超高层内爬动臂塔机支撑体系连接节点优化及安装施工技术应用

张献龙

（北京正和工程装备服务股份有限公司广州分公司，广东 广州 510530）

大型内爬动臂塔机在超高层施工垂直运输中对整个工程施工进度和施工安全起着非常重要的作用，其内爬支撑体系的高效率安装是工程施工顺利开展的保证。特别是超高层建筑工程结构设计越发多样性，并且钢构件重量大、施工进度控制严格等，必须选用大型动臂塔机。本文依托广州某超高层项目，针对内爬塔机支撑体系受力对核心筒墙体结构影响较大，对内爬塔机支撑体系连接节点进行了优化和改进。

1 工程概况

广州某项目位于广州珠江新城中轴线上，地上设计最高点为302.92米，楼高59层，由边长约50m左右的方形钢结构外框筒与直径（边长）约25～30m的圆型（方形）核心筒通过楼层梁连接成整体，外框筒钢柱为圆钢管柱，楼层梁为一般H型钢梁。总用钢量约1.1万t，单个构件最大重量29.1t，钢构件主要有钢管柱、箱型钢斜撑、箱型钢框梁、楼层H型钢梁、预埋件。工程特点：钢结构构件重量大（最重单件近29t），所需吊装设备作业半径较大。

表1 地上部分最重钢构件

2 塔机布置及说明

通过对超高层核心筒结构形式、构件重量、平面布置、吊次计算、工期等因素综合考虑分析，确定超高层塔机数量、型号及布置图（如图1）：两台内爬塔机均安装在核心筒内，分别布置在核心筒西北角和东南角。塔机型号均为M600D，塔机安装臂长55米，独立安装高度56米，两塔间距约18米。

内爬塔机支撑体系共有三道，支撑钢梁之间的间距为16-20米设置，每道内爬支撑体系由4个墙体预埋件、4个钢牛腿、2根支撑钢梁和2套C型梁组成。正常使用状态为两道，底部一道位于塔身底部内爬专用节位置，主要承受整机产生的垂直载荷和水平载荷，上部一道位于塔身加强节位置，只承受水平载荷。随着施工高度增加，在预先设定位置安放墙体预埋件，提前焊接牛腿，待核心筒结构强度达到要求后，安装第三道支撑钢梁，支撑钢梁与牛腿焊接连接。爬升前，第三道支撑钢梁安装完毕并检查验收合格后进行爬升，塔机爬升完成后，拆除最下面（原第一道）支撑钢梁并割除牛腿，以备下次塔机爬升前使用。

3 内爬塔机支撑体系连接节点优化与改进

3.1 内爬塔机对核心筒结构受力分析

支撑钢梁传递给墙体的水平力不仅与塔吊吊装作业工况有关，还与内爬支撑体系连接节点有关。支撑钢梁与牛腿焊接连接，此硬性连接弯矩带来的水平荷载过大，内外墙体承受的最大水平力约41吨，当水平向墙体不满足正截面抗弯承载力的要求，需采用加固措施。

3.2 内爬塔机支撑体系连接节点的优化与改进

根据本工程内爬支撑体系对核心筒受力影响，常规做法增加墙体配筋或墙体加厚，但本工程墙体配筋已非常密，墙体加厚影响结构尺寸并且施工成本过大，为了保证塔机顺利安装，对塔机支撑体系连接节点进行优化改进，原支撑钢梁与牛腿为焊接连接改为铰接连接形式并增加水平连梁抵减墙体水平向受力。

支撑钢梁与牛腿采用铰接形式，通常采用牛腿上开孔螺栓连接或采用连接耳板销轴固定，但建筑施工精度很难保证螺栓或销轴的安装精度要求，牛腿和耳板只能在安装时现场配焊，施工工期长、难度大。

