度等满足要求, 注意有钢骨或埋件及穿筋孔的设置;当墙体厚度继续变薄, 仅钢筋加固不能满足承载要求时, 采用附着墙体局部加强+可周转钢支撑加固相结合的方式;核心筒墙体厚度未变, 但部分墙体由于设计需要取消时, 导致塔式起重机直接作用于墙体, 考虑增加临时钢筋混凝土墙体, 待塔式起重机拆除后破除临时墙体。

对于可周转钢支撑加固埋件与剪力墙连梁中型钢板冲突的问题, 在埋件端部加焊钢板与连梁型钢板形成整体, 从而弥补锚筋截断对承载力的削弱。对于塔式起重机埋件位于剪力墙洞口处的问题, 在埋件高度及上、下600mm范围内设置钢筋, 并回填混凝土, 保证结构施工安全。

对于结构下部剪力墙较厚区段, 可通过剪力墙局部加强措施减小附着墙体钢筋应力, 控制墙体变形及混凝土开裂程度, 保证结构安全性, 满足塔式起重机正常施工, 其方式如下。

1) 增大水平箍筋配筋率增大水平箍筋直径及数量, 直接降低附着节点区域钢筋应力。核心筒剪力墙钢筋绑扎施工顺序为:绑扎剪力墙竖向钢筋→绑扎约束边缘构件内部水平箍筋→安装固定塔式起重机埋件→剪力墙外排水平钢筋及约束/构造边缘构件的外围箍筋绑扎→局部与埋件冲突的钢筋采用等面积钢筋搭接加强。

2) 增设暗梁外挂架埋件处增加暗梁的施工顺序为:绑扎剪力墙竖向钢筋→安装固定塔式起重机埋件→穿入、绑扎暗梁纵向钢筋及箍筋→增设约束边缘柱。

剪力墙增设约束边缘柱的施工顺序为:绑扎约束边缘柱竖向钢筋→柱箍筋绑扎至埋件底部→安装固定塔式起重机埋件, 绑扎埋件范围内水平箍筋。

当墙体厚度继续变薄, 仅钢筋加固不能满足承载要求时, 需要设法将荷载传递至其他承载力更好的结构上。塔式起重机附着直接作用的墙体与塔式起重机荷载方向垂直, 此时墙体稳定性较差, 而加固钢支撑的增加将附着直接作用于墙体上的荷载传递至与荷载方向相同的墙体上, 墙体的整体稳定性得到了加强。加固钢支撑设计时不应仅考虑屈服强度, 应在满足屈服强度的同时考虑截面更大的钢支撑, 因为截面大的钢支撑刚度较大, 较截面小的钢支撑能传递更多的荷载。

可周转钢支撑塔式起重机附墙加固包括H型钢主梁、H型钢次梁、高强螺栓、连接板及双面钢板剪力墙埋件。其中H型钢主梁3段并排深化设置, 相邻2段H型钢主梁通过腹板连接板和高强螺栓相连;H型钢主梁端头分别通过腹板连接板和高强螺栓与剪力墙埋件连接;H型钢次梁与主梁通过翼缘连接板和高强螺栓相连;H型钢次梁端头分别通过腹板连接板和高强螺栓与剪力墙埋件连接, 如图5所示。

根据塔式起重机爬升规划, 核心筒剪力墙施工至相应楼层时, 提前安装双面钢板埋件。通过塔式起重机将分段的H型钢梁吊运至卸料平台上, 利用电动葫芦转运至楼层拼装位置, 通过螺栓完成整个钢支撑拼装, 并搭设安装操作平台。通过在加固层上6层核心筒内设置的吊装装置安装钢支撑, 并通过螺栓与埋件固定。竖向布置3套加固钢支撑, 附着位置2套、周转1套, 只需卸下螺栓连接便能完成加固钢支撑周转使用, 施工效率大幅提高。

所有构件均在工厂完成制作加工, 保证加工精度, 完成出厂检验后, 再调运至现场拼装平台完成拼装。

核心筒结构施工时, 根据爬升规划对塔式起重机附着双面钢板埋件进行预埋。加固钢支撑安装定位时, 通过同尺寸连接板与钢板埋件对齐, 完成钢支撑定位工作。

核心筒剪力墙截面随高度内收时, 钢支撑能够通过加长连接板的长度适应截面厚度变化。

1) 钢支撑分段吊运 在将要加固的楼层核心筒门洞处布置卸料平台, 并在下方铺设48.3mm×3.6mm钢管, 间隔500mm布置, 以便钢支撑平移。分段钢支撑由塔式起重机吊至卸料平台处, 并通过钢丝绳将钢梁托至核心筒内拼装位置完成拼装, 如图6所示。

