卿龍邦，姚 雄，肖成志，田穩(wěn)苓

（1.河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，天津 300401；2.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401；3.解放軍93682部隊(duì)，北京 101300）

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市中土地資源緊張，越來(lái)越多的高層建筑作為地標(biāo)性建筑出現(xiàn)在各個(gè)城市［1］。鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系與傳統(tǒng)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系相比，具有節(jié)約鋼材、制作施工簡(jiǎn)單、延性良好等優(yōu)點(diǎn)［2］，是常見高層建筑的核心部分。高層建筑塔吊的科學(xué)、安全運(yùn)行是確保工程施工質(zhì)量、進(jìn)度、安全的關(guān)鍵因素。高層建筑動(dòng)臂塔吊爬升方式有內(nèi)爬式和外爬式，外爬式塔吊將塔身安裝在承力導(dǎo)向裝置內(nèi)，承力導(dǎo)向裝置由緊固件固定在建筑體外側(cè)，塔身可沿承力導(dǎo)向裝置四角的水平限位裝置向上爬升，爬升高度不受限制，因此塔身可以做得很短，而不占建筑場(chǎng)地，具有整機(jī)輕、造價(jià)低、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［3］。

由于高層建筑的功能要求，一些建筑的核心筒平面尺寸較小，或內(nèi)部構(gòu)造較復(fù)雜，且需要布置布料桿、腳手架等施工設(shè)備，不能滿足內(nèi)爬式塔吊的安裝和爬升空間的需求，如果采用外爬式塔吊，將塔吊外掛到鋼板剪力墻外壁上就能滿足塔吊安裝、爬升和使用空間的要求，而且可根據(jù)不同工程的實(shí)際施工需要布置多臺(tái)塔吊，同時(shí)施工［4］，塔吊附著和頂升過(guò)程可利用施工間隙進(jìn)行，對(duì)總的施工進(jìn)度影響不大，且塔吊司機(jī)能獲得開闊的視野，利于塔吊安全操作，安裝和拆卸也較為方便［5］。

以往研究多關(guān)注于塔吊本身及支撐系統(tǒng)的分析，對(duì)于施工過(guò)程中塔吊作用下鋼板剪力墻受到的影響分析較少。文獻(xiàn)研究了塔吊在臺(tái)風(fēng)環(huán)境下施工的附著安全性。文獻(xiàn)研究了爬升塔吊外掛支撐系統(tǒng)的在各種工況下的受力，校核了強(qiáng)度要求。

本文結(jié)合天津諾德英藍(lán)國(guó)際金融中心工程實(shí)例，模擬了在施工過(guò)程中鋼板剪力墻受外爬式塔吊的作用，得出外爬式塔吊對(duì)鋼板剪力墻應(yīng)力和位移的影響效應(yīng)。

1 工程概況

諾德英藍(lán)國(guó)際金融中心位于天津市濱海新區(qū)于家堡起步區(qū)，建筑高度292.95m，裙房高30.75m，總建筑面積212 882m2，地下4層，基坑深度21.5 m，裙房地上7層，地上主樓63層，主體塔樓結(jié)構(gòu)采用“巨型柱＋剪力墻核芯筒＋環(huán)形桁架＋伸臂桁架”結(jié)構(gòu)體系，裙房采用鋼筋混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，其主體結(jié)構(gòu)材料主要采用Q345C和Q345GJC型鋼板型鋼，鋼結(jié)構(gòu)外包裹高強(qiáng)度混凝土。鋼板剪力墻、巨型柱及伸臂結(jié)構(gòu)均采用焊縫連接［7］。該工程項(xiàng)目建成后將成為于家堡金融區(qū)起步區(qū)9＋3地塊的標(biāo)志性建筑物。工程采用動(dòng)臂塔吊，塔吊平面布置及塔吊模型分別如圖1、圖2所示。

