刘 昭，邰 冶，王嘉裕，刘 培

（中国建筑第二工程局有限公司 华南分公司，广东 深圳 518048）

1 研究背景

为了适应因时代发展而不断变化的建筑结构形式，内爬式塔机往往有多种机型可供选择[1]。实际施工中，需要根据施工现场主体结构的结构形式和受力特点，综合考虑安全、经济、质量和进度来选择适合工程实际的内爬式塔机[2-4]。区别于施工中常见的附着式塔机，内爬式塔机通常被安装与主体结构内部，如电梯间、楼梯间或其它根据塔机尺寸特别设置的开间[5]，其施工范围是以回转中心为圆心的整圆，可以自由爬升的塔身满足了当代高层及超高层建筑的建设需求。

内爬式起重机在施工过程中将会产生显著的施工荷载并施加至建筑主体结构上。Li Bin 等[6]研究了塔机的悬挑支撑系统，给出了支撑系统的受力分析结果与支撑形式；郁政华和陈晓明[7]研究了广州新电视塔外挂内爬式塔机应用技术，该塔机在施工过程中完全依附于广州塔的核心筒结构。D Voision，G Griltaud 等[8-9]对大风天气施工过程中内爬式塔机风荷载对建筑结构产生的影响进行了分析。

然而，需要指出的是，上述文献多为常规附着形式，即内爬式塔机均完全依附于建筑核心筒内，该类核心筒尺寸通常较大，便于加固。然而，对于某些狭窄核心筒，其尺寸局限、内部空间狭窄[10]，内爬式塔机在该类建筑中的合理布置仍需进一步研究。此外，由于塔机施工荷载较大，工程中常需要对塔机所依附的结构进行加固，目前，常用的加固方式为对结构自身进行加固[11-12]，其形式较为单一，且加固能力上限受到既有结构的尺寸限制（如混凝土梁截面尺寸限制了含筋量的上限），更具加强能力、操作更灵活的加固措施亟待提出。

因此，本文将针对某超高层狭窄核心筒情况，探讨狭窄核心筒下的内爬式塔机合理布置形式，此外，针对需要加固的混凝土结构梁研究具有高周转性的加固措施。

2 狭窄核心筒塔机布置

某超高层建筑由4 座塔楼相互连通而成，总建筑面积约24.4 万m2，地上建筑面积约18.5万m2，地下室建筑面积约6.68 万m2。该超高层的T3 塔楼为框架核心筒结构。根据工程需要，须在T3 塔楼内布置1 台内爬式塔机（型号为ZSL850），如图1 所示，T3 塔楼总高为130m，塔机共需爬升6 次，底层基座分别置于B1F、3F、7F、11F、15F、19F、23F。

图1 塔机整体爬升规划示意图

如图2 所示，T3 塔楼核心筒（为楼梯井核心筒）内部尺寸十分狭窄，局部尺寸仅为6.1m×3.3m，无法按照一般方法将内爬式塔机布置于核心筒内。为满足塔机后续的爬升需求，本文提出剪力墙与周边框架梁协同受力的工作方式：将塔机工具梁的一端与核心筒的剪力墙相连，另一端置于周边框架梁上。在后续爬升的过程中，剪力墙与结构梁共同承担塔机荷载。其中，在B1 楼层，工具梁北侧与混凝土梁相连接，在其他楼层，工具梁北侧与钢梁相连接。通过该整体布置方式，解决了无法将内爬塔机布置于核心筒中的难题。

图2 内爬式塔机在B1层的布置图

3 塔机施工荷载分析

为确定结构安全性，首先应分析内爬式塔机ZSL850 的施工荷载。根据GB50068-2018《建筑结构可靠性设计统一标准》，塔机动荷载取安全系数1.5，塔机静载荷取安全系数1.3，荷载值按照表1 进行取值，其中R1、R2 为2 个水平正交方向上的分力。

