劉曉英 林 麗 李逢春

1. 山東青建智慧建筑科技有限公司 山東 青島 266000；2. 青建集團(tuán)股份公司 山東 青島 266011

1 研究背景

青島新機(jī)場(chǎng)空管塔臺(tái)位于機(jī)場(chǎng)核心區(qū)，青島綜合交通中心及停車(chē)樓工程中南部，高鐵地鐵穿越區(qū)西側(cè)。塔樓地上17層、地下2層，建筑高度92.8 m，總建筑面積為3 346.2 m2，其中塔臺(tái)主樓面積約1 790.6 m2。塔臺(tái)主樓采用鋼外網(wǎng)-鋼筋混凝土剪力墻內(nèi)筒結(jié)構(gòu)，塔臺(tái)結(jié)構(gòu)采用的斜交網(wǎng)格外網(wǎng)沿整體結(jié)構(gòu)高度布置，采用交叉鋼管斜柱形成菱形鋼網(wǎng)格，其網(wǎng)格結(jié)構(gòu)為“細(xì)腰”形（圖1）。

圖1 青島新機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)效果圖

2 施工難點(diǎn)

1）塔臺(tái)周邊為地下室頂板，場(chǎng)地狹窄。核心筒內(nèi)2個(gè)電梯井、4個(gè)管道井，中間為電梯前室，單層面積僅50 m2，操作空間小。環(huán)境復(fù)雜，結(jié)構(gòu)特殊，內(nèi)爬式塔吊、履帶吊、外附式塔吊等常用垂直運(yùn)輸設(shè)備選型是難題。

2）本工程核心筒高度87.3 m，直徑僅為8 m。長(zhǎng)細(xì)比達(dá)到11，設(shè)計(jì)院對(duì)于給塔臺(tái)結(jié)構(gòu)施加的外力有嚴(yán)格限制要求。綜合考慮采用斜交鋼外筒外附式塔吊后，需對(duì)塔吊附著連接進(jìn)行優(yōu)化，保證結(jié)構(gòu)安全。

3）塔臺(tái)有受力限制要求，為保證鋼結(jié)構(gòu)及塔吊附著安全穩(wěn)定，監(jiān)控塔吊及結(jié)構(gòu)的受力及穩(wěn)定情況是重點(diǎn)。

4）外附式塔吊與爬架同時(shí)使用的情況較少，需要處理好二者相互協(xié)作、相互制約的工作關(guān)系，保證核心筒與外斜交網(wǎng)架施工有條不紊[1-2]。

3 施工要點(diǎn)

3.1 外附式塔吊方案選擇和優(yōu)化研究

3.1.1 垂直起重機(jī)械方案的比選

1）內(nèi)爬塔吊：電梯井尺寸僅1 880 mm×2 350 mm，空間太小不滿足安裝。

2）履帶吊：塔臺(tái)周邊為地下室頂板，且場(chǎng)地狹窄，無(wú)法滿足施工。

3）外附式塔吊附著核心筒：塔身與核心筒距離僅8.3 m，影響鋼結(jié)構(gòu)施工，且塔吊基礎(chǔ)與核心筒基礎(chǔ)重疊，不可行。

4）外附式塔吊附著鋼結(jié)構(gòu)：滿足要求，但與鋼結(jié)構(gòu)附著節(jié)點(diǎn)需自行設(shè)計(jì)，滿足塔吊及核心筒結(jié)構(gòu)受力。

3.1.2 外附式塔吊方案確定

1）吊重及高度確定。本工程鋼結(jié)構(gòu)從基礎(chǔ)開(kāi)始施工，施工高度從－10.10 m至92.80 m，總質(zhì)量1 250 t。周?chē)鷪?chǎng)地狹窄，經(jīng)計(jì)算地下室頂板僅能上70 t汽車(chē)吊，吊裝高度34.3 m，34.3～92.8 m鋼結(jié)構(gòu)吊裝需用塔吊完成。首先確定最大吊重，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)吊裝單元進(jìn)行分段，由于鋼管壁厚隨高度增加而遞減，確定吊裝質(zhì)量在垂直40 m以上、水平23.5 m以內(nèi)最大為4.8 t，在40 m以下最大為6 t。初步確定塔吊型號(hào)中聯(lián)TC6015。塔吊最終使用高度112.5 m。