鋼板剪力墻隨層數(shù)增加自重不斷增大，外荷載容易對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響［8］。施工過(guò)程中，鋼板剪力墻達(dá)到一定高度后外爬式塔吊需要爬升，塔吊依靠鋼板剪力墻上的預(yù)埋鋼板支撐。塔吊的自重大，施工過(guò)程中加上吊裝重量，對(duì)墻體產(chǎn)生較大的作用力。因此，有必要分析外爬式塔吊對(duì)鋼板剪力墻的應(yīng)力和位移的影響。

圖2 塔吊和支撐系統(tǒng)模型示意圖

2 模型

外爬式動(dòng)臂塔吊的塔身和塔吊支撐系統(tǒng)采用ANSYS有限元軟件建模，模擬剪力墻施工到10層高度，塔吊附著在鋼板剪力墻上的工況如圖2所示，上下支撐系統(tǒng)的間距為18.55m。

塔身和支撐系統(tǒng)鋼材為Q345 型鋼，彈性模量取2.06×1011N／m2，密度取7 850kg／m3，泊松比取0.3，均采用BEAM188單元，采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型考慮鋼材應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，支撐系統(tǒng)連接通過(guò)釋放自由度實(shí)現(xiàn)鉸接。

塔吊回轉(zhuǎn)平臺(tái)荷載和吊裝荷載以及塔吊彎矩分四點(diǎn)作用在塔身H 型鋼柱上，通過(guò)荷載統(tǒng)計(jì)和查閱廠家塔吊技術(shù)文件［9］，塔吊最大豎向力取295t，塔吊最大彎矩取1 024t·m，每根鋼柱的受力為295／4＝73.75t，每根鋼柱受彎矩為1 024／4＝256t·m。

鋼板剪力墻采用SAP2000結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件建模，模擬施工過(guò)程中塔吊對(duì)鋼板剪力墻的作用，建立了10層的剪力墻模型，層高5.1 m，剪力墻中間層為鋼板，內(nèi)外澆筑C80 高強(qiáng)混凝土，墻體總厚度為1 m，其中鋼板厚度為0.04m。鋼板為Q345型鋼，彈性模量取2.06×1011N／m2，密度取7 850kg／m3，泊松比取0.3，C80混凝土密度取2 340kg／m3［10］，彈性模量取4.30×1010N／m2［11］，泊松比取0.2。將ANSYS軟件計(jì)算出來(lái)的支撐系統(tǒng)墻體位置的荷載施加到剪力墻上，求出剪力墻的應(yīng)力和位移。為了求出塔吊對(duì)鋼板剪力墻應(yīng)力和位移的影響，分別建立無(wú)塔吊附著和有塔吊附著的鋼板剪力墻模型，鋼板剪力墻模型如圖3所示，墻體荷載施加位置如圖4所示。

圖3 剪力墻模型示意圖

圖4 墻體荷載施加位置示意圖

3 計(jì)算結(jié)果和討論

通過(guò)分析計(jì)算，與墻體相連部分支撐系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的荷載坐標(biāo)值如表1所示：

鋼板剪力墻無(wú)塔吊附著時(shí)和有塔吊附著時(shí)豎向應(yīng)力如圖5、圖6所示。可見，無(wú)塔吊附著時(shí)，鋼板剪力墻豎向應(yīng)力呈豎向向底部較為均勻遞增，最大豎向應(yīng)力約為1 300kPa；在有塔吊附著情況下，鋼板剪力墻豎向應(yīng)力在塔吊上部支撐以上部位往下較為均勻遞增，在塔身附著高度以下范圍內(nèi)應(yīng)力等值線變成不連續(xù)的彎折的曲線，豎向應(yīng)力增大，底部最大應(yīng)力約為1 650kPa，增大約350kPa。

表1 與墻體相連部分支撐系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的荷載統(tǒng)計(jì)表

