长沙冰雪世界工程位于长沙市岳麓区坪塘镇山塘村—狮峰山地段, 坪塘大道东侧、清风南路南侧, 主体结构依附于百米矿坑, 矿坑由湖南省新生水泥厂采石而成。矿坑坑口呈不规则椭圆形, 长轴约440m, 短轴约350m, 深度达100m。矿坑上宽下窄, 坡度较陡, 坡角为80°~90°, 坑口面积约为180 000m²。图1为冰雪世界项目矿坑地貌。

矿坑施工只有唯一1条下坑道路, 且绕坑长达700余m, 作业人员下坑一次需耗费40min, 严重制约工作效率。为解决矿坑内人员、少量材料的垂直运输问题, 项目决定在矿坑岩壁区域安装施工电梯。

对于普通房建工程而言, 施工电梯一般附着于结构的梁、柱、板、墙等构件。而长沙冰雪世界工程载体为百米深矿坑, 矿坑东北角一施工电梯安装位置岩壁坡角约76°, 垂直高度为54m, 岩壁中部区域凹进13m。本文共考虑2种方案进行比选:①常规施工电梯附着方案;②施工电梯间接附着方案, 即塔式起重机标准节附着方式。

施工电梯选址的基本要求:①避开主体结构施工区域;②避开矿坑岩壁加固区域;③结合地质勘察资料以及现场踏勘;④冰雪世界工程总体施工部署。最终确定矿坑东北角处为施工电梯安装的最合适位置。

基于对国内房建工程及施工电梯厂家的调查咨询, 常规施工电梯的正常附着长度一般小于4m, 而本工程最大长度达13m, 因此, 需重新考虑施工电梯的附着杆设计, 保证附着杆受压状态的稳定性。

以下将从概念设计的角度诠释附着杆的设计。基于结构力学, 将常规附着杆延伸至空间桁架体系, 同时加密空间桁架体系附着杆间距, 空间桁架体系能有效抵抗电梯标准节传递来的扭矩, 如图2所示。图2中, 竖向加强连杆由竖杆及斜杆组成, 水平加强连杆呈“正八字形”“倒八字形”交替分布。

空间桁架附着杆与岩壁连接方式:采用深植筋方式, 在相应位置, 植入825钢筋, 植筋深0.5m, 钢筋端部焊接500mm长、500mm宽、30mm厚的钢板。

解决附着杆过长所带来的稳定性问题的同时, 施工电梯常规附着仍存在如下问题:上部钢栈桥的布置会在施工电梯顶部产生较大弯矩, 当高度较大时, 施工电梯标准节的高宽比增大, 刚度降低, 顶部弯矩会对施工电梯的稳定性造成极不利的影响。

间接附着方式的概念设计, 即将施工电梯附着于塔式起重机标准节, 塔式起重机标准节附着于岩壁。施工电梯标准节与塔式起重机标准节采用槽钢与高强螺栓连接。

塔式起重机标准节附墙设计:设计2道附着, 第1道附着位于塔式起重机标准节中部, 第2道附着位于坑面上部。第1道附着方式同2.2节所示。第2道附着, 在岩坑面设计2块刚性足够大的钢筋混凝土墩台, 每个墩台设置3根锚杆, 单根锚杆长12m, 锚固段长6m, 入射角为15°, 锚杆为28钢筋, 浆体为M30水泥浆, 墩台内部预埋螺栓, 螺栓与支座耳板相连, 塔式起重机标准节附着撑杆连接于支座耳板, 如图3所示。

从坑壁至塔式起重机标准节边设置钢栈桥。钢栈桥的设计平面如图4所示。钢栈桥分为2部分:①坑面段;②坑面段与塔式起重机标准节连接的悬空段。两者由岩壁边界划分。

1) 常规附着方式的施工电梯①空间桁架附着杆需由专业厂家定制, 技术成熟。当高度较大时, 上部钢栈桥荷载产生的弯矩会对整个结构的稳定性产生不利影响。②空间桁架附着杆长度不一, 相对普通施工电梯附着杆, 其间距更密, 施工难度大。③植筋岩面修平工作量大。④仅可安装2个电梯笼, 运输量有限。

