塔吊附墙工况对高层建筑外框钢结构的影响及加固设计

郑祥杰

上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

自立式塔吊广泛应用于高层建筑施工中，当塔吊自立高度超过限值后，必须采用附墙工况。由于高层结构的塔楼整体抗侧刚度远大于塔吊自身的抗侧刚度，故塔楼可作为塔吊的可靠附着结构。当塔吊直接附着于外框钢结构时，应考察附着处的结构局部刚度。该阶段下楼面梁和外框柱的受力状态与使用阶段不同，楼面梁在缺少楼板混凝土约束作用下的整体稳定性不容忽略，外框柱因附墙杆偏心连接产生的附加扭矩同样应予以重视。有必要找出一些简单高效的结构加固方式，以改善结构局部刚度，提高杆件承载能力，确保塔吊附着工况下的施工安全[1-5]。

1 工程概况

1.1 结构概况

上海静安60地块塔楼主体结构高度为240.27 m，地上53层，地下4层，采用框架-核心筒的结构体系。结构平面布置情况如图1所示。核心筒部分采用混凝土剪力墙结构，并在墙肢边缘布置钢骨柱；外框结构采用型钢混凝土柱＋钢梁的结构形式；在24F和25F以及38F和39F设置2道环带桁架层，以提高塔楼整体刚度。

图1 结构平面布置示意

1.2 施工概况

塔楼南北两侧布置2台自立式塔吊，为保证塔吊在工作状态下的塔身稳定性，塔吊与塔楼外框柱之间需通过附墙杆连系在一起，如图2所示。

图2 塔吊平面布置示意

根据设备厂商要求，塔吊上下2道附墙杆的间距控制在25～33 m之间，附墙杆所在楼层及对应标高见表1。

表1 塔吊附墙杆布置位置

2 外框结构梁的加固设计

2.1 加固原因

外框楼面梁在使用阶段主要承受楼面恒荷载以及活荷载等竖向荷载作用，结构梁的内力主要表现为弯矩和剪力。但在塔吊附墙工况中，附墙荷载使得外框结构梁承受较大的轴压力或轴拉力，当楼面混凝土未浇筑时，压型钢板不能有效约束结构梁受压翼缘的侧向变形，不能忽略结构梁的整体稳定性验算，结构梁的内力主要表现为轴力；当楼面混凝土浇筑后，尽管结构梁的整体稳定性有显著提高，但楼板自重带来的弯矩和剪力不可忽略，结构梁的内力主要表现为轴力、弯矩和剪力。显然，塔吊附墙工况下结构梁的内力状态与使用阶段是不一致的。经计算，楼面梁在附墙工况下不能满足整体稳定和强度要求，需要对楼面结构进行加固。

2.2 加固方式

因楼板刚度未形成，楼面钢梁很容易在塔吊附墙荷载下出现面外失稳的情况，可在附墙杆件直接对应的2根楼面梁之间增设水平支撑，形成平面桁架，大幅提高楼面梁的面外稳定性，如图3（a）所示；当楼板形成后，楼面钢梁出现强度不足的情况时，可适当增加附墙杆件直接对应的2根楼面梁截面的宽度和壁厚，且不改变梁截面的高度，这样可以在满足楼层净高要求的同时增加梁截面的面积，降低梁截面的应力水平，如图3（b）所示；必要时，还可改变连接节点形式，如将钢梁与核心筒的连接节点由单剪连接构造改为双剪连接构造，以提高连接节点的承载能力，如图3（e）所示。

图3 外框楼面加固形式

2.3 加固效果

计算结果（表2）表明，加固后的楼面梁在附墙荷载作用下，最大应力比小于1.0，且楼面稳定一阶屈曲系数大于10，楼面梁满足强度和稳定要求。

表2 楼层计算结果

3 外框柱的加固设计

3.1 附墙杆件与外框柱钢骨的连接构造

外框柱采用型钢混凝土柱，受施工进度制约，外框柱混凝土浇筑滞后于塔吊附墙工况，必须在钢骨柱一侧设置钢牛腿，便于塔吊附墙杆件与之焊接。钢牛腿端板外侧与混凝土外边平齐，附墙杆与端板之间焊接。端板通过水平肋板与十字钢骨柱相连，十字柱在附墙标高处出现2道横隔板，为保证劲性柱混凝土浇筑质量，2道横隔板的净距不小于300 mm，且横隔板除在中心设有流淌孔外，在近端板处还开设直径150 mm的浇捣孔，如图4所示。钢牛腿端板厚度40 mm，水平肋板（钢骨横隔板）厚度30 mm。

