• 內爬升式大型塔機爬升關鍵技術的研究與應用

    隨著國內超高層建設熱潮的興起,相應的超高層施工技術也得以發展。而作為施工現場“運輸線”的塔機更是超高層施工的關鍵。

    超過200米以上的超高層建筑,往往需要使用到爬升式的動臂塔吊。而動臂塔吊的爬升作業通常有兩種:一是位于內爬升式;二是外掛爬升式。內爬升式塔式起重機充分利用了建筑物自身的高度,覆蓋建筑施工面積效率高,超高層建筑施工使用較安全,不占用施工場地,適合于場地狹窄的工程,使用中無需多道附著裝置和大量的塔身標準節的投入,有比較顯著的綜合經濟效益。

    本文主要針對內爬升式大型塔機爬升作業的關鍵技術進行分析與研究。為方便大家理解,將以華僑城大廈項目的內爬塔吊為例進行闡述。

    1.塔機的布置

    華僑城大廈項目塔樓高300m,核心筒面積630m2,核心筒呈“鉆石五邊形”;為滿足施工要求,結合結構平面特征,塔樓共布置了3臺塔吊,分別為1臺M1280D(內爬式)、1臺M900D塔吊(外掛式)、1臺M760DX塔吊(外掛式)。

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    動臂塔吊平面布置圖

    內爬升式大型塔機爬升關鍵技術的研究與應用

    動臂塔吊航拍圖

    其中內爬M1280D塔機為2450t.m動臂式、內燃機動力、全液壓控制、無級調速的重型塔機,其中七節起重臂總長為64.2m,工作幅度為10m,最大起重量100t/2(50t/1);采用羅伯威安全監控系統,實現自動保護。

    內爬升塔吊爬升的關鍵技術可以分為3大部分。一是附墻支撐架系統的設計技術;二是附墻支撐架系統的安裝技術;三是塔吊的爬升技術。

    2. 附墻支撐架系統設計技術

    (1)預埋件與支撐架的設計

    動臂塔吊爬升關鍵在于能夠給塔吊提供一個可周轉倒運的“基礎”。常規內爬塔吊的基礎為支撐架形式。

    塔機爬升關鍵技術3.jpg

    內爬塔吊支撐架系統現場圖

    M1280D動臂塔吊內爬于核心筒墻體內,其支撐架設計如下:包含主梁(ZL)、連桿(LG)等構件組成。

    塔機爬升關鍵技術4.jpg

    通過以上支撐架設計圖可知,M1280D支撐架的主梁(ZL)需通過牛腿(NT)與墻體附著,即需在墻體中預埋埋件M4-1(2個)、M4-2(2個),共計4個預埋件。

    根據墻體特點,每道M1280D的支撐梁有2種埋件;分別為主梁埋件M4-1(2個)、主梁埋件M4-2(2個)。

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    主梁埋件M4-1             主梁埋件M4-2

    (2)預埋件與支撐架的安全計算

    整個M1280D塔吊自重達到522t,而支撐架需承擔整個塔吊傳遞的力,并將力通過預埋件傳遞到核心筒墻體。故預埋件與支撐架的安全受力驗算尤為關鍵。

    1)支撐架的安全計算

    采用國際大型有限元軟件Midas Gen Ver.795,通過建立支撐架及塔身的一體化模型,對支撐架進行分析計算。支撐架及塔身的桿件均采用梁單元,如下圖所示。

    塔機爬升關鍵技術6.jpg

    支撐架有限元模型示意圖

    根據華僑城大廈項目M1280D塔吊最小爬升的夾持距離為18m,考慮深圳地區的風荷載等影響。整個M1280D塔吊受力特點如下:

    塔機爬升關鍵技術7.jpg

    支撐架受力圖

    \

    工作狀況

    非工作狀況

    V風

    20m/s

    52m/s

    H1

    156T

    242T

    H2

    145T

    175T

    V

    522T

    416T

    S

    55T.M

    0 T.M

    支撐架工作狀態與非工作狀態下受力統計表

    通過在塔身頂部施加最不利傾覆力矩M,豎向力,塔吊運行時產生的扭矩Mk,在上支撐架處塔吊標準節施加風載產生的水平力。

    根據計算結果可知,支撐架最大x向位移為-8.93mm,支撐架最大y向位移為0.06mm,支撐架最大z向位移為-5.95mm,最大變形矢量和為8.93mm;支撐架最大拉應力約為206.02N/mm2,最大壓應力約為-88.94N/mm2;支撐架最大應力比為0.74<1,均滿足要求。

    具體受力分析圖如下:

    塔機爬升關鍵技術8.jpg

    最大位移矢量和(mm)

    塔機爬升關鍵技術8-1.jpg

    整體應力比

    2)預埋件的安全計算

    華僑城M1280D塔吊支撐架系統的主梁通過三面圍焊固定在預埋件的牛腿,整個塔身以及支撐架的自重全部傳遞到預埋件上。預埋件系統由外伸牛腿、錨板及錨筋板組成,材質均為Q345B,利用Midas Gen Ver.795進行受力驗算,其受力與變形位移結果如下:

