劉曉英 林 麗 李逢春

1. 山東青建智慧建筑科技有限公司 山東 青島 266000；2. 青建集團股份公司 山東 青島 266011

1 研究背景

青島新機場空管塔臺位于機場核心區(qū)，青島綜合交通中心及停車樓工程中南部，高鐵地鐵穿越區(qū)西側。塔樓地上17層、地下2層，建筑高度92.8 m，總建筑面積為3 346.2 m2，其中塔臺主樓面積約1 790.6 m2。塔臺主樓采用鋼外網(wǎng)-鋼筋混凝土剪力墻內(nèi)筒結構，塔臺結構采用的斜交網(wǎng)格外網(wǎng)沿整體結構高度布置，采用交叉鋼管斜柱形成菱形鋼網(wǎng)格，其網(wǎng)格結構為“細腰”形（圖1）。

圖1 青島新機場塔臺效果圖

2 施工難點

1）塔臺周邊為地下室頂板，場地狹窄。核心筒內(nèi)2個電梯井、4個管道井，中間為電梯前室，單層面積僅50 m2，操作空間小。環(huán)境復雜，結構特殊，內(nèi)爬式塔吊、履帶吊、外附式塔吊等常用垂直運輸設備選型是難題。

2）本工程核心筒高度87.3 m，直徑僅為8 m。長細比達到11，設計院對于給塔臺結構施加的外力有嚴格限制要求。綜合考慮采用斜交鋼外筒外附式塔吊后，需對塔吊附著連接進行優(yōu)化，保證結構安全。

3）塔臺有受力限制要求，為保證鋼結構及塔吊附著安全穩(wěn)定，監(jiān)控塔吊及結構的受力及穩(wěn)定情況是重點。

4）外附式塔吊與爬架同時使用的情況較少，需要處理好二者相互協(xié)作、相互制約的工作關系，保證核心筒與外斜交網(wǎng)架施工有條不紊[1-2]。

3 施工要點

3.1 外附式塔吊方案選擇和優(yōu)化研究

3.1.1 垂直起重機械方案的比選

1）內(nèi)爬塔吊：電梯井尺寸僅1 880 mm×2 350 mm，空間太小不滿足安裝。

2）履帶吊：塔臺周邊為地下室頂板，且場地狹窄，無法滿足施工。

3）外附式塔吊附著核心筒：塔身與核心筒距離僅8.3 m，影響鋼結構施工，且塔吊基礎與核心筒基礎重疊，不可行。

4）外附式塔吊附著鋼結構：滿足要求，但與鋼結構附著節(jié)點需自行設計，滿足塔吊及核心筒結構受力。

3.1.2 外附式塔吊方案確定

1）吊重及高度確定。本工程鋼結構從基礎開始施工，施工高度從－10.10 m至92.80 m，總質量1 250 t。周圍場地狹窄，經(jīng)計算地下室頂板僅能上70 t汽車吊，吊裝高度34.3 m，34.3～92.8 m鋼結構吊裝需用塔吊完成。首先確定最大吊重，對鋼結構吊裝單元進行分段，由于鋼管壁厚隨高度增加而遞減，確定吊裝質量在垂直40 m以上、水平23.5 m以內(nèi)最大為4.8 t，在40 m以下最大為6 t。初步確定塔吊型號中聯(lián)TC6015。塔吊最終使用高度112.5 m。

2）塔吊附著平面位置確定。最初考慮附著于核心筒，塔吊附著桿夾角要求45°至60°，按此夾角塔吊和核心筒距離較近，僅8.3 m，上部鋼結構半徑達到10.5 m，塔吊標準節(jié)將妨礙鋼結構施工，且塔吊基礎將與核心筒基礎重疊。若將塔吊位置向外移，夾角無法滿足。為保證鋼結構順利施工，確定塔吊附著鋼結構方案（塔吊距核心筒圓心14 m），可滿足塔吊基礎避讓核心筒基礎，標準節(jié)避讓鋼結構，附著桿張角45°至60°（圖2）。

圖2 塔吊平面布置示意

3.2 塔吊附著設計與優(yōu)化

3.2.1 滿足塔吊附著鋼結構節(jié)點優(yōu)化

經(jīng)塔吊選型分析，外附式塔吊較適合本工程，下一步需研究解決塔吊在外筒鋼結構上的連接附著難題。塔臺外斜交網(wǎng)架鋼結構在結構標高39.7 m以下部位，逆時針方向的鋼管柱內(nèi)灌C50微膨脹自密實混凝土，樓面標高處，斜交網(wǎng)格筒每層均設有環(huán)形梁，每隔六層網(wǎng)格采用水平連接支撐將混凝土與斜交網(wǎng)格筒連接，環(huán)形梁截面形式采用箱形截面，截面規(guī)格為500 mm×300 mm。在結構底部－0.40 m標高處外筒截面直徑為15.184 m，隨著塔身高度增加，結構截面開始收縮，在標高15.70 m處截面直徑收縮為13.643 m，之后隨高度增加，截面開始增大，最大處截面寬為19.706 m。核心筒外置鋼結構螺旋樓梯，自標高0 m至79.20 m環(huán)核心筒外墻蜿蜒而上，為一空間螺旋線。

