1 引言

超高層建筑是現(xiàn)代城市內(nèi)主體建筑， 其有效緩解城市用地資源短缺的現(xiàn)狀，深受政府、大型企業(yè)等的喜愛(ài)和青睞。 結(jié)構(gòu)高是超高層建筑普遍存在的特點(diǎn)， 現(xiàn)場(chǎng)施工建設(shè)中配備了塔吊、大型施工平臺(tái)等操作流程十分復(fù)雜的設(shè)施[1]。廣州、深圳等沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)近些年超高層建筑建設(shè)規(guī)模及數(shù)目明顯增加，因?yàn)楣て诼L(zhǎng)，施工過(guò)程中容易遭遇臺(tái)風(fēng)等極端氣候的“洗禮”，易使結(jié)構(gòu)及大型設(shè)施等陷入不安全狀態(tài)，一旦誘發(fā)事故不僅使施工方承受巨大經(jīng)濟(jì)損失， 在社會(huì)上也會(huì)造成極為惡劣的后果， 故而加強(qiáng)施工中安全風(fēng)險(xiǎn)因素的管控具有很大現(xiàn)實(shí)意義。

2 工程概況

項(xiàng)目位于光明區(qū)馬田街道，西臨科達(dá)一路，北臨薯田埔路，場(chǎng)內(nèi)共有兩個(gè)地塊，地塊編號(hào)是04-37-03、04-10。 總用地、總建筑面積分別約為23 104.89 m2、181 473.1 m2。 項(xiàng)目04-10 地塊共計(jì)建設(shè)了3 棟超高層塔樓，3 棟塔樓戶型一致， 標(biāo)準(zhǔn)層建筑面積達(dá)到432.47 m2。3 棟塔樓的樓層數(shù)依次是48 層、48 層、46 層。 項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)層統(tǒng)一應(yīng)用全鋁模+爬架體系施工建造。

標(biāo)準(zhǔn)層預(yù)制構(gòu)件類別主要有如下3 種：預(yù)制疊合板（21塊）、預(yù)制凸窗（5 塊）、預(yù)制外墻（2 塊）。 戶內(nèi)隔墻應(yīng)用ALC 墻板。

3 風(fēng)險(xiǎn)分析

對(duì)于超高層建筑而言， 其常見(jiàn)的風(fēng)險(xiǎn)因素以結(jié)構(gòu)及施工安全風(fēng)險(xiǎn)兩類為主， 前者主要是整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌、 局部倒塌、結(jié)構(gòu)或節(jié)點(diǎn)破損、形變量過(guò)大等。 結(jié)合建筑的施工工藝要求，核心筒施工通常先于外框水平樓板大概8~15 層。 現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，整個(gè)建筑還沒(méi)有建成完整的結(jié)構(gòu)體系，特別是核心筒結(jié)構(gòu)，因?yàn)闆](méi)有及時(shí)建成外圍框架及水平樓板，以致核心筒處在懸臂受力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度明顯低于最后的結(jié)構(gòu)，這就意味著施工中結(jié)構(gòu)存在著較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。 當(dāng)有大風(fēng)或臺(tái)風(fēng)侵?jǐn)_時(shí)，結(jié)構(gòu)的側(cè)移、層間位移角及局部臨時(shí)應(yīng)力偏大，增加混凝土構(gòu)件裂痕、節(jié)點(diǎn)受損的風(fēng)險(xiǎn)，極端工況下很可能發(fā)生局部嚴(yán)重破損或傾倒等事故[2]。

結(jié)合以上分析的內(nèi)容，在設(shè)定好的施工工藝及設(shè)施條件下， 風(fēng)荷載大小及核心筒領(lǐng)先外框框架的具體層數(shù)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)安全系數(shù)起到?jīng)Q定性作用。 在研究超高層建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題時(shí)，工作人員要科學(xué)設(shè)定風(fēng)荷載具體值。 國(guó)家現(xiàn)行規(guī)定針對(duì)超高層建筑建設(shè)中防御臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的風(fēng)荷載具體值至今沒(méi)有做出確切規(guī)定。 在分析極端氣候之下超高層結(jié)構(gòu)施工的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，若風(fēng)荷載取值過(guò)大時(shí)，則會(huì)造成施工成本顯著增加； 但風(fēng)荷載偏小時(shí)， 那么施工安全風(fēng)險(xiǎn)會(huì)相應(yīng)增加，這是不可行的。 鑒于以上狀況，工程建設(shè)中應(yīng)科學(xué)確定風(fēng)荷載， 將其作為極端氣候條件下研究防御臺(tái)風(fēng)方案的一項(xiàng)基本參數(shù)。

