外爬式动臂塔吊可周转牛腿组件设计与应用

田喜胜 文方仁 王 军 廖 继

中建三局第三建设工程有限责任公司 湖北 武汉 430074

1 技术背景

目前建筑施工中大型机械设备通常使用混凝土预埋件作为承力结构，这种承力结构由锚筋、锚板与耳板或牛腿焊接而成，其中锚筋、锚板预埋在混凝土中，牛腿或耳板与预埋板焊接后作为承力连接件[1-3]。然而这种承力结构由于其锚筋、锚板预埋在混凝土结构中，无法取出周转使用，增加了施工成本；而且其焊接工序较多，焊接周期较长，影响工期，焊接质量也难以保证，焊接过程中不可避免地产生废物、废气，污染环境。

以重庆万科超高层二、三期项目为例，项目主塔楼采用3台动臂塔吊，2台为内爬式动臂塔吊，1台为外爬式动臂塔吊，项目针对外爬式动臂塔吊爬升焊接安装传统牛腿等问题，采用了一种可周转预埋组件，简称“可周转牛腿组件”。该牛腿组件具有可周转使用、施工高效且污染小等特点，已成功应用在重庆万科超高层二、三期项目外爬式动臂塔吊上。

2 可周转组件设计说明

M440F外爬塔吊传统支撑系统如图1所示。使用锚筋＋锚板形式预埋，外部连接件采用全焊接方式连接，塔吊标准节与箱梁通过C形框进行连接，主梁和水平斜撑处于同一平面。

图1 M440F传统支撑架（俯视）

针对M440F支撑架形式，设计一种可周转混凝土预埋件及外部调节机构，整体包括主梁附着件、水平斜撑附着件及竖向斜撑附着件等（图2），附着件由可取出预埋件及连接件组成，其中可取出预埋件由预埋螺杆、抗冲切板及定位板组成（图3）。

图2 可周转混凝土附着件

图3 附着件组成

改变锚筋形式设计了一种螺旋式混凝土预埋螺杆（图4、图5），混凝土浇筑前埋设在墙体内，既能满足外部连接附着件受力要求，又具有可拆卸周转使用的性能，预埋形式不会对其附着的墙体造成结构影响，亦不会对后期施工造成影响。

图4 预埋螺杆示意

图5 预埋螺杆实物

2.1 可取出预埋螺杆设计

预埋螺杆采用类似于自攻螺杆的外形，总长501 mm，最大外径为98 mm，内螺纹规格M56，螺距5.5 mm国标粗牙，材质为42CrMo，调质10.9级。

为最大限度承受外部水平载荷，预埋螺杆大螺纹段应尽量深入混凝土内部，但整个长度需小于剪力墙厚度。

2.2 连接螺杆设计

连接螺杆用于连接外部的（双耳）连接件和预埋螺杆，外部连接件承受的荷载通过连接螺杆传递至预埋螺杆。连接螺杆螺纹规格为M56，螺距5.5 mm，材质为42CrMo，调质10.9级。

2.3 混凝土结构附着件设计

对外部附着件进行建模分析，三维模型为Pro/E5.0Creo实体建模，导出.igs格式，再导入到ABAQUS 6.12.3作为分析模型。定义材料为Q390B，弹性模量为2.1 GPa，泊松比为0.3。

计算结果表明，预埋螺杆及3种形式的附着件受力满足承载要求，并根据现场混凝土墙体施工实际情况，设计试验方案。

3 现场应用

外爬式动臂塔吊可周转组件于重庆万科超高层二、三期项目首次使用，安装流程简易快捷。使用可周转预埋组件代替传统外爬式动臂塔吊预埋钢筋锚板，每套支撑架安装可节省工期约5 h，安装效率提高了2倍以上，同时，推动了可周转预埋组件在外爬式动臂塔吊中的应用。

