鄭祥杰

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

自立式塔吊廣泛應用于高層建筑施工中，當塔吊自立高度超過限值后，必須采用附墻工況。由于高層結構的塔樓整體抗側剛度遠大于塔吊自身的抗側剛度，故塔樓可作為塔吊的可靠附著結構。當塔吊直接附著于外框鋼結構時，應考察附著處的結構局部剛度。該階段下樓面梁和外框柱的受力狀態(tài)與使用階段不同，樓面梁在缺少樓板混凝土約束作用下的整體穩(wěn)定性不容忽略，外框柱因附墻桿偏心連接產生的附加扭矩同樣應予以重視。有必要找出一些簡單高效的結構加固方式，以改善結構局部剛度，提高桿件承載能力，確保塔吊附著工況下的施工安全[1-5]。

1 工程概況

1.1 結構概況

上海靜安60地塊塔樓主體結構高度為240.27 m，地上53層，地下4層，采用框架-核心筒的結構體系。結構平面布置情況如圖1所示。核心筒部分采用混凝土剪力墻結構，并在墻肢邊緣布置鋼骨柱；外框結構采用型鋼混凝土柱＋鋼梁的結構形式；在24F和25F以及38F和39F設置2道環(huán)帶桁架層，以提高塔樓整體剛度。

圖1 結構平面布置示意

1.2 施工概況

塔樓南北兩側布置2臺自立式塔吊，為保證塔吊在工作狀態(tài)下的塔身穩(wěn)定性，塔吊與塔樓外框柱之間需通過附墻桿連系在一起，如圖2所示。

圖2 塔吊平面布置示意

根據(jù)設備廠商要求，塔吊上下2道附墻桿的間距控制在25～33 m之間，附墻桿所在樓層及對應標高見表1。

表1 塔吊附墻桿布置位置

2 外框結構梁的加固設計

2.1 加固原因

外框樓面梁在使用階段主要承受樓面恒荷載以及活荷載等豎向荷載作用，結構梁的內力主要表現(xiàn)為彎矩和剪力。但在塔吊附墻工況中，附墻荷載使得外框結構梁承受較大的軸壓力或軸拉力，當樓面混凝土未澆筑時，壓型鋼板不能有效約束結構梁受壓翼緣的側向變形，不能忽略結構梁的整體穩(wěn)定性驗算，結構梁的內力主要表現(xiàn)為軸力；當樓面混凝土澆筑后，盡管結構梁的整體穩(wěn)定性有顯著提高，但樓板自重帶來的彎矩和剪力不可忽略，結構梁的內力主要表現(xiàn)為軸力、彎矩和剪力。顯然，塔吊附墻工況下結構梁的內力狀態(tài)與使用階段是不一致的。經(jīng)計算，樓面梁在附墻工況下不能滿足整體穩(wěn)定和強度要求，需要對樓面結構進行加固。

2.2 加固方式

因樓板剛度未形成，樓面鋼梁很容易在塔吊附墻荷載下出現(xiàn)面外失穩(wěn)的情況，可在附墻桿件直接對應的2根樓面梁之間增設水平支撐，形成平面桁架，大幅提高樓面梁的面外穩(wěn)定性，如圖3（a）所示；當樓板形成后，樓面鋼梁出現(xiàn)強度不足的情況時，可適當增加附墻桿件直接對應的2根樓面梁截面的寬度和壁厚，且不改變梁截面的高度，這樣可以在滿足樓層凈高要求的同時增加梁截面的面積，降低梁截面的應力水平，如圖3（b）所示；必要時，還可改變連接節(jié)點形式，如將鋼梁與核心筒的連接節(jié)點由單剪連接構造改為雙剪連接構造，以提高連接節(jié)點的承載能力，如圖3（e）所示。

圖3 外框樓面加固形式

2.3 加固效果

計算結果（表2）表明，加固后的樓面梁在附墻荷載作用下，最大應力比小于1.0，且樓面穩(wěn)定一階屈曲系數(shù)大于10，樓面梁滿足強度和穩(wěn)定要求。