圖5 無(wú)塔吊附著豎向應(yīng)力

圖6 有塔吊附著豎向應(yīng)力

剪力墻無(wú)塔吊附著和有塔吊附著的豎向位移如圖7、圖8所示?？梢钥闯?，鋼板剪力墻在無(wú)塔吊附著的情況下豎向位移的最大值約為0.7 mm，呈現(xiàn)較為均勻的向底部遞減的規(guī)律，位移等值線基本趨于直線；在有塔吊附著的情況下，豎向位移的最大值略有增大，約為0.78 mm，在塔吊附著高度范圍內(nèi)位移等值線變成了傾斜的曲線。

圖7 無(wú)塔吊附著豎向位移

圖8 有塔吊附著豎向位移

鋼板剪力墻有塔吊附著和無(wú)塔吊附著時(shí)的墻面法向位移如圖9、圖10所示。無(wú)塔吊附著時(shí)，由于沒(méi)有考慮風(fēng)荷載和地震荷載，鋼板剪力墻法向位移基本為零；在有塔吊附著的情況下，塔吊對(duì)鋼板剪力墻的法向位移產(chǎn)生顯著的影響，最大法向位移約為1.95mm，在上部支撐系統(tǒng)預(yù)埋件處墻體法向位移較周圍墻體明顯增大，達(dá)到約1.65 mm，下部支撐系統(tǒng)部位墻體法向位移較周圍墻體有所減小，約為0.15mm，這樣加大了上下部支撐系統(tǒng)部位墻體的法向位移差，約為1.5mm。此外，塔吊附著對(duì)門窗洞口左邊剪力墻肢也產(chǎn)生較大影響。

圖9 塔吊附著法向位移

圖10 有塔吊附著法向位移

4 結(jié)論

針對(duì)超高層建筑施工過(guò)程的質(zhì)量控制需要，本文分析了諾德英藍(lán)國(guó)際金融中心外爬式塔吊在施工過(guò)程中對(duì)在建高層建筑鋼板剪力墻的影響，主要結(jié)論如下：

（1）塔吊附著對(duì)鋼板剪力墻應(yīng)力產(chǎn)生影響。在無(wú)塔吊附著時(shí)鋼板剪力墻豎向應(yīng)力最大值約為1 300kPa，有塔吊附著時(shí)豎向應(yīng)力的最大值為1 650 kPa，增大約350kPa。

（2）塔吊附著對(duì)鋼板剪力墻豎向位移影響不大，無(wú)塔吊附著時(shí)豎向位移最大值約為0.7 mm，有塔吊附著時(shí)豎向位移的最大值為0.78 mm。塔吊附著對(duì)法向位移產(chǎn)生顯著影響：有塔吊情況下墻體最大法向位移約為1.95mm，上下部支撐系統(tǒng)部位墻體的位移差達(dá)到1.5mm。

因此，在施工過(guò)程中應(yīng)該重視塔吊對(duì)鋼板剪力墻的影響。隨著施工的進(jìn)展，層數(shù)增加，風(fēng)荷載等不利因素加大，建議在施工過(guò)程中重視塔吊的安全運(yùn)作，加強(qiáng)墻體的應(yīng)力變形監(jiān)測(cè)和分析，減少額外的墻體水平位移，以確保工程質(zhì)量和安全。

［1］ 摩天城市網(wǎng).沖向天空的1.7萬(wàn)億——2012中國(guó)摩天城市報(bào)告［EB／OL］.（2012.7.31）［2013.6.1］http／／www.Motiancity.com／2012／index.php.

［2］ 郭彥林，周明.鋼板剪力墻的分類及性能［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，（3）：1－2.

［3］ 建筑機(jī)械化.實(shí)用新型專利三則［J］.建筑機(jī)械化，1994，（3）：36.

［4］ 張宇，陳曉明.爬升塔吊的外掛支承系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］.建筑施工，2007，29（10）：802－803.

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［8］ JGJ3－2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

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