某工程K4021塔吊附墙杆件在超常规条件下的设计与施工

季建国 王宝建 孙谨

【摘要】本文介绍了在建筑物结构条件和地形条件的限制下，在超常规的情况下，利用在建筑物上附加钢结构格构件，作为塔吊附墙杆件的支座，进行高层建筑塔吊附墙施工的实例。

【关键词】超长杆件；格构架；承载力；稳定性；撑杆；铰接；强度；刚度；焊缝；缀板

中图分类号：TU323文献标识码： A 文章编号：

1工程概况

深圳市某工程，建筑面积10.24万平方米，32层，其中地下室1层，4层裙房，6层为结构转换层，其上为5栋住宅楼，总高104米。本工程设有3台塔吊，其中的2# 塔吊为沈阳建筑机械厂生产的K4021塔吊，由于结构条件和地形条件的限制，只能布置在18轴以西100mm、M轴以北9200mm的位置，该塔吊的直接附墙时杆件长度达20.3米，已超出常规附墙杆件的长度范围；决定在主体结构上设计附加钢结构格构架，作为塔吊附墙杆件的支座。本文针对这方面的计算依据和施工措施作相应的介绍。K4021塔吊的主要技术参数见下表：

K4021塔吊主要技术参数

注:最大起重力矩为1600KN.M，最大幅度71.9M 时起重量为2.1t，最小幅2.5M时起

重为16t，最大转动扭矩为295t.m。

2 方案布置

2.1 方案选择

按照初期设想，塔吊附墙有三种设计方案，如（图一）示。方案二中的右侧附墙杆件长度达到20.3m，使得在设计中使用的杆件过长、过重，长细比难以保证，并且在制作、吊运、拆卸时比较困难，同时也不符合塔吊附墙杆的角度要求（300~600之间），所以方案二予以排除；由于在20~23/H轴之间布置有高层人货电梯，（该人货电梯只宜布置在两栋塔楼的中间位置，这样既能保证货梯附墙的安全，又极大地方便了工程的施工），使得附墙杆件无法拉通，故方案三予以排除；方案一选择在主体结构上附加设计钢结构格构架，作为塔吊附墙杆的支座，这样既满足了普通塔吊附墙杆件的设计要求，又能较方便地施工塔吊附墙杆件和格构架。综合各方面的因素，对初期设想的三种设计方案进行比较，决定采用方案一来进行塔吊附墙的设计。

具体布置：16轴与M轴向南900的交接处设附墙杆的预埋件，在H—M/20轴与18—20/M轴处设钢结构格构件作为附墙杆的支座，同时在B点上设反拉钢丝绳、在F点下设三角架支撑，以及在格构件FB与BE之间加设连接件MH作为安全构造保证措施，见（图一）及（图七）。该塔吊共布置四道附墙，分别在6、13、20、27层。

2.2内力计算

本附墙支架的内力计算分为二部分，一是附墙杆件的内力计算，二是附墙杆件支座钢结构格构件的内力计算。通过力法方程，在考虑风荷载的作用下，经计算附墙杆对支架支座的最大反力为：±452.86KN，即计算简图中的BD杆的轴向受力（计算过程忽略）。

BD附墙杆的受力见（图二）：图中NBD=+452.86kN

BD杆在其自重和风荷载组合最不利情况下的垂直荷载为NZ：

p（自重）=9.63 kN p（风）=2*q*L=0.4556kN（q为深圳市风载系数）

P风1=455.6*6.7/10.59=2.88KN P风2=455.6*8.2/10.59=3.53KN

说明：上图中的计算简图一为塔吊附墙支座处的最大反力计算简图，其中，M2为塔吊的最大扭矩，N2为支座处最大反力；计算简图二为附墙格构架内力分析计算简图；计算简图三为构造加强措施BG杆的受力分析，详见第3.2条。