表2 樓層計算結果

3 外框柱的加固設計

3.1 附墻桿件與外框柱鋼骨的連接構造

外框柱采用型鋼混凝土柱，受施工進度制約，外框柱混凝土澆筑滯后于塔吊附墻工況，必須在鋼骨柱一側設置鋼牛腿，便于塔吊附墻桿件與之焊接。鋼牛腿端板外側與混凝土外邊平齊，附墻桿與端板之間焊接。端板通過水平肋板與十字鋼骨柱相連，十字柱在附墻標高處出現(xiàn)2道橫隔板，為保證勁性柱混凝土澆筑質量，2道橫隔板的凈距不小于300 mm，且橫隔板除在中心設有流淌孔外，在近端板處還開設直徑150 mm的澆搗孔，如圖4所示。鋼牛腿端板厚度40 mm，水平肋板（鋼骨橫隔板）厚度30 mm。

圖4 鋼骨柱鋼牛腿構造

水平肋板近端板處布置若干鋼筋接駁器，勁性柱縱筋在牛腿處與上下肋板的鋼筋接駁器連接，因接駁器與端板距離非常接近，故水平肋板具有足夠的剛度，可以認為縱筋通過端板連接在一起，從而實現(xiàn)縱筋力線連續(xù)的設計要求。

3.2 加固原因

外框柱截面呈方形，為便于外框混凝土澆筑施工，避免附墻桿件與外框柱角部產生沖突，附墻桿軸線無法對準外框柱的中心，只能調整至外框柱側邊中心處，如圖5（b）所示，則外框柱將承受扭矩。

圖5 附墻桿與外框柱的定位

附墻桿與外框柱連接時，外框柱的混凝土尚未澆筑，也就是說，外框柱的鋼骨需要獨立承受附墻桿的荷載，但鋼骨截面為十字形截面，且附墻桿與外框柱的中心存在偏心，意味著鋼骨將獨自承受扭矩，這是十分不利的。

計算結果表明，在附墻荷載作用下，鋼骨柱最大應力為467.2 MPa，出現(xiàn)在鋼骨柱端部，如圖6（a）所示。最大應力超過材料屈服強度345 MPa，不滿足強度要求。最大位移20.9 mm，表現(xiàn)為扭轉后的平面內變形，位于鋼牛腿處，如圖6（b）所示。

圖6 鋼骨加固前的計算結果

3.3 加固方式

由于外框鋼骨為開口斷面，鋼骨的抗扭性能較差。借鑒基坑工程中常用的綴板格構柱的截面形式，擬在十字形鋼骨翼緣之間等距間隔布置綴板，綴板寬度為100 mm，綴板之間的中心距為400 mm，如圖7所示。

圖7 十字形鋼骨截面加固形式

這種加固方式具有以下2個優(yōu)勢：

1）將原本開口的截面調整為近似閉口的截面，有效提高截面的抗扭性能。

2）綴板間的空隙可確?；炷恋牧魈剩ＷC了混凝土的澆筑質量。

3.4 加固效果

加固后的鋼骨抗扭能力大幅提高，應力峰值和最大扭轉變形量值的降幅明顯。計算結果表明，在附墻桿荷載作用下，鋼骨柱最大應力235.1 MPa，出現(xiàn)在鋼骨柱端部，降幅達到50%。最大應力小于材料屈服強度345 MPa，滿足強度要求，如圖8（a）所示。最大位移6.4 mm，表現(xiàn)為扭轉后的平面內變形，位于鋼牛腿處，降幅達到70%，如圖8（b）所示。

圖8 鋼骨加固后的計算結果

4 結語

1）當自立式塔吊用于超高層塔樓施工時，往往需要設置附墻桿與主體結構形成可靠連接，以保證塔吊工作時塔身的穩(wěn)定性。當附墻桿與外框鋼結構連接時，應特別注意塔吊附墻荷載對外框結構的受力影響。

2）當樓面板尚未澆筑時，在樓面增設水平支撐可以有效地改善結構承受面內荷載時的穩(wěn)定性，以確保塔吊施工的安全性；當樓面板澆筑完成后，即可拆除這些臨時水平支撐。

3）附墻桿與勁性混凝土柱連接時，可通過鋼牛腿將連接面移至混凝土面外側，鋼牛腿與鋼骨應避免形成密室，橫隔板應設置澆搗孔，從而保證混凝土的澆筑質量。

4）十字形鋼骨柱為開口截面，抗扭性能較差，應盡可能避免承受扭矩。當扭矩不可避免時，可將鋼骨柱改造為綴板格構式截面，既能有效改善截面的抗扭性能，又能保證混凝土的澆筑質量。