張希望/ZHANG Xi-wang

（北京市機(jī)械施工有限公司，北京 100176）

北國(guó)商城（圖1）位于石家莊市省政府旁繁華商區(qū)，已營(yíng)業(yè)2年，高71m、長(zhǎng)寬均為85m。北國(guó)商城原建筑設(shè)計(jì)中的樓頂鋼結(jié)構(gòu)“空中花園”因故未能在竣工營(yíng)業(yè)前施工，2017年4月重新啟動(dòng)了該“空中花園”鋼結(jié)構(gòu)安裝工程。該“空中花園”是坐落在商城樓頂上的全覆蓋式剛結(jié)構(gòu)網(wǎng)架，且要在北國(guó)商城正常營(yíng)業(yè)狀態(tài)下完成該施工，外加商城所在的高樓林立商業(yè)街區(qū)環(huán)境，鋼結(jié)構(gòu)安裝的吊裝設(shè)備問題成為了本工程的核心難題。我司提出的樓頂架設(shè)70m臂長(zhǎng)塔機(jī)方案（圖2、圖3），是該現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下唯一相對(duì)最為經(jīng)濟(jì)可行的方案，但仍需面對(duì)以下嚴(yán)峻的現(xiàn)場(chǎng)條件挑戰(zhàn)。

圖1 北國(guó)商城全景實(shí)圖

1）僅商城西、南兩側(cè)有6～11m寬商業(yè)街巷，且兩側(cè)樹木遮天、高樓林立，地下管線密布。

2）商城樓頂為高低不一的待施狀態(tài)施工現(xiàn)場(chǎng)，沒有合適的常見塔機(jī)基礎(chǔ)坐落點(diǎn)。

3）在商城71m樓頂安裝該塔機(jī)，塔機(jī)初裝高度86m，塔機(jī)部件吊裝作業(yè)難度極大。

圖2 北國(guó)商城樓頂7015塔機(jī)實(shí)圖

圖3 北國(guó)商城7015塔機(jī)立面圖

1 結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

1.1 異形偏心塔機(jī)基礎(chǔ)鋼架

基礎(chǔ)鋼架坐落在樓頂西南邊緣4顆跨距為12m×9m的大跨距鋼柱頭上，跨距是該7015塔機(jī)原廠6m跨距鋼底架的2倍；塔機(jī)水平位置為大偏心放置以使塔機(jī)最大限度靠近樓頂邊緣；塔機(jī)放置于桁架底部以最大限度降低塔機(jī)初裝高度；采用全桁架式結(jié)構(gòu)（圖4），最大限度降低鋼架自重至32t，僅為原廠6m跨距鋼底架自重的2倍；以上設(shè)計(jì)最終均為剛好滿足以下技術(shù)指標(biāo)要求。

圖4 異形偏心塔機(jī)基礎(chǔ)鋼架模型圖

1）剛好滿足塔機(jī)自重及彎矩作用下的強(qiáng)度和剛度要求，保證了塔機(jī)垂直度符合規(guī)范。

2）使得350t汽車起重機(jī)超起帶角度副臂剛好能夠跨過樓頂角吊裝塔機(jī)所有部件。

3）使得塔機(jī)初裝塔頂高度控制為86m（相對(duì)地面），地面場(chǎng)地所能容許的350t汽車起重機(jī)剛好滿足在該高度吊裝塔機(jī)頂部部件的能力。

1.2 改裝型塔機(jī)支腳

塔機(jī)支腳采用大尺寸4向肋板，強(qiáng)度滿足塔機(jī)對(duì)支腳的水平力及豎向力要求，事先通過銷軸安裝于塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)整體吊裝至塔機(jī)基礎(chǔ)鋼架預(yù)定位置后再焊接，保證塔機(jī)基礎(chǔ)部分整體安裝精度，如圖5所示。

圖5 改裝型塔機(jī)支腳焊接安裝后實(shí)圖

1.3 350t汽車起重機(jī)支腿用跨溝鋼箱梁

外形尺寸為3.6m×2m×0.63m，自重4t，采用工字鋼作為縱向主肢配以橫向肋板構(gòu)成實(shí)腹式箱梁，加工焊接方便，具有足夠的抗彎強(qiáng)度，支架在有地下暗溝的場(chǎng)地上，可承受350t汽車起重機(jī)支腿壓力并具備較大安全系數(shù)，如圖6所示。

圖6 跨溝鋼箱梁支車實(shí)圖

2 設(shè)計(jì)過程

2.1 異形偏心塔機(jī)基礎(chǔ)鋼架設(shè)計(jì)

2.1.1 整體結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)分析

1）鋼架設(shè)置在樓頂西南角，是依據(jù)僅商城下西南角勉強(qiáng)具備支放350t汽車起重機(jī)的現(xiàn)實(shí)，以及該處僅有的4個(gè)建筑鋼結(jié)構(gòu)柱頭的存在。

