外附式塔吊在超高斜交网格混合结构塔台中的研究与应用

刘晓英 林 丽 李逢春

1. 山东青建智慧建筑科技有限公司 山东 青岛 266000；
2. 青建集团股份公司 山东 青岛 266011

青岛新机场空管塔台位于机场核心区，青岛综合交通中心及停车楼工程中南部，高铁地铁穿越区西侧。塔楼地上17层、地下2层，建筑高度92.8 m，总建筑面积为3 346.2 m2，其中塔台主楼面积约1 790.6 m2。塔台主楼采用钢外网-钢筋混凝土剪力墙内筒结构，塔台结构采用的斜交网格外网沿整体结构高度布置，采用交叉钢管斜柱形成菱形钢网格，其网格结构为“细腰”形（图1）。

图1 青岛新机场塔台效果图

1）塔台周边为地下室顶板，场地狭窄。核心筒内2个电梯井、4个管道井，中间为电梯前室，单层面积仅50 m2，操作空间小。环境复杂，结构特殊，内爬式塔吊、履带吊、外附式塔吊等常用垂直运输设备选型是难题。

2）本工程核心筒高度87.3 m，直径仅为8 m。长细比达到11，设计院对于给塔台结构施加的外力有严格限制要求。综合考虑采用斜交钢外筒外附式塔吊后，需对塔吊附着连接进行优化，保证结构安全。

3）塔台有受力限制要求，为保证钢结构及塔吊附着安全稳定，监控塔吊及结构的受力及稳定情况是重点。

4）外附式塔吊与爬架同时使用的情况较少，需要处理好二者相互协作、相互制约的工作关系，保证核心筒与外斜交网架施工有条不紊[1-2]。

3.1 外附式塔吊方案选择和优化研究

3.1.1 垂直起重机械方案的比选

1）内爬塔吊：电梯井尺寸仅1 880 mm×2 350 mm，空间太小不满足安装。

2）履带吊：塔台周边为地下室顶板，且场地狭窄，无法满足施工。

3）外附式塔吊附着核心筒：塔身与核心筒距离仅8.3 m，影响钢结构施工，且塔吊基础与核心筒基础重叠，不可行。

4）外附式塔吊附着钢结构：满足要求，但与钢结构附着节点需自行设计，满足塔吊及核心筒结构受力。

3.1.2 外附式塔吊方案确定

1）吊重及高度确定。本工程钢结构从基础开始施工，施工高度从－10.10 m至92.80 m，总质量1 250 t。周围场地狭窄，经计算地下室顶板仅能上70 t汽车吊，吊装高度34.3 m，34.3～92.8 m钢结构吊装需用塔吊完成。首先确定最大吊重，对钢结构吊装单元进行分段，由于钢管壁厚随高度增加而递减，确定吊装质量在垂直40 m以上、水平23.5 m以内最大为4.8 t，在40 m以下最大为6 t。初步确定塔吊型号中联TC6015。塔吊最终使用高度112.5 m。

2）塔吊附着平面位置确定。最初考虑附着于核心筒，塔吊附着杆夹角要求45°至60°，按此夹角塔吊和核心筒距离较近，仅8.3 m，上部钢结构半径达到10.5 m，塔吊标准节将妨碍钢结构施工，且塔吊基础将与核心筒基础重叠。若将塔吊位置向外移，夹角无法满足。为保证钢结构顺利施工，确定塔吊附着钢结构方案（塔吊距核心筒圆心14 m），可满足塔吊基础避让核心筒基础，标准节避让钢结构，附着杆张角45°至60°（图2）。

图2 塔吊平面布置示意

3.2 塔吊附着设计与优化

3.2.1 满足塔吊附着钢结构节点优化

经塔吊选型分析，外附式塔吊较适合本工程，下一步需研究解决塔吊在外筒钢结构上的连接附着难题。塔台外斜交网架钢结构在结构标高39.7 m以下部位，逆时针方向的钢管柱内灌C50微膨胀自密实混凝土，楼面标高处，斜交网格筒每层均设有环形梁，每隔六层网格采用水平连接支撑将混凝土与斜交网格筒连接，环形梁截面形式采用箱形截面，截面规格为500 mm×300 mm。在结构底部－0.40 m标高处外筒截面直径为15.184 m，随着塔身高度增加，结构截面开始收缩，在标高15.70 m处截面直径收缩为13.643 m，之后随高度增加，截面开始增大，最大处截面宽为19.706 m。核心筒外置钢结构螺旋楼梯，自标高0 m至79.20 m环核心筒外墙蜿蜒而上，为一空间螺旋线。