2）塔吊附著平面位置確定。最初考慮附著于核心筒，塔吊附著桿夾角要求45°至60°，按此夾角塔吊和核心筒距離較近，僅8.3 m，上部鋼結(jié)構(gòu)半徑達(dá)到10.5 m，塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)將妨礙鋼結(jié)構(gòu)施工，且塔吊基礎(chǔ)將與核心筒基礎(chǔ)重疊。若將塔吊位置向外移，夾角無(wú)法滿足。為保證鋼結(jié)構(gòu)順利施工，確定塔吊附著鋼結(jié)構(gòu)方案（塔吊距核心筒圓心14 m），可滿足塔吊基礎(chǔ)避讓核心筒基礎(chǔ)，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)避讓鋼結(jié)構(gòu)，附著桿張角45°至60°（圖2）。

圖2 塔吊平面布置示意

3.2 塔吊附著設(shè)計(jì)與優(yōu)化

3.2.1 滿足塔吊附著鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

經(jīng)塔吊選型分析，外附式塔吊較適合本工程，下一步需研究解決塔吊在外筒鋼結(jié)構(gòu)上的連接附著難題。塔臺(tái)外斜交網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)標(biāo)高39.7 m以下部位，逆時(shí)針?lè)较虻匿摴苤鶅?nèi)灌C50微膨脹自密實(shí)混凝土，樓面標(biāo)高處，斜交網(wǎng)格筒每層均設(shè)有環(huán)形梁，每隔六層網(wǎng)格采用水平連接支撐將混凝土與斜交網(wǎng)格筒連接，環(huán)形梁截面形式采用箱形截面，截面規(guī)格為500 mm×300 mm。在結(jié)構(gòu)底部－0.40 m標(biāo)高處外筒截面直徑為15.184 m，隨著塔身高度增加，結(jié)構(gòu)截面開(kāi)始收縮，在標(biāo)高15.70 m處截面直徑收縮為13.643 m，之后隨高度增加，截面開(kāi)始增大，最大處截面寬為19.706 m。核心筒外置鋼結(jié)構(gòu)螺旋樓梯，自標(biāo)高0 m至79.20 m環(huán)核心筒外墻蜿蜒而上，為一空間螺旋線。

針對(duì)塔臺(tái)特殊的鋼結(jié)構(gòu)形式，項(xiàng)目部設(shè)計(jì)了此特殊附著節(jié)點(diǎn)構(gòu)造（由于主管的壁厚到上部只有10 mm，無(wú)法承受附著桿外力（數(shù)字），做U形箍，將附著耳板固定到后方環(huán)梁上），對(duì)細(xì)部節(jié)點(diǎn)焊縫進(jìn)行計(jì)算，與設(shè)計(jì)溝通增加肋板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理（圖3），此方案組織專(zhuān)家評(píng)審并通過(guò)。

圖3 塔吊附著節(jié)點(diǎn)BIM結(jié)構(gòu)

3.2.2 滿足附著桿附加力的核心筒優(yōu)化

本工程塔臺(tái)主樓核心筒為直徑8 m的鋼筋混凝土圓筒，高度87.3 m，核心筒剪力墻厚度為250 mm和300 mm，混凝土外壁尺寸統(tǒng)一，直徑僅為8 m，長(zhǎng)細(xì)比達(dá)到11，設(shè)計(jì)院對(duì)于給塔臺(tái)結(jié)構(gòu)施加的外力有嚴(yán)格限制要求。若附著桿外力較大，將影響結(jié)構(gòu)安全。經(jīng)研究分析確定了塔吊水平位置，及4道附著的方案，進(jìn)行了4種附著狀態(tài)下的桿件受力計(jì)算，將正式計(jì)算結(jié)果提供給設(shè)計(jì)院。驗(yàn)算中選取最不利的情況（即4道附著的情況）進(jìn)行核心筒受力結(jié)構(gòu)。統(tǒng)計(jì)得到各桿件作用在塔臺(tái)外網(wǎng)鋼結(jié)構(gòu)上的力。

采用PMSAP-SPACECAD軟件進(jìn)行驗(yàn)算，塔吊荷載按活荷載考慮，以點(diǎn)荷載的方式施加在塔臺(tái)外網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上。除此之外，考慮作用在塔臺(tái)上的風(fēng)荷載為0.6 kN/m2，其余荷載及作用均按設(shè)計(jì)條件考慮。

在原設(shè)計(jì)中，塔臺(tái)地上部分內(nèi)部混凝土筒的混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30，若按此條件復(fù)核，則塔臺(tái)底部地上1～3層范圍內(nèi)均存在受壓側(cè)剪力墻軸壓比超限的情況，最大軸壓比出現(xiàn)在地上1層，為0.59（軸壓比限值為0.5）。為保證施工安全并預(yù)留一定的安全余量，將塔臺(tái)地上1～4層內(nèi)筒混凝土強(qiáng)度均提高為C40，經(jīng)計(jì)算，能滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.3 外網(wǎng)-環(huán)梁節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

