楼面塔式起重机在钢结构施工中的设计及应用

朱雯清

0 引言

近年来，高铁建设成为新一轮基础设施建设的新引擎，铁路站房作为高铁建设中集轨道、市政、地铁为一体的综合交通枢纽，成为设计新趋势。

铁路站房因其面积大，层高低，跨度大的特点，屋盖结构多数采用钢结构桁架或网架形式。作为运输的重要设备，塔吊因其作辐射面广、成本易控，可同时进行垂直、水平运输，成为工程建设中的首选机械，但在屋盖钢结构施工中因为塔吊的利用率低，塔吊拆卸难题，建设中普遍采用汽车吊作业。本工程通过大、小塔的配置方式，在楼面设置塔吊基础，解决了塔吊拆卸难题和吊次不足，利用率低的问题，充分发挥了塔吊优势，取得良好的效果。

1 工程概述

朝阳站站房总建筑面积182 300m，钢结构用量约13 000t。屋盖造型为古建歇山顶形式。结构形式为管桁架和箱型钢梁组合屋盖+斜向V 型斜柱+两侧的钢管柱结构。站房屋盖东、西长为247m，南北宽为180m，最大跨度72m，檐口悬挑长为18m。其中中央站房区长度为196m，西站房长51m。钢结构屋盖剖面见图1。

图1 屋盖桁架剖面示意图

2 钢屋盖整体施工方案

朝阳站屋盖钢结构位于9.8m 混凝土结构高架层上，在钢桁架屋盖下方，中央站房南侧夹层和西站房为混凝土结构，北侧为钢结构。

根据钢桁架屋盖钢结构的特点、综合场地受限的条件及施工难易度，制定高架站房和东站房采用整体提升方案，西站房拟定累积滑移动的整体施工思路。其中高架站房和东站房钢结构屋盖整体划分为三个分区，采用整体提升，西站房钢结构屋盖采用累积滑移施工。

西站房58m,长170m,地面到屋架位置38m,由于工期紧，场地不具备大型履带吊使用条件，西站房钢结构屋架施工时安装2 台M75/125 固定基础塔吊，辅助1 台TC5610 固定基础塔吊进行结构安装。TC5610 塔吊设置在西站房9.8m 层高架结构楼面上。楼面塔布置见图2。

图2 楼面塔布置图

3 楼面塔式起重机的方案设计

为了满足现场钢结构构件吊装需求，通过分析站房结构特点，计划安装1 台中联产TC5610 塔机，塔机设置于8～9 轴和Ⅱ-D～Ⅱ-E 轴间使用Q345 H 型钢做支架，将力分别传递到8～9 轴混凝土框架梁上，混凝土梁跨距12m，上部使用钢梁组成井字梁（钢支架）过渡。钢支架采用三层H 型钢，顶层钢梁采用2 根H 900mm×300mm×16mm×18mm 型钢，二层钢梁采用4 根H 700mm×300mm×13mm×24mm 型钢，底层钢梁采用4 根H 700mm×300mm×13mm×24mm 型钢。楼面塔机基础布置形式及位置见图3。

图3 楼面塔基基础布置形式及位置图

3.1 楼面塔式起重机基础设计

塔吊基础主要由三部分组成：塔吊连接梁和塔吊转换梁、支座垫板、对拉螺杆组成。塔吊标准节通过高强螺栓与连接梁栓接。连接梁通过转换梁在支座垫板作用下转换受力到混凝土结构梁上。

塔吊基础连接梁和转换梁构件截面形式均为焊接H型钢。塔机基础载荷如表1，荷载工况如表2 所示。

表1 塔机基础载荷

表2 荷载工况（单位：kN）

3.2 塔式起重机对楼面混凝土结构影响分析

塔式起重机荷载通过转换梁传递给混凝土框架梁，为保障塔吊基础的稳定性和安全性，使用MIDAS/Gen 计算软件进行分析计算，考虑到转换梁架设在混凝土结构上，因此建立混凝土钢结构整体模型进行分析计算。需要对混凝土框架梁承载力和结构楼板的抗裂性进行验算。以塔吊非吊装状态下最不利工况验算。