图4 钢骨柱钢牛腿构造

水平肋板近端板处布置若干钢筋接驳器，劲性柱纵筋在牛腿处与上下肋板的钢筋接驳器连接，因接驳器与端板距离非常接近，故水平肋板具有足够的刚度，可以认为纵筋通过端板连接在一起，从而实现纵筋力线连续的设计要求。

3.2 加固原因

外框柱截面呈方形，为便于外框混凝土浇筑施工，避免附墙杆件与外框柱角部产生冲突，附墙杆轴线无法对准外框柱的中心，只能调整至外框柱侧边中心处，如图5（b）所示，则外框柱将承受扭矩。

图5 附墙杆与外框柱的定位

附墙杆与外框柱连接时，外框柱的混凝土尚未浇筑，也就是说，外框柱的钢骨需要独立承受附墙杆的荷载，但钢骨截面为十字形截面，且附墙杆与外框柱的中心存在偏心，意味着钢骨将独自承受扭矩，这是十分不利的。

计算结果表明，在附墙荷载作用下，钢骨柱最大应力为467.2 MPa，出现在钢骨柱端部，如图6（a）所示。最大应力超过材料屈服强度345 MPa，不满足强度要求。最大位移20.9 mm，表现为扭转后的平面内变形，位于钢牛腿处，如图6（b）所示。

图6 钢骨加固前的计算结果

3.3 加固方式

由于外框钢骨为开口断面，钢骨的抗扭性能较差。借鉴基坑工程中常用的缀板格构柱的截面形式，拟在十字形钢骨翼缘之间等距间隔布置缀板，缀板宽度为100 mm，缀板之间的中心距为400 mm，如图7所示。

图7 十字形钢骨截面加固形式

这种加固方式具有以下2个优势：

1）将原本开口的截面调整为近似闭口的截面，有效提高截面的抗扭性能。

2）缀板间的空隙可确保混凝土的流淌，保证了混凝土的浇筑质量。

3.4 加固效果

加固后的钢骨抗扭能力大幅提高，应力峰值和最大扭转变形量值的降幅明显。计算结果表明，在附墙杆荷载作用下，钢骨柱最大应力235.1 MPa，出现在钢骨柱端部，降幅达到50%。最大应力小于材料屈服强度345 MPa，满足强度要求，如图8（a）所示。最大位移6.4 mm，表现为扭转后的平面内变形，位于钢牛腿处，降幅达到70%，如图8（b）所示。

图8 钢骨加固后的计算结果

4 结语

1）当自立式塔吊用于超高层塔楼施工时，往往需要设置附墙杆与主体结构形成可靠连接，以保证塔吊工作时塔身的稳定性。当附墙杆与外框钢结构连接时，应特别注意塔吊附墙荷载对外框结构的受力影响。

2）当楼面板尚未浇筑时，在楼面增设水平支撑可以有效地改善结构承受面内荷载时的稳定性，以确保塔吊施工的安全性；当楼面板浇筑完成后，即可拆除这些临时水平支撑。

3）附墙杆与劲性混凝土柱连接时，可通过钢牛腿将连接面移至混凝土面外侧，钢牛腿与钢骨应避免形成密室，横隔板应设置浇捣孔，从而保证混凝土的浇筑质量。

4）十字形钢骨柱为开口截面，抗扭性能较差，应尽可能避免承受扭矩。当扭矩不可避免时，可将钢骨柱改造为缀板格构式截面，既能有效改善截面的抗扭性能，又能保证混凝土的浇筑质量。