外網(wǎng)沿整體結(jié)構(gòu)高度布置，采用交叉鋼管斜柱形成菱形鋼網(wǎng)格。外側(cè)網(wǎng)架鋼管直徑統(tǒng)一均為350 mm，鋼管壁厚隨高度增加而遞減，底部鋼管壁厚為25 mm，頂部鋼管壁厚10 mm。樓面標(biāo)高處，每層均設(shè)有環(huán)形梁與外側(cè)網(wǎng)架連接，環(huán)形梁截面形式采用箱形截面，截面規(guī)格為500 mm×300 mm。

環(huán)形梁與核心筒之間隔2層設(shè)有鋼連梁用以連接外側(cè)網(wǎng)架與內(nèi)側(cè)核心筒，保證外網(wǎng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，連梁截面采用箱形構(gòu)造。在核心筒一側(cè)，提前在連梁圖紙標(biāo)高位置處安置連梁埋件以固定連梁，連梁與核心筒及外側(cè)環(huán)形梁的連接采用鉸接處理，選用材質(zhì)為40Cr的銷(xiāo)軸做連接。

外側(cè)鋼網(wǎng)架與環(huán)形鋼梁相連接，連接節(jié)點(diǎn)采用焊接形式，節(jié)點(diǎn)中心通過(guò)厚45 mm零件板將環(huán)形梁與外側(cè)網(wǎng)架連接，上下兩側(cè)通過(guò)厚18 mm鋼零件板連接（圖4）。同時(shí)為滿足現(xiàn)場(chǎng)塔吊附著要求，擬定在第4、7、10、14層指定2個(gè)外網(wǎng)-環(huán)梁節(jié)點(diǎn)內(nèi)部增加2塊內(nèi)隔板，以保證塔吊穩(wěn)定性。

圖4 外網(wǎng)與環(huán)梁連接節(jié)點(diǎn)

3.2.4 塔吊附著加工優(yōu)化

1）塔吊設(shè)置在鋼結(jié)構(gòu)外側(cè)，鋼結(jié)構(gòu)為雙曲造型，每個(gè)標(biāo)高水平位置均有變化，每道附著根據(jù)至鋼外筒長(zhǎng)度定制加工。施工開(kāi)始階段因附著桿加工精度問(wèn)題，廠家需待附著節(jié)點(diǎn)焊接完成后，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量桿件長(zhǎng)度，方可加工，加工周期3 d以上，造成現(xiàn)場(chǎng)停工。后經(jīng)BIM模型定位此類(lèi)桿件，與之前加工尺寸核對(duì)，加工精度滿足要求（30 cm調(diào)節(jié)長(zhǎng)度）。附著桿提前加工，縮短了附著及頂升周期3 d。

2）施工中發(fā)現(xiàn)塔吊附著18 m間距，造成核心筒施工與鋼結(jié)構(gòu)施工無(wú)法銜接，存在相互制約問(wèn)題，在結(jié)構(gòu)64.25 m位置增加臨時(shí)附著，塔吊進(jìn)行頂升，為爬模創(chuàng)造工作面，解決塔吊高度影響爬模施工問(wèn)題。

3.3 塔吊智能監(jiān)測(cè)

塔臺(tái)有嚴(yán)格的受力限制要求，為保證鋼結(jié)構(gòu)及塔吊附著安全穩(wěn)定，實(shí)施受力監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控鋼結(jié)構(gòu)及塔吊受力情況，保證受力在計(jì)算允許范圍內(nèi)。監(jiān)測(cè)不同條件下塔吊附著桿實(shí)際受力情況。為塔吊附著力及特殊結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)受力情況提供研究依據(jù)。

3.3.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

塔臺(tái)工程共進(jìn)行3道附著監(jiān)測(cè)，累計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位22個(gè)。塔臺(tái)監(jiān)測(cè)起始時(shí)間為7月初，于11月底監(jiān)測(cè)結(jié)束，監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)累計(jì)5個(gè)月。本監(jiān)測(cè)采用弦式應(yīng)變計(jì)、讀數(shù)儀、主分線、應(yīng)變計(jì)保護(hù)裝置以及無(wú)線傳輸模塊、自動(dòng)采集箱建立青島膠東國(guó)際機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)管桁架結(jié)構(gòu)的無(wú)線健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中，弦式應(yīng)變計(jì)共22支，測(cè)量桿件應(yīng)變。