综合以上对比分析，对内爬支撑系统连接节点进行优化改进，采用限位板+限位块把支撑梁和牛腿固定为一体，优化后支撑系统节点连接如图2；优化后的牛腿设计如图3。

内爬塔机支承钢梁直接安装放置在牛腿上，塔机在工作状态和非工作状态时，竖向垂直向下反力直接作用在牛腿上，侧向水平力则通过焊接在牛腿上的限位板传递给牛腿，轴向水平力通过支承梁与预埋钢板之间焊接的限位块传递，除此处焊接外，与牛腿的其它连接部位不采用任何焊接或者栓接方式；内爬塔机自重作用于支撑梁上，无竖向向上反力。

3.3 内爬塔机支撑体系连接节点的优化设计及加工制作

1）支撑体系的优化设计，根据动臂塔机的型号和吊装构件重量，确定内爬支撑体系的计算载荷大小，同时按最不利工况考虑风载荷的影响。

采用有限元软件ANSYS将内爬支撑体系和核心筒墙体受力整体建模分析计算，根据塔机吊臂的转动方向，选取不同工况分别计算内爬塔机爬升支撑体系构件的应力、变形等。

选取最不利工况下，支座反力对预埋件、牛腿、支撑梁进行设计计算，确定内爬支撑体系构件的尺寸等相关参数并绘制内爬支撑体系的设计加工图纸；并对核心筒墙体结构承载力进行验算，确保结构安全和塔机使用安全。

2）支撑体系构件的加工制作，根据设计图纸确定的构件的规格型号、尺寸、大小和材质、焊缝厚度等相关设计参数，委托由加工资质的专业单位对支撑体系进行加工制作。

4 内爬支撑体系的安装

4.1 预埋件的定位安装

根据塔机中心轴线定位和爬升间距，确定预埋件的轴线位置和标高，因预埋件埋设于核心筒墙体内，并且核心筒墙体内配筋较密，需在绑扎横向钢筋前提前埋设，埋设后校正标高和轴线位置并与主筋焊接固定，确保后期绑扎钢筋加固和浇筑混凝土时预埋件不发生位移。

4.2 焊接牛腿

焊接牛腿前需搭设操作平台或设置可拆卸外挂式操作平台，清理预埋件表面，并在预埋件上标注中心线，以便准确定位牛腿焊接位置。牛腿焊接后需探伤合格后方可安装内爬梁，牛腿焊接焊缝采用一级焊缝。

4.3 支撑体系安装

待结构强度达到设计要求后，先吊装两根支撑梁就位并调整其水平度，然后安装内爬C型框与两根主梁连成一体，调整塔身垂直度，根据塔身与C型框之间的间隙，再通过撬动微调支撑梁使塔身与C型框之间的间隙一致。焊接牛腿与支撑梁之间连接的限位块，限位块一端焊接于预埋件上，另一端焊接于支撑梁端部；两块限位板分别顶紧支撑梁，限位板底部只与牛腿焊接固定，限位板与支撑梁侧面不焊接，两根支撑梁四个端面焊接方法相同。待限位板和限位块分别焊接完毕后，调整内爬C型框顶块，使其与塔身顶紧并锁定，至此内爬支撑体系安装完毕，顶块锁紧示意图如图4。

5 内爬支撑体系的检查验收

焊缝均采用开坡口焊接，焊缝均为一级焊缝，无损检测合格才可进行下道工序，检查验收项目如表2所示。

表2 内爬支撑体系检查验收表

6 结语

内爬动臂塔机在超高层施工垂直运输中起着非常重要的作用，对于核心筒墙体结构不能满足塔机受力的情况，通过优化改进内爬支撑体系的连接节点形式，增加水平连梁的方式，减少了塔机弯矩产生的水平力，从而减少塔机对墙体结构的水平向受力，在保证施工质量、安全的前提下，节省了建造成本，降低了支撑体系的复杂程度，便于安拆，同时优化了安装工序，提高了施工效率，降低了高空作业风险，有力的确保了安全生产。