表1 ZSL850荷载取值表

如图3 所示，基于ANSYS 进行塔机受力分析，其中节点561、437 代表工具梁与结构剪力墙相连的节点，节点503、379 代表工具梁与混凝土结构梁相连的节点。为充分考虑作用在ZSL850 塔机不同方向时产生的荷载，将外力按照如图4 所示的8 各方向进行荷载施加，取其包络反力作为作用在结构上的最终设计值，表2 给出了相关计算结果。由表2 可知，塔机工作产生的荷载十分显著，在北侧结构梁端，施加于结构的竖向集中荷载可达937.2kN，同时，北侧梁跨度达14m，该集中荷载也将产生显著梁弯矩内力。经计算复核，既有结构无法满足其承载要求，因此需要进行构件加固，这也是本文主要研究的加固要点。

表2 8种工况钢梁结构节点反力包络值 （单位：t）

图3 基于ANSYS进行塔机受力分析

图4 塔机荷载计算的8个方向

4 混凝土梁加固方法研究

4.1 加固方式整体设计

在B1 层，工具梁北侧混凝土梁尺寸为700×1 000mm，混凝土标号为C35；与北侧混凝土梁两端相连的是两根内含圆钢管的圆柱，圆柱的外径为1 400mm，圆钢管的直径为1 100mm，圆钢管厚度为30mm，圆钢管内、外混凝土标号均为C60。

本文基于PKPM 结构受力分析软件，将上述工程受力情况简化为门式框架（图5），其中，为偏于安全考虑，两侧圆钢管在建模时不考虑外包混凝土的承载作用，在节点②和节点③处施加竖向集中力937kN。经分析发现，混凝土梁的应力比无法满足结构设计要求，其梁左端弯矩达到3 329kNm，剪力达1 232kN，右端弯矩达到2 863.4kNm、剪力达888kN，且仅通过增加梁配筋的方式无法满足受力要求，需要采取额外的加固措施。

图5 门式框架计算简图

为此，本文提出了结构自身免加固、部件可周转的加固方法，如图6 所示，在内爬式塔机荷载作用点附近设置“八”字撑，支撑分别与圆钢管柱脚和混凝土梁底相连，支撑采用圆钢管截面，截面外径为250mm、壁厚为18mm，该层高按照4 200mm 进行计算。经分析，在“八”字撑的作用下，混凝土梁在内爬式塔机荷载下产生的弯矩内力分别降低为990.1kNm（左侧）和993.7kNm（右侧），仅约为原梁内弯矩值的29.8%，梁内最大剪力降低至353kN，仅约为原梁内剪力值的28.6%。由于“八”字撑的两端将与结构采用铰接的连接方式，其本身不产生弯矩和剪力，仅承受轴向内力，其内力最大值约为1 207kN。经计算复核，在增设“八”字撑后，混凝土梁按照原设计配筋进行施工即可，无须额外增加钢筋，免去了结构自身加固需求。

图6 基于“八”字撑的门式框架计算简图

随着建筑高度的增加，出于结构受力优化的考虑，结构梁、柱的尺寸将进一步减小，至第23F，结构梁由B1 层的700×1 000mm 的混凝土梁变为250×600mm 的H 型钢梁，与梁两端相连的结构柱直径由1 400mm 变为直径400mm 的钢柱。针对23F 的加固效果，经分析发现：未加“八”字撑时，梁两端弯矩达2 386.4kN，跨中弯矩达2 810.6kN，应力比远超结构设计要求（图7）；在加设“八”字撑后，取得的加固效果相较于B1 层工况更为明显，梁两端弯矩为43.3kNm，仅为原结构梁受力的2%，跨中最大弯矩处为311.4kNm，仅为原结构的11.8%（图8）。

图7 未设置“八”字撑时23F的结构弯矩分布(kNm)

图8 设置“八”字撑时23F的结构弯矩分布(kNm)

