張 楨，黃豪華，黃國健ZHANG Zhen, HUANG Hao-hua, HUANG Guo-jian(.廣州特種機電設備檢測研究院，廣東 廣州 50663；沈陽建筑大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 068)

使用&管理 Use & Management

內爬式塔機的外掛支承架的設計計算與測試

張 楨1，黃豪華2，黃國健1
ZHANG Zhen, HUANG Hao-hua, HUANG Guo-jian
(1.廣州特種機電設備檢測研究院，廣東 廣州 510663；2沈陽建筑大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110168)

[摘 要]對內爬式塔機外掛支承系統(tǒng)的工作原理、主要構成、使用工況、受力情況以及附著支座的受力情況進行研究，利用SAP2000軟件對支承框架進行強度計算和穩(wěn)定性分析，并對附墻支座結點反力進行分析與計算。為了驗證計算的合理性，采用動態(tài)應力應變試驗，對爬升工況支承架桿件進行動態(tài)應變監(jiān)測，得出支承系統(tǒng)中所有桿件應力均小于材料許用應力的結論, 為更多超高層建筑工程項目采用內爬塔機轉外掛使用提供借鑒。

[關鍵詞]塔式起重機；內爬式；外掛支承架；動態(tài)應變測試

內爬式塔機通常安裝在建筑主體內部，其施工范圍是以回轉中心為圓心的整圓，具有起重能力強、吊裝范圍廣、節(jié)約塔身、爬升高度不受限制等優(yōu)點。近年來內爬式塔機相關工程技術研究逐漸增多，如對附著點穿墻牛腿結構的研究、外掛塔機的爬升工藝的研究、內爬附墻框的設計研究、內爬塔機安裝、爬升、拆卸技術的總結等。

然而由于超高層建筑有特殊的功能要求，一些建筑或內部結構復雜無法滿足內爬空間的需求，或是需要采用多臺塔機，如果都裝在結構內部存在相互碰撞的可能，這都限制了內爬塔機的應用。為了解決這一難題，部分施工工程如上海中心大廈、廣州新電視塔、廣州西塔等，創(chuàng)新性地提出了“外掛內爬”技術—將塔機通過外掛架整體支承在建筑主體結構的外側墻體上，創(chuàng)造一種類似于內爬的環(huán)境，以保持塔機內爬功能。這樣既不占用內部建筑空間，又方便建筑內部結構設計，可以揚長避短地解決超高層建筑的施工問題。

為讓業(yè)界讀者更好地了解內爬式塔機的原理與使用特性，本文結合工程實例，系統(tǒng)介紹內爬式塔機外掛系統(tǒng)的工作原理、主要構成、使用工況以及結構力學分析與試驗驗證方法。同時利用SAP2000軟件針對性的重點計算支承架爬升中3個位置，66種工況各結點受力狀態(tài)；并對結點位移、框架的穩(wěn)定性、附著支座結點反力進行分析與計算，最后利用動態(tài)應變試驗對各構件受力狀態(tài)進行安全性驗證。

1 工程概況

本項目主體結構總高度309.5m，按塔機作業(yè)覆蓋范圍需選用兩臺動臂內爬式塔機外附著爬升。附著式塔機支承架支座位于建筑核心筒剪力墻上。

選用塔機為QTZ750動臂內爬式塔機，最大起重力矩為750tm，吊臂總長48m，共有4節(jié)組成。最大額定起重量50t，最大額定起重量時允許的最大工作幅度15m；最大工作幅度45m，最大工作幅度時允許的最大額定起重量12.4t。

外掛支承系統(tǒng)由3套支承架組成，塔機作業(yè)時上下兩套支承架協(xié)同工作，塔機爬升時3套支承架交替工作。每套支承架由主梁、水平支承、斜向拉桿、C型框組成，見圖1。主梁通過耳板和牛腿與預埋件相連接，水平支承及斜向拉桿通過耳板與預埋件相連。支承架及其附著構件截面尺寸見表1。

