沈阳第一高楼建造中的大型塔机高空拆除关键技术研究

上海建工五建集团有限公司 上海 200063

1 概述

1.1 工程概况

沈阳茂业中心位于沈河区青年大街185号，工程占地面积2.56万 m2，总建筑面积42万 m2，由1 幢主塔楼（75 层、311 m）、1 幢公寓楼（54 层、188 m）、1 幢住宅楼（44 层、164 m）组成，3 幢单体共用7 层商业裙房及3 层地下室（建筑标高-14.4 m），为已建成的沈阳第一高楼（图1）。

1.2 塔吊概况

超高层塔吊布置常有3 种形式：布置在建筑外侧的落地附墙式；布置在核心筒墙体外的外挂内爬式；布置在核心筒内的座梁内爬式。3 种方法在成本、技术难度上各有优劣，对于超过250 m的超高层，一般采用内爬式塔吊较为经济合理[1]。

综合考虑本工程钢结构总吨位、总吊装工作量和构件最大分节质量，本工程选择在核心筒内布置1 台抚顺永茂STT553A型平头塔吊，并在核心筒内墙体设置钢梁，塔吊内爬。STT553A塔吊在有效回转半径50 m范围内能满足最远端钢柱、钢梁、钢桁架的吊装。

经过18 次爬升，STT553A塔机最终达到起重臂铰点为318 m高度，塔吊剖面及平面位置见图2、图3。本文主要介绍塔机退场时所采用的高空拆除方式。

图1 沈阳茂业中心效果图

图2 沈阳茂业中心内爬塔吊剖面

1.3 屋面结构概况

沈阳茂业中心屋面平台标高299.8 m，采用压型钢板组合楼板结构形式，平台设钢结构折梁，梁高400 mm，兼顾建筑和结构的需要。设备间屋顶标高311.0 m，屋面采用钢筋混凝土框架结构，主梁截面300 mm×500 mm，楼板厚120 mm。

2 塔吊拆除总体方案

2.1 总体技术路线的确定

内爬塔吊的拆除一般借助屋面吊，对于较大吨位塔吊需要引入多个屋面吊，以分级置换的方式拆除。

本工程中STT553A高空解体后，最大拆解单元质量接近12 t。同时由于裙房区域已提前开业，地面卸料场地有严格限制，对屋面吊远端起重能力有较高要求。

本工程屋面可用场地狭窄，且屋面之间存在较大高差，屋面吊的位置选择十分困难。

屋面吊基础落在较为薄弱的屋面结构上，结构需要进行验算，确定加固方案。

经综合比选，确定了“ZSL270+QTZ50多级置换，屋面吊塔身接高、楼面临时支撑加固”的总体技术路线（图4）。

图4 屋面吊多级置换方案剖面

2.2 平面布置

由于本工程裙房提前开业，地面仅保留西侧施工场地，屋面吊按大小次序布置于STT553A西侧。ZSL270选择布置于小屋面顶部，基础尽量利用结构剪力墙；QTZ50选择布置于大屋面，基础尽量利用已有钢梁（图5）。

2.3 总体流程

1）塔吊使用结束后，在主楼小屋面（结构标高310.95 m）上安装1 台ZSL270型屋面吊，实施STT553A塔吊拆卸；

图5 屋顶平面示意

2）在主楼大屋面（结构标高299.8 m）上安装1 台QTZ50型屋面吊，实施ZSL270型屋面吊拆卸；

3）由于主楼大小屋面存在10.55 m高差，且外部幕墙比大屋面高10.55 m，造成QTZ50型屋面吊拆卸ZSL270型屋面吊时施工高度不够，需在QTZ50型屋面吊下设置格构柱；

4）QTZ50型屋面吊及格构柱人工分解后，利用高速消防电梯从73F运至地面。

3 关键技术研究

3.1 设备与结构相互作用影响分析

3.1.1 计算简图

本工程中利用屋面吊进行高空作业，结构承载能力是保证整个拆卸方案安全实施的关键。因此利用计算软件ETABS建立三维有限元整体模型，按照真实结构中不同部分构件的位置及其功能，用板、壳、杆等不同单元类型进行模拟。