針對塔臺特殊的鋼結構形式，項目部設計了此特殊附著節(jié)點構造（由于主管的壁厚到上部只有10 mm，無法承受附著桿外力（數(shù)字），做U形箍，將附著耳板固定到后方環(huán)梁上），對細部節(jié)點焊縫進行計算，與設計溝通增加肋板進行補強處理（圖3），此方案組織專家評審并通過。

圖3 塔吊附著節(jié)點BIM結構

3.2.2 滿足附著桿附加力的核心筒優(yōu)化

本工程塔臺主樓核心筒為直徑8 m的鋼筋混凝土圓筒，高度87.3 m，核心筒剪力墻厚度為250 mm和300 mm，混凝土外壁尺寸統(tǒng)一，直徑僅為8 m，長細比達到11，設計院對于給塔臺結構施加的外力有嚴格限制要求。若附著桿外力較大，將影響結構安全。經(jīng)研究分析確定了塔吊水平位置，及4道附著的方案，進行了4種附著狀態(tài)下的桿件受力計算，將正式計算結果提供給設計院。驗算中選取最不利的情況（即4道附著的情況）進行核心筒受力結構。統(tǒng)計得到各桿件作用在塔臺外網(wǎng)鋼結構上的力。

采用PMSAP-SPACECAD軟件進行驗算，塔吊荷載按活荷載考慮，以點荷載的方式施加在塔臺外網(wǎng)節(jié)點上。除此之外，考慮作用在塔臺上的風荷載為0.6 kN/m2，其余荷載及作用均按設計條件考慮。

在原設計中，塔臺地上部分內(nèi)部混凝土筒的混凝土強度等級均為C30，若按此條件復核，則塔臺底部地上1～3層范圍內(nèi)均存在受壓側剪力墻軸壓比超限的情況，最大軸壓比出現(xiàn)在地上1層，為0.59（軸壓比限值為0.5）。為保證施工安全并預留一定的安全余量，將塔臺地上1～4層內(nèi)筒混凝土強度均提高為C40，經(jīng)計算，能滿足設計要求。

3.2.3 外網(wǎng)-環(huán)梁節(jié)點優(yōu)化

外網(wǎng)沿整體結構高度布置，采用交叉鋼管斜柱形成菱形鋼網(wǎng)格。外側網(wǎng)架鋼管直徑統(tǒng)一均為350 mm，鋼管壁厚隨高度增加而遞減，底部鋼管壁厚為25 mm，頂部鋼管壁厚10 mm。樓面標高處，每層均設有環(huán)形梁與外側網(wǎng)架連接，環(huán)形梁截面形式采用箱形截面，截面規(guī)格為500 mm×300 mm。

環(huán)形梁與核心筒之間隔2層設有鋼連梁用以連接外側網(wǎng)架與內(nèi)側核心筒，保證外網(wǎng)的結構穩(wěn)定性，連梁截面采用箱形構造。在核心筒一側，提前在連梁圖紙標高位置處安置連梁埋件以固定連梁，連梁與核心筒及外側環(huán)形梁的連接采用鉸接處理，選用材質為40Cr的銷軸做連接。

外側鋼網(wǎng)架與環(huán)形鋼梁相連接，連接節(jié)點采用焊接形式，節(jié)點中心通過厚45 mm零件板將環(huán)形梁與外側網(wǎng)架連接，上下兩側通過厚18 mm鋼零件板連接（圖4）。同時為滿足現(xiàn)場塔吊附著要求，擬定在第4、7、10、14層指定2個外網(wǎng)-環(huán)梁節(jié)點內(nèi)部增加2塊內(nèi)隔板，以保證塔吊穩(wěn)定性。

圖4 外網(wǎng)與環(huán)梁連接節(jié)點

3.2.4 塔吊附著加工優(yōu)化

1）塔吊設置在鋼結構外側，鋼結構為雙曲造型，每個標高水平位置均有變化，每道附著根據(jù)至鋼外筒長度定制加工。施工開始階段因附著桿加工精度問題，廠家需待附著節(jié)點焊接完成后，現(xiàn)場測量桿件長度，方可加工，加工周期3 d以上，造成現(xiàn)場停工。后經(jīng)BIM模型定位此類桿件，與之前加工尺寸核對，加工精度滿足要求（30 cm調節(jié)長度）。附著桿提前加工，縮短了附著及頂升周期3 d。

2）施工中發(fā)現(xiàn)塔吊附著18 m間距，造成核心筒施工與鋼結構施工無法銜接，存在相互制約問題，在結構64.25 m位置增加臨時附著，塔吊進行頂升，為爬模創(chuàng)造工作面，解決塔吊高度影響爬模施工問題。