3.2.1 计算模型

计算采用MIDAS Gen 2019 软件。按重要性分类，型钢支架重要性系数为0.9，钢筋混凝土结构重要性系数为1.1。恒载与活载按规范取值，施工活荷载取值1.5kN/m，其中负值表示向上拔力，正值表示向下压力，单位：kN，a、b、c、d，位置见图3。荷载组合见表3 与表4，其中DL 为恒载，其中楼面荷载取3.9 KN/m（150mm 厚楼板），3.12KN/m（120mm 厚楼板），LL 为施工活荷载，取1.5KN/m，Fi 为塔机在i 工况下荷载，i=1，2，3，…，8，取值见图4。

图4 塔吊基础荷载图

表3 型钢支架荷载组合表

表4 混凝土结构荷载组合表

3.2.2 塔吊基础H 型钢验算

TC5610 塔吊位于I-14～I-15/II-E～II-D 轴的9.8m 高架层板上，其塔吊的中心距II-E 轴为2.5m，距I-14 和I-15 轴分别为6m，由于塔吊坐落在9.8m 高架层板上，考虑到采用I-14和I-15 轴的横梁来承受该塔吊的自重以及产生的弯矩，故该塔吊基础采用三层H 型钢将塔吊作用于9.8m 高架层板的作用力转换为对I-14 和I-15 轴的横梁的作用力。在Midas 软件中整体计算结果见下图5（a）～（e）。支架应力比都在0.7 以下，满足设计要求。

图5 H 型钢不同工况下的最大应力比

在Midas 软件中变形计算结果见下图6（a）～（e），支架最大变形为16.0mm，小于l/250，满足设计要求。

图6 H 型钢不同工况下的变形

3.2.3 混凝土结构内力计算

依据Midas 2019 梁单元内力计算结果，塔机下在I-9轴的II-E 和II-F 轴间以及I-14 轴的I-E 和I-F 轴间的混凝土框架梁的最大裂缝计算值为0.289mm，接近限值0.3mm，建议从基础筏板底至混凝土结构梁底设置钢管支撑。设置标高为-0.0800m～9.800m。经验算，在施工活荷载不大于1.5kN/mm条件下，钢管支撑应力比和变形满足要求，混凝土框架梁经加固满足规范要求，混凝土柱最大轴压比为0.21，钢短柱最大应力比0.60，均满足设计要求。

4 施工过程检测

（1）结构挠度变形的监测：监测在塔式起重机荷载自重及施工荷载作用下，塔式起重机基础与相交混凝土梁的挠度位移变化。

（2）塔吊基础反力加固螺栓的检查：在安装完成后一周，每天不少于2 次的塔吊加固螺栓检查。

（3）塔吊垂直度和塔吊基础水平度的检测。在安装完成后的一周内，每天不少于2 次的塔吊监测。

5 结论

通过在楼面板上设计非标准塔吊基础并应用，楼面上型钢叠加的塔吊的基础形式是可行的，塔吊使用过程中基础转换梁变形和塔吊的垂直度、水平度都满足塔式起重机规范要求。混凝土结构应力未产生较大变化。采用安装楼面塔机的方案避免了配重塔机增加楼面荷载的弊端，解决了钢结构吊装吊次不足的难题，节省了工期，对类似工程的施工提供了参考借鉴，同时针对特殊工况下的塔吊基础设计提供了新的设计思路。采用“用型钢转换梁+对拉螺杆”塔吊基础设计技术，结构安全可靠，稳定性强，对于大型工程在新建、改造过程中塔吊无法附着、吊装盲区、吊次不足等工况下，非标固定塔式基础设计具有较大的应用空间。