屋面吊对结构影响仅限于局部楼层，为提高计算效率，突出重点，仅取屋顶以下3 层结构参与计算（图6）。

图6 结构计算模型

构件之间梁与柱连接为刚接，梁与核心筒为铰接。

3.1.2 荷载与边界

以屋面吊工作状态为最不利状态进行受力分析，吊机反力以集中力形式施加在屋面吊支座处。

荷载包括结构自重、屋面恒荷载、屋面活荷载、屋面塔吊荷载等。

3.1.3 结果与结论

通过有限元分析（图7、图8），在预定的施工顺序加载作用下，QTZ50基础下结构钢梁GKL2及周边次梁GL2下方需要增加临时支撑。

采用48 mm钢管对相关区域钢梁进行加强，上部设顶托增加承载力，加固范围为71～73F。经过加固后的屋面结构满足拆解过程的承载受力要求。

3.2 利用ZSL270拆除STT553A

3.2.1 吊能分析

STT553A拆解时共可分为12 个大部件，其中回转总成为最重构件，单件质量达11.307 t。

ZSL270吊装曲线（图9）表明，20 m吊装半径可实现12.2 t的起重质量，满足STT553A拆解要求。

图7 钢框组合结构整体位移云图（单位：mm）

图8 框架梁和加强支撑应力比

图9 ZSL270吊装能力曲线

3.2.2 屋面吊基础形式

ZSL270安装于核心筒屋面（结构标高310.95 m）上。为使屋面吊荷载能有效传递至核心筒剪力墙，采用底座钢梁与转换钢梁构成的双层正交叠合钢梁体系（图10）。屋面吊底座尺寸为4 m×4 m，基础预埋铁中心距离6 m×6 m，底座钢梁与转换钢梁截面尺寸均为600 mm×300 mm×25 mm×25 mm。构件之间通过焊接连接。4 块预埋件标高误差控制在1‰之内。

3.2.3 拆卸重点

1）塔机最前端20 m起重臂，平衡臂和回转总成拆卸下来后，需要在核心筒顶面上摆放进行解体，逐一从核心筒面上吊运到地面，其余总成件、部件拆除后直接吊至地面[2]。

2）ZSL270屋面吊需变幅至大于20 m回转半径的范围，考虑对成品幕墙的保护，使吊物离墙面约6 m处下降至地面。

图10 ZSL270基础采用双层正交叠合钢梁体系

3）所有物件从拆卸面往下降时都必须拉设牵引导向绳。起重臂、平衡臂应两端设牵引导向绳，以控制下降过程中的安全[3]。

3.3 利用QTZ50拆除ZSL270

3.3.1 吊能分析

ZSL270拆解时共可分为18 个大型部件，其中回转总成为最重构件，单件质量达5.7 t。

QTZ50吊装曲线表明，8 m吊装半径可实现6.4 t的起重质量，满足ZSL270拆解要求。

3.3.2 QTZ50塔身接高

由于主楼屋面结构比较复杂，大小屋面存在10.55 m高差，造成QTZ50拆卸ZSL270时施工高度不够，需在QTZ50屋面吊下设置格构柱进行塔身接高（图11）。

图11 利用格构柱进行QTZ50塔身接高

经受力分析，格构柱截面尺寸4 000 mm×4 000 mm，由4 根用热轧125 mm×10 mm等边角钢拼方成400 mm×400 mm的钢柱组成，钢柱间用16a#槽钢（160 mm×10 mm×63 mm×6.5 mm）分别作为水平杆和斜撑杆，格构柱高9 m。缀板采用10 mm×360 mm×100 mm钢板，中心间距500 mm。

利用有限元软件对格构柱基础进行整体建模，分析承载力和变形情况。

由模型分析计算得：格构柱刚架设为四支座铰接情况下，支座最大反力约为263 kN。格构柱钢材应力均在-28～84 MPa之间，小于钢材的允许应力，满足计算要求。支座应做好柱脚构造措施，控制局部应力集中。

3.3.3 基础形式

屋面吊底部选用600 mm×300 mm×25 mm×25 mm钢梁，每端用2 根φ30 mm高强度螺栓和2 根16#槽钢作为抱箍，把底部钢梁固定在600 mm×300 mm×14 mm×20 mm结构钢梁上。

3.3.4 拆卸重点

1）拆卸起重臂时，应满足QTZ50型屋面吊起重量要求，须将ZSL270屋面吊起重臂分4 段拆卸。

2）考虑对成品幕墙的保护，使吊物离墙面约4.5 m处下降至地面[4]。

4 结语

沈阳第一高楼茂业中心STT553A内爬塔吊利用ZSL270和QTZ50屋面吊在311 m高空成功实现分级置换拆解，利用有限元软件对拆解过程进行了结构分析，确定了加固方案，确保了施工过程的安全。

采用QTZ50型屋面吊下设置高9 m的格构柱弥补了主楼大小屋面存在的10.55 m高差，顺利地将ZSL270型屋面吊拆除。

内爬塔吊的分级置换拆解涉及多台大型机械的高空安装、使用和拆除，工艺环节多、作业风险大，需要对每个细节进行细致考虑。特别是基础的设置、构件连接节点的设计、主体结构的受力复核是保证整个工艺顺利实施的关键。沈阳茂业中心主塔吊STT553A在311 m高空实现安全拆除，为类似工程提供了有利的借鉴。