4 合理確定施工風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)載荷值

分析項(xiàng)目結(jié)構(gòu)及大型設(shè)施裝置的安全風(fēng)險(xiǎn)時(shí)， 可以依照工程所在地的臺(tái)風(fēng)發(fā)生頻率域現(xiàn)實(shí)工況合理設(shè)定基本風(fēng)速的重現(xiàn)期。 現(xiàn)如今，大部分超高層的施工工期是4~6 年，分析施工風(fēng)險(xiǎn)因素時(shí)可以嘗試主要顧及重現(xiàn)期是10 年的風(fēng)荷載，風(fēng)荷載對(duì)應(yīng)的最大值是10 級(jí)風(fēng)，將其轉(zhuǎn)算所得風(fēng)壓作為基本風(fēng)壓。 結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范，本工程所在地10 年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓值是0.4 kPa， 將其換算成高程10 m 位置的10 min 平均風(fēng)速是25.5 m/s，大體保持一致[3]。

5 分析與控制項(xiàng)目施工主體結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值

在本工程施工建設(shè)中核心筒義工發(fā)生了3 次改變，當(dāng)4 臺(tái)主塔吊爬升到最高處時(shí)，這樣的工況下核心筒截面為十字形，上、下道框分別處于578.40 m、556.80 m 時(shí)，核心筒被施工到124 層，外圍結(jié)構(gòu)大概施工到107 層左右，可見(jiàn)核心筒領(lǐng)先外圍混凝土樓板大概17 層， 因?yàn)楹诵耐沧陨斫孛鏋槭中?，和低區(qū)結(jié)構(gòu)相比較，核心筒抗側(cè)剛度、承載能力均降低，因?yàn)樘幱谧罡呶恢?，所以塔吊風(fēng)險(xiǎn)最大，同時(shí)塔吊也對(duì)建筑主體結(jié)構(gòu)施加了最大的風(fēng)險(xiǎn)。

運(yùn)用有限元軟件MADIS 分析數(shù)據(jù)，測(cè)算環(huán)節(jié)做出的假設(shè)與說(shuō)明內(nèi)容主要包括如下幾點(diǎn)[4]：（1）基于ACI+PCA 模型測(cè)算出收縮徐變量， 可以綜合分析巨型柱配筋率這一指標(biāo)帶來(lái)的影響；（2）核心筒剪力墻和巨型柱內(nèi)統(tǒng)一應(yīng)用了高強(qiáng)水泥，設(shè)定的加載時(shí)齡期都是5 d；（3） 施工環(huán)境相對(duì)濕度為70.0%；（4）運(yùn)算模型內(nèi)綜合分析了4 臺(tái)動(dòng)臂式塔吊與核心筒鋼平臺(tái)荷載帶來(lái)的影響；（5）因?yàn)榈鼗痪鶆蛳鲁吝^(guò)程體現(xiàn)出了較明顯的復(fù)雜性，暫時(shí)不分析基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形變帶來(lái)的影響。

對(duì)于頂部3 層核心筒混凝土均按照C40 測(cè)算， 中間5 層構(gòu)造則依照C50 運(yùn)算，其他各層統(tǒng)一依照C60 計(jì)算。 綜合以上熱分析所得結(jié)果確定風(fēng)荷載具體值，選擇10 年一遇風(fēng)荷載（基本風(fēng)壓對(duì)應(yīng)值是0.40 kN/h，對(duì)應(yīng)的是10 級(jí)風(fēng)）。 塔吊荷載見(jiàn)表1。 在塔吊作業(yè)狀態(tài)下，確定其荷載值要充分分析到3 種最不利的工況（見(jiàn)圖1）。 而在非作業(yè)狀態(tài)下，僅需要考慮兩種最不利的工況條件（見(jiàn)圖2）[5]。

圖1 塔吊設(shè)施作業(yè)狀態(tài)工況

圖2 塔吊設(shè)施非作業(yè)狀態(tài)工況

表1 塔吊設(shè)施的荷載值統(tǒng)計(jì)表

6 加固以后的運(yùn)算分析

經(jīng)系統(tǒng)化分析后，核心筒自身的變形量過(guò)大，連梁位置應(yīng)力值也處于較高水平， 明顯超出了現(xiàn)行規(guī)范要求以及項(xiàng)目設(shè)計(jì)的允許范疇，施工隊(duì)要盡早應(yīng)用切實(shí)可行的加固手段。 加固方法如下[6]：

1）將4 根鋼管增設(shè)到爬升框與核心筒連接節(jié)點(diǎn)1 處，利用其可靠銜接“十字形”核心筒構(gòu)造，最大限度強(qiáng)化整個(gè)核心筒的抗扭剛度水平，進(jìn)而提高安全冗余度值。

2）因?yàn)楹诵耐矇w自身開(kāi)洞尺寸偏大而造成局部應(yīng)力較高，故而要對(duì)其進(jìn)行加固處理（見(jiàn)圖3）。

圖3 筒體加固區(qū)圖示（118~125 層）（單位：mm）

3）在預(yù)埋件的協(xié)助下可靠連接爬升框結(jié)構(gòu)和核心筒中的勁性柱， 把勁性錨梁穩(wěn)妥設(shè)置在塔吊荷載受力方向和埋件進(jìn)行可靠焊接，借此方式安全地將塔吊荷載傳送到核心筒。