3.3 塔吊智能監(jiān)測

塔臺有嚴格的受力限制要求，為保證鋼結構及塔吊附著安全穩(wěn)定，實施受力監(jiān)測技術，實時監(jiān)控鋼結構及塔吊受力情況，保證受力在計算允許范圍內(nèi)。監(jiān)測不同條件下塔吊附著桿實際受力情況。為塔吊附著力及特殊結構鋼結構受力情況提供研究依據(jù)。

3.3.1 監(jiān)測內(nèi)容

塔臺工程共進行3道附著監(jiān)測，累計監(jiān)測點位22個。塔臺監(jiān)測起始時間為7月初，于11月底監(jiān)測結束，監(jiān)測時長累計5個月。本監(jiān)測采用弦式應變計、讀數(shù)儀、主分線、應變計保護裝置以及無線傳輸模塊、自動采集箱建立青島膠東國際機場塔臺管桁架結構的無線健康監(jiān)測系統(tǒng)。其中，弦式應變計共22支，測量桿件應變。

3.3.2 監(jiān)測結果

無線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測桿件應變和溫度，對管桁架結構的桿件應力監(jiān)測為施工提供了依據(jù)，保證了施工的安全。從各監(jiān)測點應變-應力及受力情況可以看出最大應力為3.17 MPa，桿件截面尺寸為500 mm×300 mm，得出承受力為95 kN，在鋼材允許承受力范圍內(nèi)，滿足要求?，F(xiàn)場利用GPRS無線網(wǎng)絡，采用無線傳輸模塊進行應力和變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸。

監(jiān)測最大應變不超過200 με，應力不超過41.2 MPa，最大應力比不超過0.12，滿足相關規(guī)范要求。監(jiān)測到的施工期間溫度在30 ℃左右，通過桿件溫度變化可以反映天氣溫度變化情況，同時也可反映整個結構的溫度分布情況。

本項目對青島膠東國際機場管桁架結構的應力和變形監(jiān)測，對于施工期間桿件結構的應力狀況進行了分析。本工程所有鋼材（除銷軸外）均采用Q345C鋼，外網(wǎng)格鋼管斜柱均采用Q345C高頻直縫焊管或無縫焊管。對青島膠東國際機場塔臺結構的應力和應變監(jiān)測中可看出該管桁架結構應力、應變與預先設計的比較吻合，在鋼材最大允許承受力及塔臺原設計單位受力驗算范圍內(nèi)，表明塔吊附著及結構安全。

3.4 外附式塔吊與外爬模架的協(xié)同施工

利用4D模擬軟件根據(jù)塔吊頂升運行方案、爬模施工方案、鋼結構吊裝方案模擬工程施工進度，并進行合理性分析，模擬發(fā)現(xiàn)塔吊運行后期核心筒施工與鋼結構施工無法銜接，存在相互制約的狀態(tài)，項目部決定在結構64.25 m位置增加臨時附著，塔吊進行頂升，為爬模創(chuàng)造工作面，解決了塔吊高度影響爬模施工的問題，節(jié)約了工期。

外爬模架體施工整體思路：本工程塔吊附著方案結合模架體系及鋼外筒施工方案，率先在高聳結構中使用外附塔吊與爬模進行配合施工。塔吊附著于鋼結構外筒水平鋼結構連梁位置，水平鋼結構連梁在標高64 m以下，設計垂直間距18 m，塔吊附著垂直間距也限定為18 m。本工程選用TC6015塔吊，附著以上獨立高度39 m。塔吊附著安裝時塔吊高度僅比附著高21 m，爬模架高度盡量低，爬模與鋼結構施工錯層為半層至一層，否則塔吊附著無法安裝。

本工程采用4層高12 m爬模架體，外附式塔吊，內(nèi)爬施工電梯，外附式塔吊進行鋼結構吊裝。通過塔吊頂升，爬模爬升，核心筒施工，內(nèi)爬施工電梯頂升，鋼結構外筒施工，塔吊附著安裝，塔吊頂升的循環(huán)順序進行鋼外筒-混凝土核心筒內(nèi)筒高聳結構的施工。通過高聳混凝土結構工序穿插配合，鋼外筒施工進度落后核心筒2層，進行同步施工，保證了高6 m標準層10 d內(nèi)完成3次混凝土澆筑。

4 結語

本工程將外附式塔吊應用在超高斜交網(wǎng)格混合結構塔臺中，施工質量良好，符合設計要求，并能按期完成施工計劃。在施工過程中解決了外附式塔吊在超高斜交網(wǎng)格混合結構塔臺中連接附著難、結構安全性要求高、與外爬模架協(xié)同施工相互制約等施工難題，對類似工程有重要的實踐指導意義，有助于城市地標性特色建筑的發(fā)展。