2) 间接附着方式施工电梯①塔式起重机标准节和施工电梯无需定制;②塔式起重机标准节附着次数少, 附着杆施工难度小;③植筋岩面修平工作量小;④可安装4个电梯笼, 运输量大, 施工效率提高;⑤利用相关软件验算此结构, 从强度、刚度、稳定性角度阐述其结构安全性。

1) 采用常规附着方式的施工电梯相关费用①人工费施工电梯标准节附臂费用为5 400元;②材料费附臂杆件材料及加工费为45 360元;③植筋费用附臂杆通过植筋的方式与岩壁相连, 每道附臂有8个锚固点, 每个锚固点需要825钢筋, 每道护臂共有64根钢筋需要植筋, 共有9道护臂, 每根钢筋植筋费用60元, 植筋费用共计64×60×9=34 560元;④岩面植筋修平费用25 000元。⑤附臂操作架费用18 000元;⑥吊车租赁费用租赁9次, 计2 000元/次×9次=18 000元。共146 320元。

2) 采用间接附着方式施工电梯相关费用①塔式起重机标准节租赁费用计24 200元。②塔式起重机附臂1道人工费600元;③起重机租赁费用租赁3次, 用于塔式起重机标准节吊装以及附臂构件的吊装, 计6 000元;④塔式起重机附臂岩石植筋费用一道附臂需要16ф25钢筋, 计960元;⑤附臂操作架费用9 000元。共40 760元。

两者相比, 间接附着方式可节约105 560元。从技术经济角度进行全面分析, 间接附着方式施工电梯设计方案技术方面可靠, 经济方面能节约成本, 且能节省工期, 同时具有一定的创新性, 项目部决定采用间接附着式施工电梯设计方案。

在最优方案中, 塔式起重机标准节发挥的作用至关重要, 因此有必要从强度、刚度、稳定性3个方面单独对其进行有限元分析, 分析软件采用MIDAS/Gen。

根据GB/T3811—2008《起重机设计规范》中关于风荷载的相关规定, 经计算得正向迎风面荷载大小为11.2k N。由于塔身截面为正方形, 根据规范, 风沿塔身截面对角线方向作用时, 风荷载最大, 可取为正向迎风面风荷载的1.2倍, 因此作用于塔身的最大荷载为13.5k N。在有限元模型中, 将风荷载沿轴向进行分解, 并等效为沿高度分布的线荷载, 其大小为162N/m。

恒荷载包括钢栈桥自重及标准节自重, 该部分在有限元模型中自动考虑, 活荷载包括钢栈桥上行驶的人、少量小型设备及材料传递给塔式起重机标准节的活荷载, 按钢栈桥上均布荷载5k N/m²进行考虑。

通过受力计算, 施工电梯作用于塔式起重机标准节上力偶的力为48.2k N。

根据GB50009—2012《建筑结构荷载规范》, 竖向荷载组合为:1.2恒荷载+1.4活荷载。

塔式起重机标准节底部采用固定端, 在30.800m及54.000m处用固定铰支座模拟塔身连墙件。有限元模型如图5所示。

经计算, 杆件最大应力为119.9MPa, 小于Q235级钢的强度设计值215MPa。构件最大位移为14.6mm, 小于GB50017—2003《钢结构设计规范》中墙架构件支柱的变形容许值L/400 (14.7cm) , 其中L为塔式起重机标准节高度, L=58.8m。屈曲临界荷载系数为16.3。综上所述, 塔式起重机标准节的承载特性、刚度特性、稳定性均符合要求。

间接附着式施工电梯的工艺流程如下所述:塔式起重机基础制作→塔式起重机安装→底部附着杆安装→顶部附着杆安装→施工电梯基础制作→施工电梯标准节安装→施工电梯附着→施工电梯电梯笼安装→监测与验收。同时, 运用BIM技术简单直观地展示其施工工序流程, 如图6所示。长沙冰雪世界项目现场按照此方案实施后, 施工电梯运行安全平稳。

间接附着式的施工电梯施工方案创新地解决了长沙冰雪世界百米深矿坑内施工人员及少量材料的垂直运输问题, 提高了现场施工和管理的效率, 降低了项目相应的成本, 取得了一定的社会效益。