超高层C形剪力墙外挂塔式起重机受力及抗台风模拟分析*

唐永军，王 岩，巴盼锋，徐汇宾

(北京建工四建工程建设有限公司，北京 100075)

0 引言

动臂塔式起重机是超高层建筑施工的重要机械，是影响超高层施工进度的关键。随着建筑高度增加，结构截面逐渐变小、顶部操作面积减小以及台风等不利因素影响加大，动臂塔式起重机的安全逐渐成为技术难题，为此研究动臂塔式起重机滑移技术与超高层建筑顶部塔式起重机迂廻平台[1]。

1 工程概况

海口塔项目用地面积34 293m2，总建筑面积387 669m2。场地内拟建超高层5A级办公楼和商业裙房，塔楼94层，屋面高度428m，主要为5A级写字楼。结构形式为劲钢核心筒+巨型钢管混凝土外框柱结构，其中68层以上布设巨型中庭，核心筒结构形式由九宫格转变为4片厚度为600mm的C形剪力墙，如图1所示，混凝土强度等级为C60。

图1 C形剪力墙

项目68层之上拟采用2台ZSL1250动臂塔式起重机进行施工，根据施工方案，对动臂塔式起重机进行受力计算，包括塔式起重机对承重托架的受力影响，复核塔式起重机旋转过程中不利工况的受力。最后通过有限元软件ANSYS建立C形墙核心筒有限元模型，把不利工况下的受力施加到结构墙体上，塔式起重机外挂如图2所示。

图2 塔式起重机外挂示意

2 有限元建模

采用有限元软件ANSYS进行受力复核，由于整体结构受力只考虑弹性阶段，不考虑塑性阶段，所以整体建模均采用理想弹塑性材料，钢材弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3。混凝土强度等级为C60，弹性模量为3.6×104MPa，泊松比为0.167。梁柱使用Beam188单元，型钢暗撑剪力墙为Shell181单元[2]。综合施工进度，考虑剪力墙上部结构自重荷载，均等效为竖向轴力进行施加。

施工过程中顶部拟用的ZSL1250塔式起重机均使用外挂形式，随着墙体升高，墙体厚度越来越薄，经查图纸发现，在塔式起重机最后一次使用的固定位置，型钢暗撑剪力墙厚度仅600mm，4片剪力墙围成的部分中空设置电梯，综合分析，最不利工况为单片剪力墙单独受力外挂ZSL1250塔式起重机。有限元模型如图3所示。

图3 有限元模型

由于塔式起重机2层固定跨度为4个楼层，所以建立4层结构计算模型，塔式起重机支撑托架与结构间均采用铰支座，可以转动。进行有限元模拟时，对底部加载点的3个方向施加荷载，不考虑弯矩带来的影响，竖向荷载加载点直接施加到型钢暗撑上。

3 塔式起重机不利工况结果分析

3.1 动臂塔式起重机不利工况计算

动臂塔式起重机可360°旋转，塔身下部设置顶升节，顶升节通过支撑爪与钢梁托架相连，托架四周通过顶块与塔式起重机节固定，并与结构采用固定支座相连，释放多向自由度，且塔式起重机成爪通过上下2道支撑托架，只对2个边梁产生竖向压力，而非四周受力，且受力仅受压力不受拉力，外挂形式的动臂塔式起重机支撑柱不允许任何形式的拉力存在。依据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》，塔式起重机动力荷载安全系数取1.4[3]，塔机自重安全系数取1.2。由于厂家提供的结构反力表中未含任何安全系数，故有限元模拟分析塔式起重机工作中产生的最大荷载为1.35G+1.4L(G为自重荷载，L为塔式起重机动荷载)，最终不利工况如图4所示。塔式起重机托架系统中，主梁截面为□450×1 100×40×30/Q345B，水平杆为φ351×12/20，下压杆为φ377×16/20，连梁为φ159×10/20，支撑框为H400×428×35×20/Q345B。

图4 塔式起重机简化后的受力形式

3.2 动臂塔式起重机受力分析结果

通过有限元模型计算分析塔式起重机的8个工况，得到结构受力及变形大小，如表1所示。

结合分析结果可以发现，最大等效应力为工况3，托架最大应力为151.1MPa；最大等效位移工况7为14.39mm，结构受力和变形均符合设计要求。部分工况分析云图如图5所示。

表1 结构受力及变形

图5 塔式起重机支撑系统受力云图

3.3 C形剪力墙体受力分析

结合受力分析过程，得出传递给结构各受力点的力大小，通过把该力施加到结构点上，各塔式起重机工况下C形剪力墙受力结果如表2所示。

表2 C形剪力墙受力结果

综合上述分析可以发现，型钢暗撑最大受力为工况8，最大等效应力为69.56MPa；混凝土最大等效应力为10.58MPa，最大受力为工况5；最大等效位移为16.52mm，即工况5。其中部分结构受力云图如图6所示。

图6 混凝土和钢骨等效应力云图(单位：MPa)

通过分析验算塔式起重机的8个工况，发现最不利工况下，对剪力墙内部的型钢暗撑影响为69.56MPa，远小于材料屈服应力345MPa。结合钢筋混凝土受力结果，钢筋混凝土最大压力约10.58MPa，远小于C60钢筋混凝土抗压强度，但局部区域存在一定拉应力。所以从受力角度，C形墙塔式起重机施工需综合考虑上部结构施工进度，尽量拉大上部结构与动臂塔式起重机托架间距，实现自重荷载压应力主动抵消动臂塔式起重机施工过程中的拉应力。所以外挂动臂塔式起重机不对结构产生破坏。

4 抗台风验算分析

4.1 有限元建模及加载

假设塔式起重机爬升到该施工位置，即83层，遭遇12～14级台风，塔式起重机A塔、平衡臂、标准节及起重臂均按实际尺寸，采用MIDAS进行建模，如图7所示，塔身均采用梁单元，上部横梁约束点固定x，y方向位移，下部支撑约束3向位移。配重块、变幅卷扬机、起升卷扬机均按实际质量，以实体单元建立，按实际位置分布于平衡臂上。A塔同起重臂间缆绳，采用只受拉单元建立[4-5]。

图7 塔式起重机整体分析模型

4.2 荷载组合加载及结果分析

本模型荷载工况包括结构自重及风荷载作用。采用梁单元风压施加模型风荷载，具体参数按照规范选取。其中风荷载体型系数根据规范规定取值为2，基本周期按经验公式，高耸钢结构自振周期T1为0.013H(H为建筑高度)，计算取值为1.3；结构阻尼比按设计采用。速度压参数按计算风荷载取值，粗糙度类别根据结构设计取为B。

若塔式起重机采用单塔进行受力分析，12级台风作用下结构最大位移位于动臂塔式起重机A柱上，变形为541mm,最大等效屈服应力为268MPa；14级台风作用下，塔式起重机结构最大变形为866mm，同样位于结构A柱上，最大等效屈服应力为353MPa,超过结构屈服强度。同时也说明，在14级台风作用下，单塔动臂塔式起重机不可以大臂锁死，应该使大臂处于自由摆动状态。

5 结语

在超高层建筑施工过程中，通过分析C形剪力墙上塔式起重机在不同工况下的结构受力发现，塔式起重机受力极其复杂，对结构影响较大。特别是遭遇极端天气(14级台风)，在不利工况组合下，单塔受力存在超过屈服强度的可能性(迎风面垂直塔式起重机施加荷载)。为避免该现象的发生，极端天气下，建议单塔塔式起重机大臂呈45°角锁死，塔身转盘保持自由回转。