2) 钢支撑拼装施工 H型钢主梁及次梁等构件通过核心筒内调运装置从卸料平台转运至拼装平台后完成整体拼装, 包括3段H型钢主梁、主次梁、主梁端部连接板、次梁端部连接板的连接, 完成整体拼装后, 检查螺栓是否终拧。

3) 操作平台铺设 因加固钢支撑正下方楼板为洞口, 为保证加固钢梁的吊装及施工人员的安全, 需对洞口进行处理。在水平洞口处搭设操作平台, 操作平台由I16上铺10mm钢板及钢跳板组成。

4) 钢支撑吊装 因加固钢支撑安装在核心筒内, 无法使用塔式起重机等起吊设备, 故采用多个手拉葫芦作为吊运提升装置, 将钢支撑提升至安装位置。吊装流程:在安装层结构上部的加固钢梁预埋件上焊接20mm厚的吊装耳板→在操作层上层结构的钢丝绳末端挂5t手拉葫芦, 另一端与加固钢梁连接固定→施工人员在操作平台上用2个5t手拉葫芦提升钢支撑→吊装就位至安装高度。

5) 钢支撑焊接 吊装就位后, 将主梁及次梁连接板与提前安装在剪力墙中的双面钢板埋件进行焊接, 形成加固传力结构, 完成加固钢构件安装施工, 加固钢构件安装完成后形成有效的传力体系。

当外挂塔式起重机向上爬升、外挂支撑体系最下面1道支撑架不再受力后, 方可拆除及转运加固钢支撑, 如图7所示。

拆除及转运时, 严格按照相应施工步骤进行:安装吊运提升装置, 检查各吊点是否连接牢固→拆除次梁连接板螺栓→拆除主梁两端连接板螺栓→吊运钢支撑至操作平台→转运钢支撑至卸料平台。

随着超高层建筑高度的增加, 核心筒墙体厚度未变, 但部分墙体由于设计需要被取消, 导致塔式起重机直接作用墙体为悬臂结构, 仅靠钢筋加密+加固钢梁的方法无法满足塔式起重机附着要求。在取消墙体处增加临时钢筋混凝土墙体可有效解决此问题, 待塔式起重机拆除后破除, 如图8所示。

1) 根据外挂塔式起重机爬升规划, 当塔式起重机外挂支撑系统施工至结构避难层时, 由于避难层结构加强, 塔式起重机埋件会与剪力墙连梁型钢板发生冲突, 如图9所示。

由于埋件是双面埋板, 故截断施工中与连梁内含钢板冲突的锚筋, 在埋件端部通过采用4块400mm高、20mm厚的小钢板将埋件与连梁钢板通过坡口焊接的形式焊接在一起, 从而弥补锚筋截断削弱承载力的影响, 如图10所示。

2) 当塔式起重机埋件位于剪力墙洞口处时, 不能形成有效的附着及传力路径, 将埋件自身及其上、下600mm高度范围内采用C60混凝土回填, 并在洞口位置处配置φ28 HRB400钢筋, 纵筋两端以拉钩形式与原有暗柱纵筋相连。

为及时掌握剪力墙体附着区域及加固钢支撑受力情况, 确保结构施工安全, 需对塔式起重机起吊过程中及爬升过程中的加固钢支撑、剪力墙体附着节点区域应力进行监测。每台塔式起重机附着节点处设置1个应力监测点, 外加固钢支撑在主、次梁相应位置处设置5个应力监测点。

剪力墙体附着区域及加固钢支撑应力监测主要根据塔式起重机爬升进度进行, 每层塔式起重机爬升完成后监测1次, 并根据实际情况及时加测数据。

及时整理监测数据, 将监测结果与施工模拟分析结果进行对比, 若发现施工或爬升过程中出现异常、钢筋应力水平或附着墙体位移变形超过模拟值, 应立即停止结构施工, 通过增大加固钢支撑截面或改变加固位置的方式, 重新建立模型进行施工模拟, 确保钢筋应力及结构位移变形在可控范围内。

本文介绍了超高层建筑外挂式塔式起重机附墙加固施工方法, 通过大吨位外挂式塔式起重机附墙施工模拟分析技术、可周转钢支撑附墙加固分段安装施工技术、基于墙体局部加强及改变传力途径的多层级附墙加固施工技术等应用, 解决了超高层大吨位外挂式塔式起重机附墙加固困难、附着墙体及塔式起重机运行存在安全隐患等问题。