外爬塔吊作用下核心筒受力分析及加固措施

刘强 ，张剑 ，刘畅 ，潘春龙 ，王辉 ，张冬冬 ，陈思明

（1.深圳大学建筑设计研究院有限公司，广东 深圳 518060；2.中建三局集团有限公司东北分公司，沈阳 110000）

1 引言

超高层建筑中，钢筋混凝土核心筒的墙体厚度随着高度增加而逐渐减薄，施工期间，外爬塔吊（简称爬塔）附着于外墙上，如不对核心筒墙体的承载力进行施工阶段验算，将极有可能引起墙体裂缝，爬塔支座不稳固后，继而可能引发爬塔倒塌事故。另外，还需验算核心筒连梁在施工阶段的承载力，避免在此阶段就出现裂缝。本文重点关注爬塔支架反力作用下钢筋混凝土核心筒（墙肢和连梁）自身的承载力及加固问题，以及爬塔支架及埋件的设计、爬塔支架的反力等，由合作单位提供。

2 工程概况

沈阳环球金融中心位于沈阳市中心沈河区，T2 塔楼主体结构高度296.1m，幕墙顶点高度为328m。采用框架-核心筒体系，结构平面布置规则，框架柱均采用型钢混凝土，框架梁均采用钢筋混凝土，钢筋混凝土核心筒全高采用C60 混凝土，结构33 层以下的墙内设置型钢暗柱。

3 施工安排及问题的提出

根据爬塔的布置位置和爬升方案，按实际情况对核心筒进行受力计算分析。根据施工安排，本工程采用2 台外爬塔式起重机（见图1）。图1 左侧为M600D 塔吊，右侧为M760DX 塔吊，分别布置于田字格东西两侧靠北处。

根据施工方提供的塔吊爬升方案：核心筒采用爬模，外框采用爬架，核心筒领先外框及核心筒楼板施工最大19 层；需考虑混凝土龄期强度，要求下部支架处墙体强度达到100%，上部支架处墙体强度达到75%；外框7~10 层按照10d/层施工，11~49 层按照 7d/层施工，50 层~屋顶按照 3d/层施工，核心筒按照5d/层施工。

图1 爬塔平面布置及外墙受力简图

根据上述爬塔布置和爬升方案，核心筒墙体先于外框爬升较多楼层，爬塔支架附着处的相关楼板并未形成，爬塔上支架附着处墙体混凝土强度未达到设计强度，因此，未形成外框和楼板的筒体在爬塔作用下独自受力，有必要对核心筒的承载力进行复核。2 部爬塔偏置于靠北一侧，当同向作用时，北侧连梁承受较大面内弯矩，需采取保护措施。

4 加固原则和措施

剪力墙面内承载力往往较大，而面外承载力往往较弱，墙体厚度较大时尚可无需加强，但墙体减薄后，需根据分析和计算，明确加固原因，确定加固原则及对应措施。

4.1 墙厚≥1 000mm 时，无需任何加固

当墙厚≥1 000mm 时，剪力墙不设支撑，无需加固。

4.2 800mm≤墙厚≤900mm，仅连梁侧面配筋加强，不设支撑

加固原因：平行爬塔受力方向的2 片墙（面内受力，承载力很大）看作垂直爬塔受力方向墙体（面外受力）的支座，虽然墙体本身的面外承载力可以承担爬塔支架的作用力，无需设置支撑；但是，将2 片墙肢连在一起的连梁，将产生较大的面外弯矩，而连梁本身的面外承载力较弱，需加强其面外承载力。

加固原则及对应措施：不设置支撑，但爬塔支架附着处上下一定范围的核心筒连梁需要配置抵抗面外弯矩的纵向钢筋，在连梁两侧设置1~5 根25mm 钢筋。

4.3 墙厚≤700mm 时，设置支撑，且连梁侧面配筋加强

加固原因：墙体自身无法抵抗面外荷载作用，需将部分面外作用力传递到其他墙肢上；连梁仍受一定面外力，需加强其面外承载力。

加固原则及对应措施：设置支撑，撑杆采用Q345B 空心圆管（40mm×2mm×16mm），将爬塔支架主梁及斜撑处垂直墙面的荷载，通过撑杆传递到T 型墙肢连接处；连梁面外抗弯附加钢筋根据电算确定，在连梁两侧设置1~5 根25mm 钢筋。