对支座B：NBD=N轴力=452.86KN NZ1=P/2=4.82KN

所以由计算简图二可知： NBF1=±290.1kN NBE1=±350.75KN

Nz=7.75+(PBE自重+ PBF自重+PBG自重 )/2=13.68 KN

由计算简图三可知,

NBF2=13.68*7.5/5.6=18.31 KNNBE2 =0 KN

对钢结构格构架,按最不利荷载组合：

NBF = NBF2+ NBF1=±309.41KN NBE = NBE2+ NBE1 =±350.75KN

BF杆两端铰接,计算长度为L0=7500mm, 其受力简图同上：

BE杆两端同样按铰接, 计算长度L0=8500mm,格构件的截面形式见（图四）：

由于BE杆内力最大，以BE杆作为设计计算杆进行验算：

支架杆规格： [25b，材质：Q235B

S=2*39.91=79.82CM2WX=2*282=564CM3 iX=9.41CM

λX=L/ix=90.23φX=0.62 λ0Y=（λ2Y+λ21）1/2

IY=2*(196+39.92*15.672)=19991.71CM4 iy=(IY/A)1/2=15.82CM

λY=L0Y/ iy=850/15.82=53.72

格构件截面示意图 （图四）

λ1=L01/i1=55/2.22=24.7<0.5λY=26.86，且不大于40的分肢稳定性要求。

λ0Y=(24.72+53.722)1/2=59.1<[λ]=150 L0=850CM

查表可得 φBE=0.813

其中：

S：双肢格构件的面积WX：X轴方向的截面抵抗矩

iX：X轴方向的回转半径λX：X轴方向的长细比

φX：X轴方向的稳定系数 λ0Y：Y轴方向的换算长细比

IY： 格构件在Y轴方向的惯性矩 iy： Y方向的回转半径

λY：Y方向的长细比 λ1：分肢对最小刚度1-1轴线的长细比

L0Y：格构件在Y方向的计算长度 L01：相邻缀板间的净尺寸

i1： 分肢对1-1轴线的回转半径，可查表。

2.2.1轴力产生的应力：

σ1=NBE/(ФBE*S)= 540.50kg/cm2 σ1ˊ= NBE/(ФX*S)= 708.75kg/cm2

2.2.2 自重产生的应力和两槽钢在竖直方向上的中心线高为：

M=qL2/8=PL/8=92862Kg.cmH2=31.34CM N2=M/H2=2963Kg

λ2=75/2.22=33.78（75cm为缀板的中心距离）

Ф2=0.925 σ2=N2/(Ф2S2)=80.26Kg/CM2

2.2.3 风力产生的应力： N风=348Kg

M风=PL/8=36975Kg.CM σ3=M/WX=65.6Kg/cm2

2.2.4 支架杆所受的应力： σ=σ1+σ2+σ3=854.61kg/cm2

2.3 内力复核

2.3.1应力复核

[σ]/ σ=2150/1.34=1604.5>854.61 ， 1.34为安全系数 即σ<[σ],支架安全。

2.3.2架杆竖向挠度

f=5qL4/(384EIY)=5PL3/(384EIY) =0.167cm

[f]=L/700=850/700=1.214cm>f=0.167cm满足挠度要求。

2.3.3对缀板的验算

缀板间的净距为L01=λ1 * i1=24.7*2.22=55CM

预估缀板的宽度bj≥2b1/3=20.89cm,取20cm.

缀板的厚度 tj≥b1/40=31.34/40=0.78cm,取1cm 则缀板轴线间距L1=L01+bj=55+20=75cm

缀板线刚度与分肢线刚度之比值为:< 2(Ib/b1)> /(I1/L1) =16.27>6(满足要求)

2.3.4缀板的连接焊缝

采用角焊缝，三面围焊，计算时偏安全地仅考虑竖直焊缝，但不扣除考虑缺陷的10mm

取ht=8mm,内力计算从略。

2.3.5塔吊附墙杆与格构架支座的连接板的焊缝验算

格构架支座的连接板采用二个20厚的钢板与格构架焊接，连接板中间开孔Φ60±3mm，其中面层的连接板与该处的缀板合二为一，用螺栓与附墙杆连接，连接见格构件端部构造大样图。计算从略。

连接板与格构架之间的焊缝采角焊缝,其搭接长度为400mm，二面围焊，但不扣除考虑缺陷的20 mm，取ht=10mm,验算从略。

2.3.6上述连接板与塔吊附墙杆之间的连接

①、 连接板与塔吊附墙杆之间用铰接，有利于塔吊的卸载，螺栓采用Φ60高强螺栓(8.8级承压型)，由计算可知，由风力与自重产生的弯矩对连接点强度影响可忽略不计。

②、 格构件BF与格构件BE之间的连接用8M30*120，具体连接方式见（图五）。

格构件端部构造大样图 （图五）

3附墙支架的构造措施

为了确保附墙壁支架在各种复杂情况下都能正常工作，除严格按上述设计的钢结构格构架制作、安装外，还增加以下构造措施，以有利于荷载的传递，增加格构架的稳定，以确保安全。所有构造措施作为安全储备，不纳入荷载的计算。构造措施如下图所示：

3.1 在两格构件的中点M与H点之间，增加连接件MH，以加强格构架的整体稳定，MH

为20号工字钢，两端与格构架进行焊接，焊缝高度为8，焊缝长度＞200。在格构架BF与BE的交接处，两侧均增加三角形连接耳板，以加强两格构件之间的刚度，耳板采用20厚钢板，耳板的两边与格构架进行焊接，长度300，焊缝高度10。在耳板与格构件的连接点K、P点部位，对格构架内部增设腹肋板，以加强格构架的抗扭刚度。详见（图六）、（图七）：

3.2为保证附墙杆的水平传力及格构架在水平方向的稳定，在格构架的下方5600处设撑杆BG，BG选用2根槽钢[25b，中间加设缀板，组焊成小格构架。

腹肋板详图（图六）

3.3格构件BF与撑杆BG之间，加设连接杆FL，以加强撑杆的整体稳定性，连接杆采用

用20号工字钢，两端与格构架BF和撑杆BG进行焊接，焊接要求同上。见（图七）：

3.4 在附墙杆与钢结构支座的连接处的格构件的二个槽钢中间加设纵向加强钢板，以加强连接点处的整体钢度；在端部连接中，由于左侧钢板与格构架的缀板不在同一平面上，为保证其刚度及传力效果，增设4块加强肋板，具体连接方式见（图八）。

