超高层爬模系统通过伸臂桁架层时的设计及应用

李晓冬，柯思睿，刘浩，张超

（中交一航局第四工程有限公司，天津 300456）

1 工程背景

中交汇通横琴广场工程3号塔楼为钢管混凝土框架+核心筒+伸臂桁架结构，结构设计标高为+299.4 m，核心筒外形近似于橄榄形。核心筒为钢筋混凝土结构，核心筒外侧竖向墙柱结构总计经过5次变截面，从1 200 mm变至600 mm；并在结构标高+100.00 m和+200.00 m各设计1个加强层，以提高建筑物水平荷载抗力。加强层设置4榀伸臂桁架，伸臂桁架牛腿突出核心筒墙面，

如图1，给竖向结构爬模施工带来困难。

图1 伸臂桁架层示意图Fig.1 Schematic diagram of extension arm trusslayer

2 爬模施工设计

2.1 体系设计

1）单元构造

爬模系统是爬升模板的简称，主要由爬架系统和模板系统组成，用于竖向剪力墙、核心筒及高墩的施工，旨在解决竖向结构施工中垂直运输和竖向维护问题等。而爬模体系中最为关键的体系为爬架体系，为满足施工要求，整个爬架体系主要由操作平台、围护平台、作业平台等模块组成，如图2。

图2 爬架系统示意图Fig 2 Diagram of the climbing system

爬架体系整体受力通过下部承重三角架传至悬挂靴，然后传至预埋埋件，最终传至核心筒混凝土结构。

爬模系统设计中关键为整体爬架设计，主要解决爬架架体在施工、爬升、停工状态下受各类荷载（自重、施工荷载、风荷载）及效应最不利组合作用下的安全使用问题。

2）本工程爬模体系设计

本工程爬模体系分为内筒爬模、外筒爬模2个部分，共划分为30个单元。爬升体系考虑到伸臂桁架层施工，外架体划分为14个独立的单元，各单元采用固定铰链连接的翻板和固定铰链的外防护门作为连接，如图3。标准层爬升时，外架各单元和链接的翻板通过液压油路联通同时爬升。伸臂桁架施工时拆除翻板和外防护门，并做好架体内侧安全防护后将外架剩余单元同时连接液压油路同时爬升。

图3 可翻转平台示意图Fig.3 Flip platform schematic

本设计最大的优点是同时考虑到了核心筒标准层和伸臂桁架层施工的兼容性，以及平面变化的适应性，提高了工作效率，增强了安全保障。

2.2 单元设计

2.2.1 爬模荷载组成

主要由钢筋绑扎平台、混凝土浇筑平台、模板操作平台、液压操作平台、维护平台组成，具体见图2。考虑到施工要求和相关规范规定，将各平台的荷载和宽度的设计值列于表1。

表1 操作平台荷载值计算结果表Table 1 Calculation results of operating platform load values

恒载标准值说明：

1）每层平台走道由2根槽钢（10.0 kg/m）和3 mm花纹钢板（23.55 kg/m2）组成，计为各层平台每米影响宽度自重。

2）模板体系自重45 kg/m2，高4.60 m，每米影响宽度模板重207 kg，故由此传到架体上荷载为2.07 kN/m。

3）各层由防护网（8 kg/m2）和防护栏杆（3.84 kg/m）组成防护体系，计为每米影响宽度自重。

4）因防保网是具有开孔的冲孔网，开孔率39.25%；风荷载标准值[1]按相关规范选定。

2.2.2 爬模荷载组合

爬模设计计算时分别考虑各类荷载组合，主要考虑施工工况、爬升工况、停工工况的强度、刚度、稳定性设计。爬模装置的荷载效应组合详见表2[2]和图4。其中选用钢材的抗剪设计值为：fv=1.25 N/mm2；抗拉、抗压及抗弯设计值为：f=215 N/mm2。

表2 不同状态下荷载值组合公式表Table2 Table of combined formulas for load values in different status

图4 架体受力示意图Fig.4 Frame force diagram

2.2.3 爬模支架计算

本工程爬模设计考虑到简洁方便，将平台板所受均布荷载、维护结构风荷载、模板自重荷载、施工荷载等通过受力转化，将其转换为爬架架体的节点荷载进行计算，计算按单榀架体建模。经PKPM建模分析：在风荷载、恒荷载、活荷载、施工荷载同时作用，并且架体上处于施工状态时受力最大。具体结果见图5。