针对塔台特殊的钢结构形式，项目部设计了此特殊附着节点构造（由于主管的壁厚到上部只有10 mm，无法承受附着杆外力（数字），做U形箍，将附着耳板固定到后方环梁上），对细部节点焊缝进行计算，与设计沟通增加肋板进行补强处理（图3），此方案组织专家评审并通过。

图3 塔吊附着节点BIM结构

3.2.2 满足附着杆附加力的核心筒优化

本工程塔台主楼核心筒为直径8 m的钢筋混凝土圆筒，高度87.3 m，核心筒剪力墙厚度为250 mm和300 mm，混凝土外壁尺寸统一，直径仅为8 m，长细比达到11，设计院对于给塔台结构施加的外力有严格限制要求。若附着杆外力较大，将影响结构安全。经研究分析确定了塔吊水平位置，及4道附着的方案，进行了4种附着状态下的杆件受力计算，将正式计算结果提供给设计院。验算中选取最不利的情况（即4道附着的情况）进行核心筒受力结构。统计得到各杆件作用在塔台外网钢结构上的力。

采用PMSAP-SPACECAD软件进行验算，塔吊荷载按活荷载考虑，以点荷载的方式施加在塔台外网节点上。除此之外，考虑作用在塔台上的风荷载为0.6 kN/m2，其余荷载及作用均按设计条件考虑。

在原设计中，塔台地上部分内部混凝土筒的混凝土强度等级均为C30，若按此条件复核，则塔台底部地上1～3层范围内均存在受压侧剪力墙轴压比超限的情况，最大轴压比出现在地上1层，为0.59（轴压比限值为0.5）。为保证施工安全并预留一定的安全余量，将塔台地上1～4层内筒混凝土强度均提高为C40，经计算，能满足设计要求。

3.2.3 外网-环梁节点优化

外网沿整体结构高度布置，采用交叉钢管斜柱形成菱形钢网格。外侧网架钢管直径统一均为350 mm，钢管壁厚随高度增加而递减，底部钢管壁厚为25 mm，顶部钢管壁厚10 mm。楼面标高处，每层均设有环形梁与外侧网架连接，环形梁截面形式采用箱形截面，截面规格为500 mm×300 mm。

环形梁与核心筒之间隔2层设有钢连梁用以连接外侧网架与内侧核心筒，保证外网的结构稳定性，连梁截面采用箱形构造。在核心筒一侧，提前在连梁图纸标高位置处安置连梁埋件以固定连梁，连梁与核心筒及外侧环形梁的连接采用铰接处理，选用材质为40Cr的销轴做连接。

外侧钢网架与环形钢梁相连接，连接节点采用焊接形式，节点中心通过厚45 mm零件板将环形梁与外侧网架连接，上下两侧通过厚18 mm钢零件板连接（图4）。同时为满足现场塔吊附着要求，拟定在第4、7、10、14层指定2个外网-环梁节点内部增加2块内隔板，以保证塔吊稳定性。

图4 外网与环梁连接节点

3.2.4 塔吊附着加工优化

1）塔吊设置在钢结构外侧，钢结构为双曲造型，每个标高水平位置均有变化，每道附着根据至钢外筒长度定制加工。施工开始阶段因附着杆加工精度问题，厂家需待附着节点焊接完成后，现场测量杆件长度，方可加工，加工周期3 d以上，造成现场停工。后经BIM模型定位此类杆件，与之前加工尺寸核对，加工精度满足要求（30 cm调节长度）。附着杆提前加工，缩短了附着及顶升周期3 d。

2）施工中发现塔吊附着18 m间距，造成核心筒施工与钢结构施工无法衔接，存在相互制约问题，在结构64.25 m位置增加临时附着，塔吊进行顶升，为爬模创造工作面，解决塔吊高度影响爬模施工问题。