3.3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)桿件應(yīng)變和溫度，對(duì)管桁架結(jié)構(gòu)的桿件應(yīng)力監(jiān)測(cè)為施工提供了依據(jù)，保證了施工的安全。從各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變-應(yīng)力及受力情況可以看出最大應(yīng)力為3.17 MPa，桿件截面尺寸為500 mm×300 mm，得出承受力為95 kN，在鋼材允許承受力范圍內(nèi)，滿足要求?，F(xiàn)場(chǎng)利用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，采用無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行應(yīng)力和變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸。

監(jiān)測(cè)最大應(yīng)變不超過(guò)200 με，應(yīng)力不超過(guò)41.2 MPa，最大應(yīng)力比不超過(guò)0.12，滿足相關(guān)規(guī)范要求。監(jiān)測(cè)到的施工期間溫度在30 ℃左右，通過(guò)桿件溫度變化可以反映天氣溫度變化情況，同時(shí)也可反映整個(gè)結(jié)構(gòu)的溫度分布情況。

本項(xiàng)目對(duì)青島膠東國(guó)際機(jī)場(chǎng)管桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形監(jiān)測(cè)，對(duì)于施工期間桿件結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀況進(jìn)行了分析。本工程所有鋼材（除銷(xiāo)軸外）均采用Q345C鋼，外網(wǎng)格鋼管斜柱均采用Q345C高頻直縫焊管或無(wú)縫焊管。對(duì)青島膠東國(guó)際機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變監(jiān)測(cè)中可看出該管桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變與預(yù)先設(shè)計(jì)的比較吻合，在鋼材最大允許承受力及塔臺(tái)原設(shè)計(jì)單位受力驗(yàn)算范圍內(nèi)，表明塔吊附著及結(jié)構(gòu)安全。

3.4 外附式塔吊與外爬模架的協(xié)同施工

利用4D模擬軟件根據(jù)塔吊頂升運(yùn)行方案、爬模施工方案、鋼結(jié)構(gòu)吊裝方案模擬工程施工進(jìn)度，并進(jìn)行合理性分析，模擬發(fā)現(xiàn)塔吊運(yùn)行后期核心筒施工與鋼結(jié)構(gòu)施工無(wú)法銜接，存在相互制約的狀態(tài)，項(xiàng)目部決定在結(jié)構(gòu)64.25 m位置增加臨時(shí)附著，塔吊進(jìn)行頂升，為爬模創(chuàng)造工作面，解決了塔吊高度影響爬模施工的問(wèn)題，節(jié)約了工期。

外爬模架體施工整體思路：本工程塔吊附著方案結(jié)合模架體系及鋼外筒施工方案，率先在高聳結(jié)構(gòu)中使用外附塔吊與爬模進(jìn)行配合施工。塔吊附著于鋼結(jié)構(gòu)外筒水平鋼結(jié)構(gòu)連梁位置，水平鋼結(jié)構(gòu)連梁在標(biāo)高64 m以下，設(shè)計(jì)垂直間距18 m，塔吊附著垂直間距也限定為18 m。本工程選用TC6015塔吊，附著以上獨(dú)立高度39 m。塔吊附著安裝時(shí)塔吊高度僅比附著高21 m，爬模架高度盡量低，爬模與鋼結(jié)構(gòu)施工錯(cuò)層為半層至一層，否則塔吊附著無(wú)法安裝。

本工程采用4層高12 m爬模架體，外附式塔吊，內(nèi)爬施工電梯，外附式塔吊進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)吊裝。通過(guò)塔吊頂升，爬模爬升，核心筒施工，內(nèi)爬施工電梯頂升，鋼結(jié)構(gòu)外筒施工，塔吊附著安裝，塔吊頂升的循環(huán)順序進(jìn)行鋼外筒-混凝土核心筒內(nèi)筒高聳結(jié)構(gòu)的施工。通過(guò)高聳混凝土結(jié)構(gòu)工序穿插配合，鋼外筒施工進(jìn)度落后核心筒2層，進(jìn)行同步施工，保證了高6 m標(biāo)準(zhǔn)層10 d內(nèi)完成3次混凝土澆筑。

4 結(jié)語(yǔ)

本工程將外附式塔吊應(yīng)用在超高斜交網(wǎng)格混合結(jié)構(gòu)塔臺(tái)中，施工質(zhì)量良好，符合設(shè)計(jì)要求，并能按期完成施工計(jì)劃。在施工過(guò)程中解決了外附式塔吊在超高斜交網(wǎng)格混合結(jié)構(gòu)塔臺(tái)中連接附著難、結(jié)構(gòu)安全性要求高、與外爬模架協(xié)同施工相互制約等施工難題，對(duì)類(lèi)似工程有重要的實(shí)踐指導(dǎo)意義，有助于城市地標(biāo)性特色建筑的發(fā)展。