2）鋼架總體高度不宜過高，故塔機(jī)支腳應(yīng)設(shè)置于基礎(chǔ)鋼架底部，以最大限度降低塔機(jī)初裝高度。

3）因鋼架跨距達(dá)12m，吊裝高度達(dá)73m，最大限度輕量化設(shè)計(jì)尤為重要，故采用斜腹桿式桁架結(jié)構(gòu)作為主要受力梁結(jié)構(gòu)。

4）塔機(jī)水平位置因安裝時(shí)吊裝要求限制，需向桁架平面內(nèi)的西南部偏移設(shè)置，以便塔機(jī)靠近樓頂邊緣，故鋼架應(yīng)采用縱、橫向主、次梁形式，以提供塔機(jī)位置的充足微調(diào)空間。

2.1.2 塔機(jī)支腳壓力組合計(jì)算

1）當(dāng)塔機(jī)傾覆力矩方向?yàn)檎惫r時(shí)

2）當(dāng)塔機(jī)傾覆力矩方向?yàn)槲鞅惫r時(shí)

式中：F1、F2、F3、F4為塔機(jī)對(duì)各支腳主肢的豎直壓力；Fk為塔機(jī)對(duì)4個(gè)支腳的總豎直力，F(xiàn)k=948kN（塔機(jī)說明書）；Mk為塔機(jī)做用于塔機(jī)4個(gè)支腳處最大傾覆力矩，2236.15kNm（塔機(jī)說明書）；l、b分別為塔機(jī)支腳之間的縱、橫向間距，1.88m；n為塔機(jī)支腳個(gè)數(shù)，4個(gè)；n2為縱向上支腳列數(shù)，2列；L為對(duì)角2個(gè)塔機(jī)支腳之間的間距，2.659m。傾覆力矩工況如圖7所示。

圖7 傾覆力矩工況示意圖

3）八種傾覆力矩方向工況計(jì)算結(jié)果匯總

按2.1.2所述計(jì)算方法，可分別求得另外6種傾覆力矩方向工況時(shí)的F1、F2、F3、F4數(shù)值。如圖8及表1所示。

圖8 8種傾覆力矩方向工況說明

表1 8種傾覆力矩方向工況時(shí)支腳壓力（kN）

2.1.3 基礎(chǔ)鋼架主結(jié)構(gòu)H型鋼尺寸設(shè)計(jì)

1）鋼材許用應(yīng)力確定

解得：[σs]=250MPa

式中：σs為Q345B鋼材厚度為16～40mm時(shí)的屈服應(yīng)力計(jì)算值,335MPa；KnB為塔機(jī)在載荷組合B時(shí)的安全系數(shù)，1.34；[σs]為16～40mm厚的Q345B鋼材在用于塔機(jī)載荷組合B時(shí)的許用應(yīng)力。

2）鋼架剛度基本要求

根據(jù)GB/T5031-2008規(guī)定，本獨(dú)立式塔機(jī)的塔身垂直度應(yīng)小于等于4‰，另本塔機(jī)獨(dú)立高度僅為19.3m，因塔機(jī)支腳接口所在平面輕微水平度偏差所造成的塔身彎曲撓度很小，根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)，需保證4個(gè)塔機(jī)支腳接口所在平面的水平度偏差小于等于2.5‰。

3）基于SolidWorks的建模及有限元分析

基礎(chǔ)桁架主要結(jié)構(gòu)均采用H型鋼材，在模型上分別加載表1中8種工況時(shí)的支腳壓力，通過對(duì)桁架主肢及斜腹桿H型鋼截面尺寸的逐步調(diào)節(jié)，最終得到符合強(qiáng)度及剛度要求的有限元應(yīng)力云圖及變形位移云圖。8種工況下鋼架變形位移的有限元分析結(jié)果見表2，工況5的鋼架有限元變形位移云圖見圖9。8種工況下鋼架應(yīng)力的有限元分析結(jié)果見表3，工況5的鋼架有限元應(yīng)力云圖見圖10（因篇幅限制，其它7種工況云圖未展示）。

圖9 工況5的鋼架有限元變形位移云圖

圖10 工況5的鋼架有限元應(yīng)力云圖

表2 8種工況時(shí)鋼架變形位移分析結(jié)果

表3 種工況下鋼架應(yīng)力分析結(jié)果匯總表

4）主要H型鋼截面尺寸統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 主要H型鋼截面尺寸統(tǒng)計(jì)匯總

2.2 塔機(jī)支腳改裝設(shè)計(jì)