3.3 塔吊智能监测

塔台有严格的受力限制要求，为保证钢结构及塔吊附着安全稳定，实施受力监测技术，实时监控钢结构及塔吊受力情况，保证受力在计算允许范围内。监测不同条件下塔吊附着杆实际受力情况。为塔吊附着力及特殊结构钢结构受力情况提供研究依据。

3.3.1 监测内容

塔台工程共进行3道附着监测，累计监测点位22个。塔台监测起始时间为7月初，于11月底监测结束，监测时长累计5个月。本监测采用弦式应变计、读数仪、主分线、应变计保护装置以及无线传输模块、自动采集箱建立青岛胶东国际机场塔台管桁架结构的无线健康监测系统。其中，弦式应变计共22支，测量杆件应变。

3.3.2 监测结果

无线监测系统监测杆件应变和温度，对管桁架结构的杆件应力监测为施工提供了依据，保证了施工的安全。从各监测点应变-应力及受力情况可以看出最大应力为3.17 MPa，杆件截面尺寸为500 mm×300 mm，得出承受力为95 kN，在钢材允许承受力范围内，满足要求。现场利用GPRS无线网络，采用无线传输模块进行应力和变形监测数据的传输。

监测最大应变不超过200 με，应力不超过41.2 MPa，最大应力比不超过0.12，满足相关规范要求。监测到的施工期间温度在30 ℃左右，通过杆件温度变化可以反映天气温度变化情况，同时也可反映整个结构的温度分布情况。

本项目对青岛胶东国际机场管桁架结构的应力和变形监测，对于施工期间杆件结构的应力状况进行了分析。本工程所有钢材（除销轴外）均采用Q345C钢，外网格钢管斜柱均采用Q345C高频直缝焊管或无缝焊管。对青岛胶东国际机场塔台结构的应力和应变监测中可看出该管桁架结构应力、应变与预先设计的比较吻合，在钢材最大允许承受力及塔台原设计单位受力验算范围内，表明塔吊附着及结构安全。

3.4 外附式塔吊与外爬模架的协同施工

利用4D模拟软件根据塔吊顶升运行方案、爬模施工方案、钢结构吊装方案模拟工程施工进度，并进行合理性分析，模拟发现塔吊运行后期核心筒施工与钢结构施工无法衔接，存在相互制约的状态，项目部决定在结构64.25 m位置增加临时附着，塔吊进行顶升，为爬模创造工作面，解决了塔吊高度影响爬模施工的问题，节约了工期。

外爬模架体施工整体思路：本工程塔吊附着方案结合模架体系及钢外筒施工方案，率先在高耸结构中使用外附塔吊与爬模进行配合施工。塔吊附着于钢结构外筒水平钢结构连梁位置，水平钢结构连梁在标高64 m以下，设计垂直间距18 m，塔吊附着垂直间距也限定为18 m。本工程选用TC6015塔吊，附着以上独立高度39 m。塔吊附着安装时塔吊高度仅比附着高21 m，爬模架高度尽量低，爬模与钢结构施工错层为半层至一层，否则塔吊附着无法安装。

本工程采用4层高12 m爬模架体，外附式塔吊，内爬施工电梯，外附式塔吊进行钢结构吊装。通过塔吊顶升，爬模爬升，核心筒施工，内爬施工电梯顶升，钢结构外筒施工，塔吊附着安装，塔吊顶升的循环顺序进行钢外筒-混凝土核心筒内筒高耸结构的施工。通过高耸混凝土结构工序穿插配合，钢外筒施工进度落后核心筒2层，进行同步施工，保证了高6 m标准层10 d内完成3次混凝土浇筑。

本工程将外附式塔吊应用在超高斜交网格混合结构塔台中，施工质量良好，符合设计要求，并能按期完成施工计划。在施工过程中解决了外附式塔吊在超高斜交网格混合结构塔台中连接附着难、结构安全性要求高、与外爬模架协同施工相互制约等施工难题，对类似工程有重要的实践指导意义，有助于城市地标性特色建筑的发展。