圖1 支承架示意圖

表1 支承架附著構件截面尺寸表

2 外掛支承系統(tǒng)受力分析

2.1 載荷取值

塔機在工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)中受到H1為上層附著水平力，H2為下層附著水平力，Mk為塔機動臂轉動的啟動或剎車載荷，V為豎向載荷。載荷作用示意圖如圖2所示。根據塔機廠商提供的資料，塔機作用于支承架的載荷取值見表2。

圖2 QTZ750塔機結構反力示意圖

表2 QTZ750塔機的載荷取值

對比塔機工作狀態(tài)與非工作狀態(tài)的載荷值可以得到以下結論：工作狀態(tài)下H1載荷值與非工作狀態(tài)下H1載荷值較為接近；而工作狀態(tài)下H2、Mk及V載荷值均大于非工作狀態(tài)下對應載荷值。工作狀態(tài)下載荷為偏不利載荷，故本驗算中只取塔機工作狀態(tài)下的載荷進行分析。

2.2 分析工況

2.2.1 水平載荷H1、H2

水平力H1、H2的方向與塔機動臂轉動的角度有關，故定義塔機動臂轉動的角度θ為動臂中心線與計算模型X軸正向的夾角。根據設計，水平載荷H1、H2分別由上支承架和下支承架承擔，且H2合力作用線方向與X軸正向夾角也為θ，H1合力作用線方向與X軸正向夾角為θ+180°，考慮到H1、H2著力點均為4個，故將H1、H2分別分解為4個同向等大的分力，見圖3。

圖3 塔機動臂轉動角度為θ時水平載荷

2.2.2 垂直載荷V

載荷V作用在下支承架上，設計計算時分4點作用，每個作用點受力為V/4，方向垂直向下，見圖4。

圖4 塔機下支承架垂直載荷

2.2.3 轉動載荷Mk

當起重臂加速或減速轉動時，塔機的轉動載荷Mk包括順時針和逆時針2個方向，主要由塔機上支承架承擔。將Mk在上支承架4個著力點沿旋轉切線分解為2對力偶，見圖5。

圖5 塔機轉動時Mk載荷

2.2.4 載荷組合

附著式塔機支承架支座位于建筑核心筒剪力墻上，隨著樓層增高，結構上部剪力墻厚度減小，塔機C型框與墻體支座的距離將逐步增加，C型框（形心）距墻體最近距離3 500mm，最遠距離4 400mm，故本驗算選取C型框（形心）距墻體支座3 500mm，3 950mm，4 400mm3個代表位置，進行建模加載分析，3個分析模型見圖6。

圖6 C型框距墻體位置圖

分別考慮C型框在位置1、位置2及位置3的荷載組合，并考慮荷載組合系數，可以得到以下66種塔機支承架荷載組合工況。荷載組合名稱采用1.2D+1.4(V+Hθ+Mkx)。其中：D為支承架自重載荷；Hθ為水平載荷工況，下標θ表示塔機動臂轉動的角度θ，也即H2方向角。

3 計算結果分析

3.1 計算模型結點編號及其坐標系

當C型框在位置1時塔機支承架各計算模型結點編號與坐標系見圖7。

3.2 支座各結點反力計算結果

對于塔機支承架支座各個結點（1～12號結點），對比分析當C型框在位置1、位置2及位置3時計算得到的結點反力Fx、Fy、Fz，選取較大值繪制各結點三向反力Fx、Fy、Fz隨塔機動臂轉動的角度θ從0°～180°的變化曲線。

圖7 上下支承架及支座結點編號示意圖

圖8依次為當塔機動臂轉動的啟動或剎車荷載Mk沿逆時針方向時1～12號結點反力。經分析，由于支承架為對稱結構，結點1與4、2與3、7 與10、8與9，其Fx、Fy圖形基本呈規(guī)律性對稱關系。而斜拉桿結點支座反力5、6、11、12基本不隨起重臂角度變化而變化。