4.4 墙厚≤500mm 时，与水平撑对应的墙角加临时钢板腋

加固原因：水平撑垂直墙面的支反力大于外墙抗冲切承载力，外墙有被水平斜撑冲坏或埋件被拔出的可能，需将部分内力就近传到相交墙上。

加固原则及对应措施：水平撑支反力就近传递，但需避开暗柱区设置埋件，2 埋件通过钢板连接，共同受力。

4.5 墙厚≤500mm 时，面内受力连梁的保护措施

加固原因：2 部爬塔分别附着于核心筒田字格东西侧靠北处，当墙体减薄后，北侧墙体面内侧向变形较大，墙间连梁是1根两端固定的单跨梁，最不利情况下，相同标高处支座反力同向时，核心筒受剪切作用，墙肢发生侧向变形，连梁固端产生转角，则连梁产生较大弯曲变形。连梁原有配筋不足以承担相应的弯矩，如不采取保护措施，连梁纵筋屈服后，原结构设计遭破坏。

加固原则：不能允许连梁在施工阶段发生纵筋屈服，因为纵筋屈服后的弹性模量远小于初始弹性模量，地震作用下连梁无法起到预定的耗能效果；也不能因施工阶段而增加连梁纵筋，如连梁超筋，地震作用下仍然不能起到预定的耗能效果，因此，必须采取临时性的保护措施。这些保护措施需要保证原设计的连梁在爬塔作用下不受力或者少受力，而且要求构造简单，便于施工，易于撤除。

分析比较了多种连梁保护措施：（1）将连梁洞口进行临时封堵，采用X 撑传递洞口间剪力，对受力较大处，支撑间还设置钢板。（2）连梁上下加高，原设计连梁作为梁的中间部分，施工状态下连梁上下加高部分的配筋作为受力筋，爬塔拆去后割断加高部分的纵筋。其中，上下层连梁必须与中间层连梁共同浇筑，否则起不到协同工作效果，中间连梁得不到保护。（3）连梁顶底贴钢板，钢板相当于增加连梁配筋，但受力钢板必须有效锚固于墙体内。（4）连梁侧面贴钢板：钢板上下边缘伸出连梁一定距离，使原有连梁居于这种两侧夹钢板的组合连梁的中部，尽量由钢板抗弯；钢板外侧加焊角钢，防止板件面外失稳；钢板四角布置通长对拉高强螺杆，采用8.8 级M16 摩擦型高强螺栓，钢板可兼作对应区域的混凝土模板。

比较上述4 种措施，洞口封堵的效率最好，但制作、安装支撑杆件及埋件费工费时，而且埋件与暗柱或连梁内配筋会有冲突；连梁顶底贴钢板，钢板需有效锚入两侧墙体内，安装麻烦；连梁侧面贴钢板效率较低，虽然通过合理设计可有效保护连梁，但给爬模施工的模板工程带来麻烦；最终选择连梁临时加高方案，制定切割缝施工做法，后期割断临时加高部分的受力筋。

5 计算过程及结果介绍

采用Midas Gen 进行有限元分析，并结合概念判断及必要的手算复核。计算内容主要为：（1）核心筒的整体变形和位移；（2）墙体的抗拉压、抗剪、抗弯和抗冲切承载力；（3）连梁的抗剪和抗弯承载力；（4）支撑的强度和稳定验算。

5.1 有限元模型介绍

墙体采用壳单元（效率高于块单元，便于多模型、多工况分析），壳单元尺寸为0.4m 左右，加支架反力处局部加密至0.2m 左右，墙内型钢采用梁单元，梁单元节点与壳单元节点对应，支撑采用梁单元。

计算模型仅考虑还未形成外框架和楼板的筒体墙，选取下支架以下不少于5 层的位置作为模型的嵌固端，相当于根部嵌固的悬臂核心筒。

除结构自重外，考虑爬塔支架荷载（主要作用）和墙上风荷载（影响不大）。爬塔支架反力为已考虑动力作用的荷载设计值，按节点荷载施加于墙体壳元的节点上，节点数根据预埋件的尺寸和壳元的尺寸确定。混凝土的材料强度按实际龄期考虑。

