一种新型内爬塔吊承重梁的设计与应用_段博.pdf

20231Building Construction100一种新型内爬塔吊承重梁的设计与应用段 博 马天雨 韩 君上海建工四建集团有限公司 上海 201103摘要：提出了一种新型的内爬塔吊承重梁的结构设计，一端通过无焊接的牛腿与墙体连接，另一端通过销轴和耳板与墙体连接。新型承重梁造成的主体结构面外弯矩更小，可使结构钢筋用量大幅降低，且施工过程中减少了焊接和切割工作量，大幅缩短了塔吊爬升前准备的时间，具有更好的效益和更大的推广前景。关键词：内爬塔吊；承重梁；受力分析；结构加固中图分类号：TU20 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)01-0100-04 DOI：10.14144/ki.jzsg.2023.01.026Design and Application of a New Type of Bearing Beam for Internal Climbing Tower CraneDUAN Bo MA Tianyu HAN JunShanghai Construction No.4(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 201103,ChinaAbstract:A new structural design of the bearing beam for the internal climbing tower crane is proposed.One end is connected to the wall through a non-welded corbel,and the other end is connected to the wall through a pin shaft and a lug pad.The bending moment outside the main structure plane caused by the new bearing beam is smaller,which can greatly reduce the amount of structural reinforcement,reduce the welding and cutting workload in the construction process,and greatly shorten the preparation time before the tower crane climbing,which has better benefits and greater promotion prospects.Keywords:internal climbing tower crane;load bearing beam;force analysis;structural reinforcement接触面焊接接触面焊接侧向限位板侧向限位板牛腿牛腿（a）立面（b）A-A剖面AA承重梁承重梁图1 传统承重梁1）若将承重梁与牛腿之间的作用力视为集中力和一个集中弯矩，则集中力的竖向分力与墙面之间的距离较大，竖向分力对墙体造成的面外弯矩较大。同时，由于承重梁与牛腿之间焊接连接，承重梁端部的集中弯矩也会通过牛腿传递至墙体。通常核心筒上部的剪力墙厚度较小、配筋较少，结构设计不考虑塔吊附着产生的荷载，造成墙体面外抗弯承载力不能满足塔吊附着的要求。有些工程案例中，为减小附着点墙体面外弯矩，在墙体上增加了洞口，承重梁搁置在洞口中，使得集中力通过墙体中线，减小面外弯矩3-4，但后期洞口封堵将花费较大成本并且对墙内爬塔吊常用于超高层建筑工程中，通过内爬支撑架附着在已施工的核心筒剪力墙上，并通过爬升设备沿结构向上爬升。由于塔身标准节数量固定，无须因为结构增高而增加，所以具有较好的经济效益。内爬塔吊工作时，需安装2层内爬支撑架，2层内爬支撑架共同承担塔吊荷载。