经研究发现，出现上述现象的原因是：结构梁、柱的刚度比随截面形式与尺寸的变化而发生了显著改变，在受到外荷载时内力在整个框架内的分布与B1 层相比也出现了显著不同；“八”字撑的直径为250mm，与两侧结构柱直径（400mm）无明显差距，此时在对应荷载施加点的梁底直接设置的“八”字撑可分得更大的内力（轴力主要分布于“八”字撑上），从而显著削弱了结构柱的受力（图9）。

图9 设置“八”字撑时23F的结构轴力分布(kN)

4.2 “八”字撑及附属构件设计

如图10 所示，为塔机“八”字撑加固的设计图，根据内爬式塔机的爬升需求，在超高层结构高度范围内，将产生共计6 次爬升，在本文中由于不同高度处的层高不同、对“八”字撑长度需求不同，为提高周转率，“八”字撑钢管统一采用“基准模数+调节模数”的方式，即“八”字撑的基准模数长度为4.5m，调节模数为1m 和2m，根据每层的长度需求不同，选择不同的模数匹配方式，通过该方法，在本项目的6 次爬升中，长度4 500mm、2 000mm、1 000mm 的支撑累计仅需加工6 件、1 件和3 件，大大增加了“八”字撑管材的可周转性。

图10 “八”字撑加固梁设计图

如图11 所示，在“八”字撑管与圆柱连接节点处，制作法兰板连接件，一端通过法兰板与“八”字撑端部的法兰板相连，一端通过全熔透焊接的方式与圆钢柱相连，为防止连接板局部屈曲，在连接板未伸入圆柱混凝土的部分焊接柱外腹板，同时为保证不影响两侧圆柱的混凝土浇筑密实性，在B1层腹板不探入圆柱混凝土内部。“八”字撑端部的法兰盘设计如图12 所示，沿法兰盘等角度设置加劲肋，防止法兰板在受力过程中发生屈曲变形。在“八”字撑与混凝土梁底部相连位置处，在梁底预埋钢板埋件，“八”字撑与其焊接连接，节点形式与图11 相近，本文不再赘述。

图11 “八”字撑与圆柱的连接节点

图12 “八”字撑两侧的法兰板设计

针对3 层及以上的H 型钢梁，为防止局部屈曲，按照“八”字撑受力点在塔机荷载施加点区域内和区域外2 种方式（图13、图14），提出了加筋肋的构造做法，进一步提高了受力可靠性。

图13 “八”字撑在塔机荷载施加区域内

图14 “八”字撑在塔机荷载施加区域外

通过本文提出的加固方式，避免了结构自身的尺寸增大或配筋加固，同时非周转构件仅为柱侧或梁底的小尺寸埋件，而“八”字撑作为主要受力构件可以在内爬式塔机各次爬升过程中周转使用，且周转次数越多，其经济效益愈加突出，达到了“结构自身免加固、部件高周转”的加固目标。

5 结论

针对某超高层建筑狭窄核心筒的特殊工况，根据施工需求探讨了爬升式塔机的平面布置方式，同时对其结构加固进行了分析，得到主要结论如下。

1）当核心筒内部尺寸过于狭窄时，可将塔机置于工具梁上，工具梁的一端与核心筒剪力墙相连，一端可寻求与核心筒周边的框架梁结构连接（将其置于结构梁上），此时，结构梁主要承受显著的竖向施工荷载。

2）本文提出的“八”字撑加固法可有效地对混凝土梁起到加固作用，可使B1 层混凝土梁内弯矩降低至原弯矩的29.8%，梁内剪力可降低至原弯矩的28.6%。受力分担效果对于上部钢梁更为明显，23F 结构梁在加固后，端部受力仅为原结构梁的2%，跨中最大弯矩仅为原结构的11.8%。

3）本文提出了“八”字撑“基准模数+调节模数”的加工方法，保证了其作为主要受力构件的可周转性，且周转次数越多，经济效益越突出，还可避免对原结构的重复加固。