3.5附墙杆受力为拉撑两种作用，砼对受拉比较敏感，同时由于结构条件限制了埋件的大小、形状，故预埋件的设计尤其重要。本工程六层以上外围结构均为剪力墙结构，墙厚15层以下为250，15层以上为200，不能保证所有的预埋件的元钢均锚入到砼中，这样就不能保证预埋件不被拔出，现对16轴处A点的预埋件处理如下：此处结构上为竖向剪力墙与水平楼层的交点，在埋置预埋件时，只能保证纵横两个中轴上的7根元钢能完全锚入到砼中，而四角各有预埋件的二根元钢因砼墙厚只有200而达不到锚固要求，现取消这8根元钢，而在砼墙的两侧用8根Φ60高强螺栓连接，螺栓的抗拉应力等于元钢充分所产生的拉应力，在剪力墙预埋件的背面，紧固螺栓时要采用钢垫板。详见（图九）：

附墙杆件端部连接示意图 （图八）

3.6 塔吊附墙格构架支点处预埋件在标准层埋设时的处理措施；

3.6.1 为加强格构架在M/18轴位置处的预埋件的受力效果，决定对该部位的窗户洞口在M轴方向上浇筑砼进行封闭。标号同墙体部位，配筋除与墙体具有相同的配筋外，增配钢筋

φ20@100双层双向进行加强，对洞口部位与墙体连接处采用钢丝网进行间隔，以便在塔吊拆除后对窗户洞口进行恢复。

3.6.2 为加强格构架在H/20轴处的预埋件的埋设效果，决定对该部位在梁范围以外的外伸墙体进行后浇，预留插筋，以保证预埋件的受力。详见（图十）：

4塔吊附墙杆件与格构架制作、安装、拆卸施工注意事项

4.1塔吊附墙杆与格构架的施工必须待方案审批后才能进行。

4.2必须按设计要求施工，构件尺寸必须精确。

4.3必须确保焊缝的高度、长度和焊缝质量，每条焊缝必须认真检查，尤其是结构焊缝。施焊人员必须持有特殊工种操作证，并设立专人负责检查验收。

4.4格构架附墙处的标高要与楼面层标高基本持平，以增加塔吊附墙杆支座处的水平刚度，同时也方便预埋件的设置和施工。

预埋件在标准层处的节点图（图十）

4.5构造措施按构造说明施工，必须确保预埋件的埋设符合设计要求，保证预埋件的制作尺寸、锚固长度、焊缝长度与高度达到要求，保证该处砼的密实度和整体性能，砼中的构造钢筋按设计要求施工。对于连接耳板、加强连接件MH、FL及钢丝绳OB，必须认真施工与检查，保证其质量，不能遗漏。

4.6将塔吊的70M大臂改制成50M大臂，重新设计塔吊的限载，将最大起重量降低，严格按操作规程使用塔吊，大风和暴雨天气严禁操作。

4.7 塔吊附墙杆与钢结构格构架施工时，要有技术交底和安全交底，并由相关负责人讲解

操作要点，设立专职指挥，划定施工区域，严禁闲人进入。施工完备后，要经过项目部、工程处检查验收并报请公司验收后，塔吊方可继续使用。

4.8在格构架拆卸过程中，由于塔吊大臂受结构形状限制，不能吊运附墙格构架，为了保证格构架拆卸能够顺利进行，对二十七层的格构架暂不进行拆卸，作为吊运下几层格构架的支撑；待塔吊拆除后，在屋面上安装吊杆，用卷扬机将未拆卸的钢结构格构架在进行分割后，逐一拆除。

5结束语

5.1目前该塔吊已投入使用，该部位的施工层次到达了32层，四道附墙已施工完备，在上级主管部门的监督和控制下，各方面运转均正常。

5.2 从经济角度看，由厂家进行附墙设计、施工的总报价为35万元，而按照本方案进行设计、施工的附墙总造价为9万元，节约了近26万元。但它的总造价还是超过了普通塔吊附墙造价的2.5倍。

5.3该塔吊附墙的施工难度较大，因此在条件许可下，还要谨慎使用。通过这次事例，可以为我们以后在工作中，遇到塔吊附墙在特殊情况下施工时，提供一些实践经验。

作者简介：

季建国（1971年出生），男，江苏泰州市人，工程师，国家一级建造师、监理工程师、安全工程师，现就职于江苏华建建设股份有限公司，从事建筑施工技术管理；

王宝建（1969年出生）,江苏泰州市人，高级工程师，国家一级建造师、监理工程师，就职于江苏省第一建筑安装有限公司, 从事建筑施工技术管理、行政管理；

孙谨（1973年出生），男，江苏泰州市人，高级工程师，国家一级建造师，现就职于江苏华建建设股份有限公司，从事建筑施工技术管理、行政管理。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。