2.2.1 改裝設(shè)計(jì)方案分析確定

1）原廠預(yù)埋支腳底板若直接焊接基礎(chǔ)鋼架橫梁，底板將承受巨大彎矩，受力不合理，故取消支腳底板，使肋板直接焊接于鋼架橫梁之上。

2）本塔機(jī)支腳非預(yù)埋形式安裝，需對(duì)原廠塔機(jī)預(yù)埋支腳的肋板強(qiáng)度做加強(qiáng)設(shè)計(jì)（圖11），以抵抗塔機(jī)作用在4個(gè)支腳上的71kN水平力。

3）本塔機(jī)支腳因本工程特點(diǎn)，需在高空露天現(xiàn)場(chǎng)迅速與鋼架對(duì)裝焊接，肋板底面長(zhǎng)度的增加可以降低對(duì)焊縫質(zhì)量要求，保證絕對(duì)安全。

2.2.2 塔機(jī)支腳有限元應(yīng)力分析

采用SolidWorks建模，將塔機(jī)支腳最大壓力1077.97kN加載于支腳上接口，單個(gè)支腳的最大水平力35.5kN按2個(gè)方向加載于支腳上接口附近，如圖12所示。通過有限元分析得到以下結(jié)果。

圖11 塔機(jī)支腳主要改裝設(shè)計(jì)要點(diǎn)

圖12 塔機(jī)支腳有限元應(yīng)力云圖

1）肋板應(yīng)力較小，均在70MPa以下，有充足的強(qiáng)度余量。

2）最大極力聚集在肋板頂端附近的主肢角鋼上，其最大局部應(yīng)力為202.156MPa，小于主肢材料（Q345B）的許用應(yīng)力250MPa。

2.3 塔機(jī)安裝的吊裝工序設(shè)計(jì)

2.3.1 汽車起重機(jī)超高吊裝模擬

通過計(jì)算機(jī)1∶1圖形模塊，真實(shí)模擬350t汽車起重機(jī)在吊裝塔機(jī)所有部件的平面圖、立面圖，確認(rèn)起重臂與周邊所有高聳建筑之間的位置關(guān)系，審查各作業(yè)半徑時(shí)的額定起重量是否滿足吊載要求，確保切實(shí)可行。圖13及圖14為其中部分吊裝模擬圖（因篇幅限制，僅展示3張吊裝模擬圖）。

圖13 吊裝塔機(jī)起重臂平面模擬分析圖

圖14 吊裝塔機(jī)基礎(chǔ)鋼架及塔機(jī)主機(jī)立面模擬分析圖

2.3.2 設(shè)備進(jìn)場(chǎng)組裝吊車工序

1）350t汽車起重機(jī)最先從西北口進(jìn)入行至商城西南角路口的預(yù)定支車位置，自行出半支腿。

2）1輛運(yùn)跨溝鋼箱梁的板車、2輛運(yùn)350t汽車起重機(jī)配重的板車進(jìn)場(chǎng)至350t汽車起重機(jī)北側(cè)，350t汽車起重機(jī)自行安裝鋼箱梁及配重。

3）3輛運(yùn)350t汽車起重機(jī)副臂、超起支架的板車及1輛50t輔助汽車起重機(jī)進(jìn)場(chǎng)，用50t汽車起重機(jī)拼裝350t汽車起重機(jī)副臂及超起支架機(jī)構(gòu)。

2.3.3 塔機(jī)安裝的吊裝工序

1）3輛運(yùn)輸塔機(jī)基礎(chǔ)鋼架片段的板車進(jìn)場(chǎng)，使用350t汽車起重機(jī)吊裝至商城樓頂?shù)念A(yù)定塔機(jī)基礎(chǔ)位置（圖15）。

圖15 塔機(jī)安裝中高空吊裝實(shí)圖

2）塔機(jī)基礎(chǔ)鋼架組裝焊接完畢后，運(yùn)輸塔機(jī)的6輛板車陸續(xù)進(jìn)場(chǎng)，先吊裝帶有塔機(jī)支腳的基礎(chǔ)節(jié)，與塔機(jī)基礎(chǔ)鋼架上的預(yù)定位置焊接。

3）塔機(jī)支腳焊接完畢后，后續(xù)塔機(jī)部件的安裝按常規(guī)安裝工藝進(jìn)行。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文技術(shù)設(shè)計(jì)精確指導(dǎo)了本次特殊塔機(jī)安拆。塔機(jī)安裝總時(shí)間為4天，其中350t汽車起重機(jī)支、收車1天，塔機(jī)基礎(chǔ)鋼架吊裝及焊接1天，塔機(jī)主機(jī)安裝1天。350t汽車起重機(jī)高空多障礙吊裝以及群體機(jī)械設(shè)備站位尺寸與本技術(shù)設(shè)計(jì)中的測(cè)繪及模擬一致；跨溝鋼箱梁架放在地下暗溝上穩(wěn)固支撐了350t汽車起重機(jī)支腿；塔機(jī)安裝后，異形大偏心基礎(chǔ)鋼架的強(qiáng)度和剛度與技術(shù)設(shè)計(jì)預(yù)期一致。

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