外爬式塔吊对高层钢板剪力墙结构影响的分析

2013-11-27卿龙邦肖成志田稳苓

华北地震科学 2013年1期

卿龙邦，姚雄，肖成志，田稳苓

（1.河北工业大学土木工程学院，天津 300401；2.河北省土木工程技术研究中心，天津 300401；3.解放军93682部队，北京 101300）

0 引言

随着我国社会经济的快速发展，城市中土地资源紧张，越来越多的高层建筑作为地标性建筑出现在各个城市［1］。钢板剪力墙结构抗侧力体系与传统抗侧力结构体系相比，具有节约钢材、制作施工简单、延性良好等优点［2］，是常见高层建筑的核心部分。高层建筑塔吊的科学、安全运行是确保工程施工质量、进度、安全的关键因素。高层建筑动臂塔吊爬升方式有内爬式和外爬式，外爬式塔吊将塔身安装在承力导向装置内，承力导向装置由紧固件固定在建筑体外侧，塔身可沿承力导向装置四角的水平限位装置向上爬升，爬升高度不受限制，因此塔身可以做得很短，而不占建筑场地，具有整机轻、造价低、适用性强等优点［3］。

由于高层建筑的功能要求，一些建筑的核心筒平面尺寸较小，或内部构造较复杂，且需要布置布料杆、脚手架等施工设备，不能满足内爬式塔吊的安装和爬升空间的需求，如果采用外爬式塔吊，将塔吊外挂到钢板剪力墙外壁上就能满足塔吊安装、爬升和使用空间的要求，而且可根据不同工程的实际施工需要布置多台塔吊，同时施工［4］，塔吊附着和顶升过程可利用施工间隙进行，对总的施工进度影响不大，且塔吊司机能获得开阔的视野，利于塔吊安全操作，安装和拆卸也较为方便［5］。

以往研究多关注于塔吊本身及支撑系统的分析，对于施工过程中塔吊作用下钢板剪力墙受到的影响分析较少。文献研究了塔吊在台风环境下施工的附着安全性。文献研究了爬升塔吊外挂支撑系统的在各种工况下的受力，校核了强度要求。

本文结合天津诺德英蓝国际金融中心工程实例，模拟了在施工过程中钢板剪力墙受外爬式塔吊的作用，得出外爬式塔吊对钢板剪力墙应力和位移的影响效应。

1 工程概况

诺德英蓝国际金融中心位于天津市滨海新区于家堡起步区，建筑高度292.95m，裙房高30.75m，总建筑面积212 882m2，地下4层，基坑深度21.5 m，裙房地上7层，地上主楼63层，主体塔楼结构采用“巨型柱＋剪力墙核芯筒＋环形桁架＋伸臂桁架”结构体系，裙房采用钢筋混凝土框架－剪力墙结构，其主体结构材料主要采用Q345C和Q345GJC型钢板型钢，钢结构外包裹高强度混凝土。钢板剪力墙、巨型柱及伸臂结构均采用焊缝连接［7］。该工程项目建成后将成为于家堡金融区起步区9＋3地块的标志性建筑物。工程采用动臂塔吊，塔吊平面布置及塔吊模型分别如图1、图2所示。

钢板剪力墙随层数增加自重不断增大，外荷载容易对结构产生不利的影响［8］。施工过程中，钢板剪力墙达到一定高度后外爬式塔吊需要爬升，塔吊依靠钢板剪力墙上的预埋钢板支撑。塔吊的自重大，施工过程中加上吊装重量，对墙体产生较大的作用力。因此，有必要分析外爬式塔吊对钢板剪力墙的应力和位移的影响。

图2 塔吊和支撑系统模型示意图

2 模型

外爬式动臂塔吊的塔身和塔吊支撑系统采用ANSYS有限元软件建模，模拟剪力墙施工到10层高度，塔吊附着在钢板剪力墙上的工况如图2所示，上下支撑系统的间距为18.55m。

塔身和支撑系统钢材为Q345 型钢，弹性模量取2.06×1011N／m2，密度取7 850kg／m3，泊松比取0.3，均采用BEAM188单元，采用双线性随动强化模型考虑钢材应力应变关系，支撑系统连接通过释放自由度实现铰接。

塔吊回转平台荷载和吊装荷载以及塔吊弯矩分四点作用在塔身H 型钢柱上，通过荷载统计和查阅厂家塔吊技术文件［9］，塔吊最大竖向力取295t，塔吊最大弯矩取1 024t·m，每根钢柱的受力为295／4＝73.75t，每根钢柱受弯矩为1 024／4＝256t·m。

钢板剪力墙采用SAP2000结构计算软件建模，模拟施工过程中塔吊对钢板剪力墙的作用，建立了10层的剪力墙模型，层高5.1 m，剪力墙中间层为钢板，内外浇筑C80 高强混凝土，墙体总厚度为1 m，其中钢板厚度为0.04m。钢板为Q345型钢，弹性模量取2.06×1011N／m2，密度取7 850kg／m3，泊松比取0.3，C80混凝土密度取2 340kg／m3［10］，弹性模量取4.30×1010N／m2［11］，泊松比取0.2。将ANSYS软件计算出来的支撑系统墙体位置的荷载施加到剪力墙上，求出剪力墙的应力和位移。为了求出塔吊对钢板剪力墙应力和位移的影响，分别建立无塔吊附着和有塔吊附着的钢板剪力墙模型，钢板剪力墙模型如图3所示，墙体荷载施加位置如图4所示。

图3 剪力墙模型示意图

图4 墙体荷载施加位置示意图

3 计算结果和讨论

通过分析计算，与墙体相连部分支撑系统节点的荷载坐标值如表1所示：

钢板剪力墙无塔吊附着时和有塔吊附着时竖向应力如图5、图6所示。可见，无塔吊附着时，钢板剪力墙竖向应力呈竖向向底部较为均匀递增，最大竖向应力约为1 300kPa；在有塔吊附着情况下，钢板剪力墙竖向应力在塔吊上部支撑以上部位往下较为均匀递增，在塔身附着高度以下范围内应力等值线变成不连续的弯折的曲线，竖向应力增大，底部最大应力约为1 650kPa，增大约350kPa。

表1 与墙体相连部分支撑系统节点的荷载统计表

图5 无塔吊附着竖向应力

图6 有塔吊附着竖向应力

剪力墙无塔吊附着和有塔吊附着的竖向位移如图7、图8所示。可以看出，钢板剪力墙在无塔吊附着的情况下竖向位移的最大值约为0.7 mm，呈现较为均匀的向底部递减的规律，位移等值线基本趋于直线；在有塔吊附着的情况下，竖向位移的最大值略有增大，约为0.78 mm，在塔吊附着高度范围内位移等值线变成了倾斜的曲线。

图7 无塔吊附着竖向位移

图8 有塔吊附着竖向位移

钢板剪力墙有塔吊附着和无塔吊附着时的墙面法向位移如图9、图10所示。无塔吊附着时，由于没有考虑风荷载和地震荷载，钢板剪力墙法向位移基本为零；在有塔吊附着的情况下，塔吊对钢板剪力墙的法向位移产生显著的影响，最大法向位移约为1.95mm，在上部支撑系统预埋件处墙体法向位移较周围墙体明显增大，达到约1.65 mm，下部支撑系统部位墙体法向位移较周围墙体有所减小，约为0.15mm，这样加大了上下部支撑系统部位墙体的法向位移差，约为1.5mm。此外，塔吊附着对门窗洞口左边剪力墙肢也产生较大影响。