随着社会的发展和施工技术的进步, 地标性超高层摩天大楼在国内外遍地开花, 采用自升式大型动臂塔式起重机作为主要的垂直运输方式已经和超高层建筑的建造紧密联系在一起。动臂塔式起重机通过支承件附着于主塔楼核心筒上, 随核心筒的施工而爬升。由于动臂塔式起重机结构自重大 (如M1280D型动臂塔式起重机满载运行时自重约500t) , 加之其运行时力学性能复杂, 影响因素众多, 使其成为超高层结构施工过程中安全风险最高的施工措施之一。

本文采用有限元分析软件对武汉绿地国际金融中心动臂塔式起重机内爬段进行模拟计算, 对塔式起重机附着墙体进行评估, 并做墙体加固设计。

武汉绿地中心主塔楼建筑高度636m, 共120层, 其核心筒平面布置呈三叶草形式, 在核心筒3个方向的筒肢端, 分别设置动臂塔式起重机, 3台塔式起重机平面布置如图1a所示, 型号以及附着形式如表1所示。工作时, 采用上、下2道支承对塔式起重机进行固定, 上层支承梁对塔式起重机水平方向约束, 下层支承架作为塔式起重机基础承担竖向荷载。支承架随塔式起重机在核心筒交替循环爬升。本文选取1号塔式起重机L87以下内爬阶段为代表介绍塔楼内爬阶段的附着墙体验算和加固。

采用有限元计算软件MIDAS/Gen对主楼核心筒墙体、内爬式塔式起重机支承梁和塔式起重机格构柱整体建模, 如图2所示。模型中通过在塔式起重机模型的格构柱顶部施加不同方向的塔式起重机荷载, 较为细化地模拟了在各种静止或工作工况下塔式起重机荷载传递至主塔楼附着墙体的过程。计算假定如下: (1) 根据实际连接情况, 上支承梁与塔式起重机结构连接采用水平只压平动约束, 下支承梁与塔式起重机结构连接采用三向只压平动约束; (2) 核心筒底部嵌固端采用三向平动约束模拟, 作为嵌固端的条件为核心筒外部巨型柱以及次框架体系施工完毕。

将塔式起重机厂家说明书中提供的最不利荷载加以处理并加载至整体模型上 (1号塔式起重机为FAVCO-M1280D) 。工作时机械制动力约为550k N, 塔式起重机整体自重设计值约为5 200k N, 塔式起重机大臂对柱顶产生的弯矩约为2 736k N·m;静止状态时自重设计值约为4 120k N, 塔式起重机大臂对柱顶产生的弯矩约为3 582k N·m。通过对格构柱顶施加竖向力、水平平面扭矩、各角度竖直平面弯矩, 来分别模拟塔式起重机的自重、机械制动力以及塔式起重机吊臂在不同角度工作或静止时的工况。

根据塔式起重机不同方向的荷载工况与塔式起重机自重、工作扭矩进行组合。考虑到项目的重要性和塔式起重机的动荷载特点, 将本次复核中活荷载的分项系数调整为1.5, 组合值系数调整为1.0, 一定程度上补偿动力荷载、施工中的不确定因素等现场不利因素的影响。

在塔式起重机荷载作用下, 塔式起重机基础 (也就是支承大梁) 在墙体附着部位为墙体内力极值区域。然而, 若将主楼高出外框架的核心筒部分看作悬臂柱, 在塔式起重机荷载和对超高层结构影响较大的风荷载作用下, 对嵌固部位墙体的影响同样不可忽视。

嵌固端的验算荷载除上述塔式起重机荷载外, 尚须考虑核心筒风荷载。由于本计算结构高度区间为202.35~314.95m, 尚未超出规范可计算风荷载高度, 故依据规范对塔楼核心筒模型增加水平顺风向风荷载, 以验算嵌固部位墙体强度。根据计算结果, 内爬式塔式起重机对核心筒的影响范围为附着楼层上下1~2层, 属于局部区域受力, 故塔式起重机荷载不是影响核心筒嵌固端强度的主要因素。本文对此部分计算不详细展开。