根据以上计算选定架体单元构件尺寸及截面，以满足爬模架体施工要求。各杆件设计情况见图6。

图5 剪力轴力弯矩包络图Fig.5 Shear axial bending moment envelope diagram

图6 架体构造图Fig.6 Structural diagram of erecting body

2.2.4 爬模埋件验算

爬架主要受力荷载由下部承重三角架传至悬挂靴[3]，然后传至预埋埋件。预埋埋件主要使用高强钢材制作，埋件螺栓不仅需满足抵抗架体传来的剪力要求，还应具备重复利用的性能。验算预埋件主要包括与混凝土之间的抗拔能力、局部剪切应力等，本项目采用厂家定型产品，经复核满足要求。

2.2.5 止动预埋件抗拉强度验算

本项目采用止动预埋件是多卡产品进口标准件，见图7所示，单根止动预埋件[4]抗拉强度设计值为175 kN，大于计算值149 kN，止动预埋件抗拉强度满足要求。

图7 预埋锚固爬锥示意图Fig.7 Diagram of pre-embedded anchor climbing cone

2.2.6 止动预埋件的抗拔力计算

以锚板锚固锥体破坏埋件的锚固强度计算为例，假定埋件到基础边缘有足够的距离，锚板螺栓[5]在轴向力F作用下，破坏锥体高度h取200 mm，锚板直径b取100 mm，螺栓及其周围的混凝土以圆锥台形从基础中拔出破坏，见图8。

图8 螺栓受力破坏示意图Fig.8 Mechanical failure diagram of bolt

由图8分析可知，沿破裂面作用有切向应力子s和法向应力啄s，由力系平衡条件可得：

式中：A为面积；子s为剪应力；啄s为正应力。

混凝土局部抗压及红头螺栓的抗拔性能计算，此处不再阐述。

2.2.7 模板系统设计

为实现爬模爬升时一次性通过伸臂桁架层，在设计模板系统时考虑伸臂桁架层牛腿处的模板配模问题。主要模板体系为钢框木模+组合模板[6]，牛腿位置设置独立的钢框木模，边角位置不满足钢框木模配模模数要求时配置组合钢模[7]。当施工至伸臂桁架层时，将牛腿位置钢框木模拆除，改换成组合模板，其余位置不变。

模板体系按照钢框木模竖向钢围檩，双拼槽钢围檩，计算模板体系的刚度、强度，此处不再赘述。

3 伸臂桁架层爬模施工措施

3.1 架体爬升施工

爬架爬升过程经过伸臂桁架层牛腿时，爬模先按标准层正常爬升，各操作层经过牛腿时，分别拆除牛腿位置受影响的水平走道板和连接杆件，未受影响部分保持原状。通过牛腿后的操作层恢复原走道板和连接杆件，架体完全通过伸臂桁架层，恢复标准层爬升。爬升过程如图9所示。

3.2 爬模管线处理措施

架体上油管、电缆、灯带等线管通过增加长度的方式绕行牛腿，待牛腿通过后恢复。每个牛腿处设置专人操作，爬升前负责加长管线并绕开牛腿，通过牛腿后恢复管线。

3.3 防护措施设置

架体在伸臂桁架层爬升过程中，爬升完成时牛腿在爬模架体内，需要在牛腿周围用钢管脚手架做临时防护栏杆，并在牛腿下方设置密布网、安全兜网、踢脚板等。

4 爬模施工注意事项

爬模体系主要作用是保证施工过程安全和竖向结构施工便捷[8]，在施工管理中应重视爬模爬升操作规程，因此需要注重以下事项：

1）设置爬模体系受力监控系统，确保静止、爬升状态时荷载不超过设计荷载。

图9 架体过伸臂桁架牛腿爬升示意图Fig.9 Schematic diagram of frame climbing through the bulgeleg of theextension arm truss

2）爬架爬升前，需系统检查各设备、管线是否正常；断开部位临时防护是否完善；螺栓、爬锥和悬挂靴必须拧紧，不能出现松动；架体上不能集中堆载；爬升完成后，需插好承重销和安全销，关闭动力设备。

3）爬架爬升时，架体四周必须配齐操作人员，并且配备对讲机等通信设备并保持信号通畅，随时与动力柜操作人员保持联系。

4）爬架的爬升必须一次性完成，不宜中途交接班或有长时间停息，爬升时爬架上不能有施工人员进行其他施工作业。

5 结语

超高层建筑中，各单体建筑的结构形式及平面布局存在较大的差异，而爬模体系目前采用的形式也多种多样，因此在使用爬模系统时，需要结合项目实际情况进行设计。通过对中交汇通横琴广场工程3号塔楼核心筒液压爬模系统的设计，合理地解决了标准层与伸臂桁架层不同工况时，用同一套爬模体系所存在的问题。运用该项设计后，提高了施工效率，取得了较好的经济效益，是一项值得推广的工艺技术。