3.3 支座結點包絡反力

塔機支承架為對稱結構，確定支座結點包絡反力時應選取某結點及其對稱結點二者反力的較大值作為該位置的結點反力，同時，隨著塔機在施工過程中向上爬升，爬升前的塔機原上支承架將轉換為塔機爬升后的下支承架，故取各荷載組合工況下結點1、4、7、10結點反力的最大值為設計部位A的設計反力；取各荷載組合工況下結點2、3、8、9結點反力中的最大值為設計部位B的設計反力；取各荷載組合工況下結點5、6、11、12結點反力的最大值為設計部位C的設計反力，支座結點編號如圖7。根據1～12號結點三向反力最大值，整理得支座部位A、B、C的三向反力設計值，列于表3。

3.4 支承架位移計算

分析支承架在66種荷載組合工況結點位移，得到Z向最大位移-9.9mm；X向最大位移-0.6mm，Y向最大位移-10.1mm。各最大構件變形均小于L/400,滿足《鋼結構設計規(guī)范》設計要求。

圖8 1～12號結點反力

3.5 支承架桿件強度及穩(wěn)定性計算

以結構整體模型為基礎，對結構進行特征值屈曲分析。根據構件初步分析結果，取不利工況D+V+H90°+Mk1進行特征值屈曲分析，對于C型框位于位置1、2、3的支承架計算模型，結構均在下支承架主梁弱軸首次發(fā)生屈曲，其屈曲變形如圖9所示。

表3 支座部位A、B、C三向反力包絡值

圖9 支承架屈曲模態(tài)分析

經比較，3計算模型中，C型框位于位置1時主梁具有最小次軸屈曲因子376.3，最小強軸屈曲因子554.3，根據歐拉公式反推出各單元構件繞強軸計算長度系數18.78或3.09及繞弱軸計算長度系數11.06或1.82，按反推出的構件繞強軸及繞弱軸計算長度系數重新代入模型整體分析并計算，可得各構件設計應力比。主梁最大應力比0.47，各構件的應力比均小于0.5，滿足設計要求。

4 動態(tài)應變試驗

爬升工況是塔機安裝使用過程中最危險的工況。動態(tài)應變試驗旨在測試塔機支承架自重狀態(tài)與爬升狀態(tài)各桿件的應力值，分析支承架系統(tǒng)能否滿足安全要求。

測試過程是當塔機仍在地面基礎上，支承框架處于不受力狀態(tài)時，儀器清零，測試開始。隨著標準節(jié)逐個頂升，直至爬升完成，塔機完全落在下支承架上時，測試結束。

經監(jiān)測，塔機爬升工況下各桿件的最大應力值為53.2MPa，出現在下支承架主梁上。其余斜向拉桿最大應力值為52.5MPa。水平支撐及斜腹桿應力值均小于25MPa，均小于材料許用應力。

5 結 論

本文以某內爬式塔機外掛支承系統(tǒng)為研究對象，根據其工作原理、主要構成、使用工況，重點對外掛支承架與附墻支座受力情況進行分析與計算，給出了試驗驗證，并得到以下結論。

1）內爬式塔機的結構不占用內部建筑空間，又方便建筑內部結構設計，可以揚長避短地解決超高層建筑的施工問題。

2）分析支承架在66種荷載組合工況結點位移，得到各最大構件變形均小于L/400,滿足《鋼結構設計規(guī)范》設計要求。

3）該內爬式塔機主梁最大應力比0.47，各構件的應力比均小于0.5，滿足設計要求。

4）塔機爬升工況下各桿件的最大應力值為53.2MPa，出現在下支承架主梁上，小于材料許用應力。

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（編輯 賈澤輝）

［中圖分類號］TH212；TU974

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)04-0077-05

［收稿日期］2015-01-29

Design calculation and test of external hanging supporting frame of internal climbing tower crane