塔吊爬升前，还需安装第3层内爬支撑架，即预备内爬支撑架。塔吊爬升后，预备内爬支撑架成为新的上层内爬支撑架，而原上层内爬支撑架成为新的下层内爬支撑架，原下层内爬支撑架在下次爬升前拆除并吊运至最上层成为新的预备内爬支撑架，以此循环。塔吊内爬支撑架由“C”形框和承重梁组成，C形框在承重梁的上部，塔吊荷载通过C形框传递至承重梁，再由承重梁传递至主体结构。传统承重梁的两端与主体结构之间的连接采用牛腿形式1-2（图1），承重梁两侧有侧向限位板，安装承重梁时，承重梁底部与牛腿焊接，牛腿与预埋件焊接；拆除承重梁时，需将承重梁与牛腿之间的焊缝割除。这种做法会产生以下问题：作者简介：段 博（1984），男，硕士，高级工程师。通信地址：上海市闵行区桂林路928号（201103）。电子邮箱：收稿日期：2022-10-27建筑设计ARCHITECTURAL DESIGN建筑施工第45卷第1期101体观感质量造成影响。2）安装承重梁时焊接工作量较大，拆除承重梁时火焰切割工作量也较大，造成塔吊爬升前的准备时间较长。受最小工作半径限制，塔吊吊钩无法完成自身内爬支撑架的安装5，所以进行以上工作时，需2台塔吊同时退出工作，从而对工期产生较大影响。3）反复焊接和切割造成的承重梁局部母材脆性增加、焊接质量较差等问题难以避免，塔吊安全存在隐患。为解决以上问题，本文提出了一种新型内爬塔吊承重梁的设计方案及其应用方法。1 新型内爬塔吊承重梁设计1.1 结构构造新型承重梁的一端通过牛腿与建筑结构连接，但与传统牛腿不同，承重梁与牛腿不焊接，牛腿上有侧向限位板，限制承重梁的侧移，承重梁顶部被压顶板压紧，压顶板与牛腿之间通过8.8级高强螺杆拉结。牛腿不限制承重梁的轴向移动，连接方式可视为滑动铰支座。新型承重梁另一端通过耳板和销轴与建筑结构连接，销轴限制梁端所有方向的平动，但不限制平面内的转动，连接方式可视为固定铰支座。耳板两侧有加劲板，一方面可以增加耳板的侧向稳定性，另一方面也可减小耳板焊接后冷却产生的变形。承重梁、牛腿、耳板、加劲板均采用Q355B钢，销轴采用42CrMo钢，调质260300 HB，表面镀锌，具有良好的综合机械性能（图2）。（a）立面（b）A-A剖面承重梁滑移接触面耳板1耳板2耳板1耳板2侧向限位板侧向限位板压顶板牛腿牛腿螺杆销轴AA承重梁压顶板螺杆销轴图2 新型承重梁设计1.2 安装方法传统的承重梁在安装时，先将两端的牛腿与预埋件焊接，再将承重梁吊装至牛腿上。由于牛腿上的承托面较大，承重梁可以二次调整，直至满足塔吊爬升的安装精度再将牛腿和承重梁焊接。但新型承重梁的销轴与耳板之间是紧密连接的，无法进行二次调整，所以要求耳板的焊接必须精准，若采用先焊接耳板再安装承重梁，则定位难度极大。为解决此问题，设计了临时支架用于临时搁置承重梁的销轴端，如图3所示。临时支架由2块竖板、1块水平板和2块肋板组成，临时支架焊接在预埋板上，临时支架的水平板上表面与承重梁端板的下表面平齐。当承重梁搁置在临时支架上时，耳板2与预埋件暂不焊接，将承重梁在临时支架上调整到位后再将耳板2和预埋件焊接。耳板1耳板2预埋件承重梁端板临时支架（a）立面（b）侧视（c）顶视图3 临时支架新型承重梁安装步骤如下：牛腿、临时支架和预埋件焊接将2根承重梁临时搁置在牛腿和临时支架上，将耳板2通过销轴和承重梁连接，调整承重梁的位置将C形框吊放在2根承重梁上二次调整承重梁和C形框的位置，使之满足塔吊附着的精度要求，将承重梁和C形框用螺栓连接焊接牛腿上的侧向限位板、连接压顶板，并将耳板2与预埋件焊接拆除临时支架。1.3 拆除方法用另一台塔吊吊住承重梁后，将牛腿端的压顶板螺杆拆除，将销轴端的销轴拔出，即可将承重梁拆除，并倒运至上部，进行下一次爬升前的准备工作。拆除过程无焊接和切割作业。2 新型内爬塔吊承重梁应用效果评价2.1 结构受力分析塔吊基础反力中竖向力V全部由下层内爬支撑架承担，而水平力和倾覆弯矩由上下两层内爬支撑架共同承担并形成方向相反的水平力。其中，上层水平力记为Ho，下层内爬支撑架水平力为Hv，荷载方向如图4所示。