外附式塔吊在超高斜交網格混合結構塔臺中的研究與應用

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，青島綜合交通中心及停車樓工程中南部，高鐵地鐵穿越區西側。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-鋼筋混凝土剪力墻內筒結構，塔臺結構采用的斜交網格外網沿整體結構高度布置，采用交叉鋼管斜柱形成菱形鋼網格，其網格結構為“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。環境復雜，結構特殊，內爬式塔吊、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定，監控塔吊及結構的受力及穩定情況是重點。

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作、相互制約的工作關系，保證核心筒與外斜交網架施工有條不紊[1-2]。

3 施工要點

3.1 外附式塔吊方案選擇和優化研究

3.1.1 垂直起重機械方案的比選

1）內爬塔吊：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 塔吊附著設計與優化

3.2.1 滿足塔吊附著鋼結構節點優化

經塔吊選型分析，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灌C50微膨脹自密實混凝土，樓面標高處，斜交網格筒每層均設有環形梁，每隔六層網格采用水平連接支撐將混凝土與斜交網格筒連接，環形梁截面形式采用箱形截面，截面規格為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（數字），做U形箍，將附著耳板固定到后方環梁上），對細部節點焊縫進行計算，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 塔吊附著節點BIM結構

3.2.2 滿足附著桿附加力的核心筒優化

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。統計得到各桿件作用在塔臺外網鋼結構上的力。

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節點上。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層范圍內均存在受壓側剪力墻軸壓比超限的情況，最大軸壓比出現在地上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層內筒混凝土強度均提高為C40，經計算，能滿足設計要求。

3.2.3 外網-環梁節點優化

外網沿整體結構高度布置，采用交叉鋼管斜柱形成菱形鋼網格。外側網架鋼管直徑統一均為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，每層均設有環形梁與外側網架連接，環形梁截面形式采用箱形截面，截面規格為500 mm×300 mm。

環形梁與核心筒之間隔2層設有鋼連梁用以連接外側網架與內側核心筒，保證外網的結構穩定性，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。

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

圖4 外網與環梁連接節點

3.2.4 塔吊附著加工優化

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，廠家需待附著節點焊接完成后，現場測量桿件長度，方可加工，加工周期3 d以上，造成現場停工。后經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）施工中發現塔吊附著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定，實施受力監測技術，實時監控鋼結構及塔吊受力情況，保證受力在計算允許范圍內。監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。

3.3.1 監測內容

塔臺工程共進行3道附著監測，累計監測點位22個。塔臺監測起始時間為7月初，于11月底監測結束，監測時長累計5個月。本監測采用弦式應變計、讀數儀、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測系統。其中，弦式應變計共22支，測量桿件應變。

3.3.2 監測結果

無線監測系統監測桿件應變和溫度，對管桁架結構的桿件應力監測為施工提供了依據，保證了施工的安全。從各監測點應變-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，滿足要求?，F場利用GPRS無線網絡，采用無線傳輸模塊進行應力和變形監測數據的傳輸。

監測最大應變不超過200 με，應力不超過41.2 MPa，最大應力比不超過0.12，滿足相關規范要求。監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，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同施工

利用4D模擬軟件根據塔吊頂升運行方案、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，模擬發現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，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，為爬模創造工作面，解決了塔吊高度影響爬模施工的問題，節約了工期。

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，塔吊頂升的循環順序進行鋼外筒-混凝土核心筒內筒高聳結構的施工。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展。