5.2 结构变形验算

计算结果表明，爬塔同向作用时，最后一次爬升后，北侧外墙水平位移最大，整体水平位移满足变形要求。

5.3 支撑结构设计

5.3.1 杆件的截面设计和验算

墙厚≤700mm 时需设置支撑，支撑设计要点为：（1）通过钢管将爬塔支架垂直墙面的作用力直接传递到对面两向墙肢正向相交的墙肢交点处，撑杆与墙体法线夹角为13°~15°，将墙体面外力转化为面内力；（2）钢管支撑与埋件间采用销轴连接，钢管端部按铰接考虑；（3）圆管支撑计算长度系数取1.0，圆管截面 402mm×16mm，最大长细比为 λ=79≤150，满足要求【1】。

每部爬塔工作时，上下支架主梁和斜撑根部各对应2 根支撑，加上为下次爬升而预装的支撑，2 部爬塔共需20 根钢管循环利用。

墙最薄时（墙厚=400mm），面外承载力较低，是撑杆最不利受力情况，将爬塔支架的支座反力直接作用在撑杆的端节点上，考虑两部爬塔作用力同向或反向时的工况，其中，支座反力为已考虑动力作用的荷载设计值，按等效静荷载进行静力计算。

5.3.2 连接件计算

撑杆与埋件间采用销轴连接，销轴与耳板地面对接，吊装就位后耳板现场焊于埋件上。销轴选用Q345B 钢材，销轴直径120mm，撑杆双耳板，厚度2×40mm，埋件单耳板，厚度80mm。验算内容包括：销轴的承压、抗剪、抗弯、弯剪组合强度，销轴孔的净截面抗拉强度，耳板端部抗拉（劈开）强度验算，耳板抗剪强度。

5.3.3 埋件设计

埋件设计时，由墙体的冲切承载力确定锚板尺寸，并采用短钢梁代替锚筋，使得与爬塔支架自身的埋件形式一致，需要注意的是，支撑杆与爬塔支架共用一个埋件时，需在埋件中部设置能够直接传递大部分作用力的钢板。

5.4 墙体承载力验算

上支架处墙体的混凝土强度达到下支架的75%，而上支架的支座反力不到下支架的一半，其他条件都相同的情况下，可判断下支架处墙体受力更不利【2】。

验算情况包括：不加支撑的最小墙厚800mm 及加支撑的最小墙厚400mm 时，墙体的抗剪和抗弯承载力，墙体混凝土应力。

5.5 连梁抗剪及面外抗弯承载力验算

连梁抗剪和面外抗弯问题主要由两端墙体的变形差引起，可根据电算结果提取内力验算是否小于对应抗力。验算面外抗弯承载力时，可考虑连梁侧面钢筋及部分纵筋，根据双筋矩形截面进行验算。

6 主要结论

参考文献【3】介绍了爬塔支架的设计及内力计算，是本文进行核心筒受力复核的前提条件；参考文献【4】进一步给出了墙体加固，但项目各有特点，国内此类文献较少。本文将爬塔支架的作用力直接用于核心筒复核，重点关注核心筒结构本身的承载力问题，给出了验算方法、加固原则和措施：

（1）墙体较厚时，连梁截面也较大，可不予处理，但墙厚≤800~900mm 时，应根据爬塔支架与连梁的关系，复核连梁是否满足面外受弯；（2）墙厚≤700~800mm 时，应根据项目特点验算是否需要设置支撑，支撑应将外墙的面外力就近转移到能面内受力的墙肢上；（3）墙厚较薄时，需注意支点埋件的冲切承载力，避免埋件冲坏或拔出；（4）墙厚较薄时，还需注意不利工况下核心筒的整体变形，关注墙肢间的薄弱构件——连梁，如不满足承载力要求，应采取施工阶段的保护措施。

施工过程中，现场观察核心筒无明显裂缝，说明验算成果及加固措施满足要求，切实可行。