由于其中塔吊荷载引起的结构最不利内力是在下层内爬支撑架的附着点处，因此本文仅对下层内爬支撑架的受力进行研究。为对比采用传统承重梁和新型承重梁的下层内爬支撑架造成的墙体面外弯矩，通过有限元软件Midas Gen建模分析。假设承重梁一端附着在核心筒的外墙，厚度为500 mm，另一端附着在核心筒内墙，厚度为300 mm，墙体宽度均为4 m，墙体之间距离为7 m，墙体混凝土强度等段博、马天雨、韩君:一种新型内爬塔吊承重梁的设计与应用20231Building Construction102级为C50。其中，剪力墙采用薄板单元，单元网格密度为0.5 m0.5 m，附着点附近0.2 m0.2 m；承重梁采用梁单元，单元长度为0.51.0 m；销轴和牛腿采用实体单元。由于销轴和牛腿与预埋件组成的整体刚度较大，故将其简化为长方体，对计算结果的影响较小，长方体宽和高均为1 m。在牛腿端，长方体长度为承重梁集中力作用点到墙体中面的距离；在销轴端，长方体长度为销轴轴心到墙体中面的距离。长方体的网格密度为0.25 m0.25 m0.25 m。上层内爬支撑下层内爬支撑预备内爬支撑整体提升钢模架体系图4 核心筒施工立面示意由于传统承重梁与牛腿连接为刚接，而实体单元缺少转动自由度，所以需定义刚性连接将梁端节点与长方体外表面节点的3个平动自由度关联。对于新型承重梁的牛腿端，通过释放梁端轴向平动自由度，实现滑动铰支座。由于水平力可以是水平面内任意方向的，故选择8个典型方向进行计算。承重梁上施加塔吊的重力以及8个方向的水平力，如图5所示，重力分别与不同方向的水平力进行组合，形成8种不同的荷载组合。恒载组合系数取1.3，水平力组合系数取1.5，计算得到墙体面外弯矩包络值，如图6所示，将2个方向的面外弯矩数值汇总于表1，面外弯矩的方向如图7所示。可以看出，采用新型承重梁后，塔吊荷载造成的墙体2个方向的面外弯矩大幅减小，减小比例为45%64%，使得结构更加安全。2.2 结构加固成本分析根据表1的计算结果，可以得到使墙体承载力和裂缝宽度满足规范要求的核心筒最小配筋规格并汇总于表2。通常（a）施加竖向力（b）施加水平力图5 有限元模型建立（a）传统型承重梁（b）新型承重梁图6 有限元模型结果zxMxMyy图7 墙体受力方向示意表1 采用不同承重梁时墙体内力对比承重梁外墙内墙面外弯矩Mx/（kNm/m）面外弯矩My/（kNm/m）面外弯矩Mx/（kNm/m）面外弯矩My/（kNm/m）传统型332238170143新型185869267墙体加固水平方向的范围为墙体宽度，竖向范围为附着点上下各1层，假设层高为4.5 m，则每个附着点附近墙体的加固范围为宽4 m，高9 m。将采用2种承重梁时每层剪力墙钢筋用量统计于表2，可以看出采用新型承重梁后每层剪力墙所需的钢筋用量大幅减小，减小比例约52%，大幅减少了加固成本。表2 采用不同承重梁时墙体配筋对比承重梁外墙配筋/mm内墙配筋/mm钢筋用量/kg竖向钢筋水平钢筋竖向钢筋水平钢筋传统型221502020018200162003607新型161501217512175101751742段博、马天雨、韩君:一种新型内爬塔吊承重梁的设计与应用建筑施工第45卷第1期1032.3 施工效率分析塔吊爬升前准备工作分为：拆除下层内爬支撑架，提升内爬支撑架，安装预备内爬支撑架。由于提升内爬支撑架的工作内容不受承重梁类型的影响，故将其余2个工作步骤的工作时间进行对比，如表3所示，从中可以看出，当采用传统承重梁时，塔吊爬升前拆除和安装内爬支撑架的工作时间为14 h，而采用新型内爬支撑架后，工作时间为8 h，缩短了约43%，大幅减少了塔吊爬升前准备工作对主体结构施工的影响。表3 采用不同承重梁时塔吊爬升前准备工作时间对比工作步骤传统承重梁新型承重梁工作内容工作时间/h工作内容工作时间/h拆除下层内爬支撑架切割4个承重梁与牛腿之间的焊缝4拆除4个螺栓和2个销轴1安装预备内爬支撑架焊接4个牛腿8焊接2个牛腿、2个耳板和2个临时支架6焊接4个承