3.1 施工工艺流程

主塔楼采用“造楼机”进行主体结构的修建，“造楼机”采用大钢模作为主体施工模板，大钢模具有“一层满配、一模到底”的特点，项目针对新型爬模提出新型的安装技术。

可周转附着件安装施工流程为：定位放线→钢筋绑扎→模架提升→预埋件组装与包裹→预埋件安装→混凝土浇筑→拆模、养护→预埋质量检测→牛腿安装→支撑架安装。

3.2 安装关键技术

3.2.1 定位放线与钢筋绑扎

预埋件的测量定位控制线必须单独设置，各个埋件的控制线从结构控制轴线单独引测。预埋件在安装前做好中心定位标记，便于安装时的测量校正。

一般情况下暗柱区域竖向钢筋及箍筋较密，钢筋绑扎时，竖向钢筋应避开埋件螺杆位置。如图6所示，横竖红线交点为螺杆预埋中心位置。

图6 螺杆预埋定位

3.2.2 模架提升

提升顶模架系统，将模板提升至预埋位置，合模后通过钢模上预留的螺杆孔洞固定预埋螺杆（图7、图8）。

图7 钢模深化预留孔

图8 现场预留孔

3.2.3 预埋件组装

将预埋螺杆与定位板通过锁紧螺帽固定，用黄油等具有润滑隔离作用的材料涂抹螺杆，并用保鲜膜或热缩膜包裹，防止螺杆被混凝土污染，便于螺杆取出（图9）。

图9 可取出预埋件塑料薄膜包裹

3.2.4 预埋件安装

通过钢模上深化的螺杆孔洞安装预埋螺杆，螺杆位置调整完毕后将整块组件用螺钉固定在钢模上，即为完成1根螺杆安装。

3.2.5 混凝土施工及拆模

混凝土施工中的具体要求如下：

1）混凝土不得直接在可取出预埋件上方进行浇筑，且不得一次浇筑大量混凝土，以免混凝土的冲击力造成预埋件偏移。混凝土需从距离埋件30～40 cm处，由振捣棒引至埋件处。

2）混凝土振捣时，振捣棒注意避开预埋螺杆及预埋板，振捣时需小心谨慎，边振捣边观察预埋件，及时校正预埋件的位置，保证不产生过大位移。

3）混凝土振捣时间控制在20～30s ，不得漏振、少振或过振。混凝土初凝前做二次振捣，保证混凝土浇筑质量。

4）混凝土成形后，需加强混凝土的养护，防止混凝土干缩变形引起的预埋件内空鼓。

拆模后及时对混凝土外观及预埋件进行检查。重点检查混凝土与埋板结合部位，混凝土是否有空鼓、开裂、蜂窝、返砂等影响埋件受力的质量缺陷。

3.2.6 主梁、竖向斜撑牛腿组件安装

可周转组件使用可焊接承力面板，面板使用连接螺杆固定在预埋螺栓上。安装面板前需使用止旋板固定水平位置的2根螺杆，防止对预埋螺杆产生扰动而影响受力状态；面板安装完毕后使用扭矩扳手对连接螺杆进行初拧，单块面板完成初拧后调节扭矩扳手力矩完成终拧；螺杆终拧结束后在螺杆及面板上画一条辅助线供后期巡查对比，发现螺杆松动应及时进行复拧。

3.2.7 水平斜撑牛腿组件安装

针对外爬式动臂塔吊可周转组件，设计了一种应用于外爬式动臂塔吊可周转支撑结构的可调丝杆机构，调节范围在0～10 cm，可满足各类支撑架的使用长度。安装方法如下：

1）根据支撑架预先调节水平斜撑长度。

2）安装承力牛腿组件。

3）水平斜撑安装。

4 结语

本文对可取出混凝土预埋螺杆和外附连接件组合而成的混凝土结构附着件进行了分析，该附着件结构形式合理，受力可靠，通过现场安装得出以下结论：

1）相较于传统的锚筋锚板形式，该混凝土结构附着件具有完全可取出的优势，实现了预埋件的全部周转使用，节约了成本。

2）通过现场安装测算，一套可周转附着件的安装时间为5 h，传统牛腿的焊接时间为10～12 h，安装效率提高2倍以上，降低劳动力投入，节约成本。

3）外附连接件采用螺杆进行组装，无需焊接和氧割作业，节约了大量焊接劳动力，避免了焊接缺陷可能引发的安全风险，实现了绿色、高效施工。

4）通过经济测算，与传统焊接式牛腿相比，可周转牛腿组件节约成本高达58%，经济效益显著。