6.1 作業(yè)狀態(tài)的計(jì)算

6.1.1 應(yīng)力分析

在有承載力驗(yàn)算荷載組合共同作用的工況下， 分析核心筒墻體應(yīng)力的分布特征。 塔吊作業(yè)狀態(tài)工況1、2、3 組合作用之下的核心筒最大應(yīng)力對(duì)應(yīng)值分別是7.3 MPa、7.0 MPa、6.8 MPa，且均在受壓狀態(tài)下出現(xiàn)應(yīng)力的峰值，這一點(diǎn)和現(xiàn)行規(guī)范要求相吻合。核心筒的連梁截面都是1 000 mm×500 mm，單側(cè)配備了8 根內(nèi)徑達(dá)到32 mm 的HRB400 鋼筋建材，其在塔吊工況作業(yè)狀態(tài)1、2、3 組合作用下其連梁應(yīng)力最大值分別是9.6 MPa、6.4 MPa、7.32 MPa； 混凝土連梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度檢驗(yàn)結(jié)果是最大應(yīng)力比為0.35，可見(jiàn)其安全儲(chǔ)備水平相對(duì)較高。 加固鋼管應(yīng)力峰值是100.0 MPa，最大應(yīng)力比是0.69，均符合規(guī)范要求[7]。

6.1.2 變形分析

塔吊工況作業(yè)狀態(tài)1、2、3 組合之下核心筒變形量最大值分別是72.0 mm、34.0 mm、14.0 mm。 整個(gè)頂部最大變形處于相關(guān)技術(shù)規(guī)程做出的限定范圍。

6.2 非工作狀態(tài)驗(yàn)算

6.2.1 應(yīng)力分析

當(dāng)有承載力驗(yàn)算荷載組合作用時(shí)，核心筒塔吊非作業(yè)狀態(tài)工況1、2 組合下其應(yīng)力最大值分別是11.0 MPa、12.0 MPa，均和技術(shù)規(guī)范要求相吻合。 核心筒連梁橫截面積都是1 000 mm×500 mm，單側(cè)安裝了8 根32 mm 的HRB400 鋼筋，應(yīng)力塔吊非作業(yè)狀態(tài)工況1、2 組合作用時(shí)連梁應(yīng)力最大值分別對(duì)應(yīng)的是7.4 MPa、9.5 MPa；驗(yàn)算混凝土連梁的強(qiáng)度，最后得出其最大應(yīng)力比是0.24，由此可以初步認(rèn)定其安全儲(chǔ)備較高。 測(cè)得加固鋼管材料的應(yīng)力最大值、 最大應(yīng)力比分別是94.5 MPa、0.63，都符合規(guī)范[8]。

6.2.2 變形分析

塔吊非作業(yè)狀態(tài)工況1、2 組合下核心筒結(jié)構(gòu)的變形量最大分別是52.4 mm、71.5 mm，均被控制在規(guī)范限值范圍內(nèi)。

7 控制大型塔吊的安全風(fēng)險(xiǎn)

除了分析10 年一遭遇的臺(tái)風(fēng)災(zāi)害對(duì)建筑結(jié)構(gòu)安全性產(chǎn)生的影響之外，也要對(duì)于不同的臺(tái)風(fēng)級(jí)別，為各部塔吊設(shè)備編制相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與管控方案， 具體是依照風(fēng)力大小把臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)分成藍(lán)、黃、橙、紅、黑5 個(gè)不同級(jí)別，編制了相配套的風(fēng)險(xiǎn)管控方法（見(jiàn)表2）[9]。

表2 在不同臺(tái)風(fēng)級(jí)別下塔吊的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)及管控方法

8 完善大型塔吊附著撐桿的選型工作

塔吊安裝公司早期提出了兩個(gè)方案。

方案一：格構(gòu)式撐桿，主、附綴條分別運(yùn)用∟100 mm×10 mm、∟65 mm×5 mm；橫截面積為350 mm×350 mm。

方案二： 圓管式撐桿，L1、L2、L3、L4均運(yùn)用219 無(wú)縫鋼管，L1~L3壁厚10 mm，L4為16 mm。

通過(guò)運(yùn)算發(fā)現(xiàn)， 以上兩個(gè)方案內(nèi)所有撐桿承受的壓力均低于鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，即符合項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，方案一內(nèi)所選用的構(gòu)件經(jīng)濟(jì)性較高，加工操作量偏大；而方案二內(nèi)建材售價(jià)雖然較高，但實(shí)際加工量偏小。 綜合分析評(píng)估后決定選用方案二。

9 結(jié)語(yǔ)