根据项目塔式起重机爬升规划, 在最不利情况下, 上支承梁安装时顶部附着部位墙体处混凝土最近浇筑时间为8d, 下支承梁附着部位混凝土浇筑时间为24d, 需考虑龄期对混凝土强度的影响。根据现场实测, 7d可以达到设计强度的70%左右, 24d可以达到设计强度的90%。考虑墙体混凝土龄期对其强度的折减, 本阶段设计加固墙体时, 按C45强度等级混凝土进行墙体的验算 (此阶段墙体混凝土设计强度等级为C60) 。

在整体计算模型中选取1号塔式起重机附着墙体分析其受力特征 (见图3) , 验算墙体厚度为500mm, 混凝土强度等级为C45。支承梁两端分别附着于墙体1-TQ1和1-TQ2, 其中, 1-TQ1为规律均匀墙段, 1-TQ2在各层墙段均有开洞。

将墙体简化成弱轴抗弯的混凝土矩形构件进行计算。分析1-TQ1内力结果 (见图4) , 可知在塔式起重机支承梁作用下, 在附着点周边区域, 墙体水平和竖直弱向抗弯均超过其极限承载力, 应力集中分布范围为支承梁埋件上下2~4m。

据此受力特征, 在墙体内部设置水平和竖直方向暗梁 (见图5) , 以有效增强墙体抗弯能力和增加塔式起重机支座反力扩散的距离, 使墙体受力趋于均匀。

根据埋件尺寸和墙体厚度, 设计暗梁尺寸b×h为1 400mm×500mm, 水平暗梁锚固于墙体两端约束边缘构件之中, 竖向暗梁以埋件边为基准上、下各延伸4m, 对暗梁进行拉弯剪扭计算即可得出暗梁的配筋信息。如图6所示。

加固后墙体构件内力如图7所示。由图7可知, 使用水平和竖向暗梁替代原墙体结构之后, 塔式起重机附着产生的应力集中问题得以改善, 原核心筒墙体结合暗梁共同抵抗支承梁传来的塔式起重机荷载, 可以满足各方向抗弯需求。

支承梁附着墙体1-TQ2每层均存在3.35m宽洞口, 埋件均设置于洞口边的暗柱以及连梁上 (见图8) 。在实际工程中多数塔式起重机附着墙体均存在此情况, 相比于类似1-TQ1的整片均匀墙体, 此类墙体的传力路径相对更加复杂。本文对此种类型附着墙体的计算思路与1-TQ1类似:简化受力模型, 利用或加强原结构的暗柱和连梁的抗弯剪扭能力以抵抗塔式起重机荷载 (计算及加固过程本文不详细展开) 。

根据计算结果, 需要注意以下几点: (1) 须验算洞口边附着部位局部位移是否满足层间位移比1/1 000的要求。此控制值严于规范规定, 为现场实测数据的经验值, 能够有效控制混凝土构件裂缝的开展在施工可控范围内。 (2) 根据塔式起重机作用下墙体的内力特征, 竖向暗柱主要加强部位为影响范围内的暗柱箍筋;水平连梁主要加强部位为影响范围内的连梁腰筋。 (3) 若计算所得墙体内的竖向暗柱几何尺寸须变化, 则须复核加固后的暗柱截面和配筋是否满足原设计纵筋配筋率以及体积配箍率的要求。

本文对内爬式动臂塔式起重机通过整体精细建模进行受力分析, 并通过合理简化计算模型进行加固设计, 充分利用了原设计墙体的平面外抗弯性能 (一次设计通常不考虑剪力墙平面外抗弯) 作为临时施工措施的支承。本加固方式现场实施情况良好, 后期加固措施存留于主体, 不存在施工措施安装与拆卸工序, 施工工期基本不受墙体加固的影响, 且加固成本较低 (每道附着加固墙体增加含钢量约5t) , 在施工便易性和实用性方面都有较好的效果。

随着国内超高层建筑的普及, 相应的施工措施日趋成熟, 在施工过程中辅以更多精细化的计算分析以优化施工措施显得尤为重要。动臂塔式起重机作为超高层结构建造过程中数量级最大的施工荷载之一, 应根据主体结构形式、塔式起重机布置方式等条件灵活选择附着方式, 并准确模拟附着边界条件, 然后根据计算结果做针对性的加固设计, 能对超高层建筑主体结构施工过程做一定程度上的优化。