    塔機爬升關鍵技術9.jpg

    “牛腿+預埋件”位移矢量和

    塔機爬升關鍵技術10.jpg

    水平撐埋件及牛腿von mises應力

    塔機爬升關鍵技術11.jpg

    水平撐埋件及牛腿荷載位移曲線

    通過上圖分析,在設計荷載作用下,埋件處于彈性范圍內工作,屈服荷載約為1.8倍的設計荷載,極限承載能力約為2.8倍的設計荷載,故此埋件是合理、安全且經濟的。

    (3)結構墻體的安全計算

    M1280D塔吊傳遞到墻體位置的力過大,故需對核心筒墻體的受力安全性進行復核。一般采用ANSYS軟件建模,并添加荷載進行核算墻體的安全性。

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    塔機爬升關鍵技術14.jpg塔機爬升關鍵技術15.jpg

    M1280D塔吊作用區域墻體驗算ANSYS模型

    塔機爬升關鍵技術16.jpg

    墻體受力合位移變化圖

    3. 附墻支撐架系統的安裝技術

    內爬式塔吊爬升前主要包括以下7項重點工作:

    塔機爬升關鍵技術17.jpg

    其中塔吊預埋件安裝、塔吊支撐架系統安裝焊接最為關鍵。

    (1)塔吊預埋件安裝

    內爬塔吊的每道附墻支撐架有4個牛腿,即需要在核心筒墻體施工時在墻體中預埋4個預埋件。

    預埋件的安裝應注意兩點:一是預埋件的焊縫質量,其直接影響整個塔吊受力的安全性,故必須每道預埋件進行超聲波探傷;二是預埋件的安裝精度,其安裝精度直接關系到塔式起重機主梁及爬升框連接螺栓孔對位精度。每道支撐架的預埋件需保證在同一水平面上。

    2)塔吊支撐架系統安裝焊接

    動臂塔吊支撐架安裝是塔吊爬升最關鍵的環節,其占據了塔吊爬升的80%以上的時間。內爬塔吊支撐架包括牛腿安裝、牛腿焊接及檢測、主梁安裝、C型框安裝、拉桿安裝、主梁焊接、爬帶安裝等過程。

    4. 內爬升式塔吊爬升技術

    每臺動臂塔機在吊裝作業時,均需要二道支撐系統固定塔機機身;而在塔機進行爬升時,需要三道支撐系統來完成,爬升后塔機坐落在附墻支撐架上。

    (1)爬升流程:

    塔機爬升關鍵技術18.jpg

    內爬式塔吊爬升流程圖(M1280D塔吊)

    (2)爬升原理:

    塔吊的爬升主要依靠塔吊本身的爬升機構,而爬升機構由爬升節、爬升梁、爬升油缸、爬升爪、爬升框以及爬升梯等組成。其中爬升節和爬升梁是整個機構的基礎,其它裝置按照功能要求安裝在二者之上。爬升油缸是整個裝置的動作執行機構,在控制閥的作用下,分別伸缸或縮缸實現塔機整體的上升和爬升梁的提升,從而實現塔機的整體攀升。

    其主要步驟如下:

    將塔機配平后,操作液壓頂升機構控制閥,液壓油缸開始頂升,使塔身脫離基礎,向上爬升約2200mm;使塔式起重機爬升節上的兩個固定爬爪踏入爬梯踏步內,然后下降塔身約200mm,使固定爬爪穩固踏在踏步上。

    當塔機所有重量全部由爬帶承受后,操縱塔機液壓頂升機構控制閥,讓兩個液壓油缸繼續回收,直到頂升橫梁上的兩個爬爪穩固地踏上爬梯相應的踏步上。至此完成了塔式起重機爬升過程的一個小循環。

    再次啟動千斤頂伸長,使塔身相對于爬升梯向上爬升。直到塔身頂升專用節上的2個爬升爪再次伸出地撐在爬升梯的再上面一組爬升孔內后,千斤頂開始回收。如此循環,重復以上步驟直到爬升專用節上的4個支撐爪支撐在第二道內爬支撐框上為止,即完成塔吊本次爬升。

    爬升示意圖如下所示:

    塔機爬升關鍵技術19-1.jpg塔機爬升關鍵技術19-2.jpg

    第一步:啟動油缸頂升塔身第二步:上爬爪固定在爬帶上

    塔機爬升關鍵技術20.jpg塔機爬升關鍵技術21.jpg

    第三步:提升油缸使下爬爪固定于爬梯上第四步:重復1~3步到支撐爪固定在C型梁

    5、總結

    大型塔式起重機爬升施工中的安全問題是需要特別關注的。而塔機爬升作業的關鍵在于附墻支撐架系統的設計、安裝、以及塔機爬升過程的控制。附墻支撐架系統的設計既需要考慮能夠安全塔式起重機傳遞的荷載,同時又要考慮對所附著永久結構的影響。

    大型塔式起重機的出現推動了超高層結構施工技術的發展。隨著大型塔式起重機安裝、爬升技術的普及,勢必帶動我國建筑事業的進一步發展。


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