超高层建筑工程内爬塔式起重机附着提升拆除关键技术

1 工程概况

杭州西站TOD项目位于浙江省杭州市余杭区，包含2座超高层塔楼、1座高层公寓和1座影视文化中心，是由办公公寓用房以及配套酒店和商业组成的综合体。

5号楼超高层塔楼的建筑高度为249.5m，结构形式为框架–核心筒，基础形式为桩筏基础。塔楼地上57层，层高4.2m，地下均为4层。核心筒为有内置型钢的钢筋混凝土结构，外框柱为型钢混凝土柱，梁板体系均为钢筋混凝土楼板。5号楼型钢柱最大吊重为18.5t。

7号楼超高层塔楼建筑高度为300m，结构形式为框架–核心筒，基础形式为桩筏基础。塔楼地上62层，层高4.4m，地下均为4层。核心筒为有内置型钢的钢筋混凝土结构，外框柱为型钢混凝土柱，梁板体系均为钢筋混凝土楼板。7号楼型钢柱最大吊重为19t。因考虑钢结构吊装距离及吊重等要求，设置2座超高层塔楼均采用内爬式塔式起重机进行材料垂直运输。5号楼塔式起重机26t，臂长55m，塔身高度为54m。7号楼塔式起重机臂长55m，塔身高度为57m。

2 工程特点与难点

两座塔楼高度分别为249m、299m，所采用的型钢混凝土最大劲性柱重量为19t，若采用在建筑物外侧常规附墙的方式将增加多道附墙杆件及标准节，且塔式起重机覆盖范围减小，塔式起重机工作效率降低，满足要求的塔式起重机型号较少。

此外，塔式起重机安装位置在核心筒电梯间前室内，前室梁所围位置均预留为塔式起重机安装空间，预留洞大小为5.5m×3.5m，塔式起重机标准节平面尺寸为2.3m×2.3m，由于塔式起重机在预留洞中心安装，塔式起重机标准节仅离结构边0.6m，核心筒安装空间较小，对安装精度要求较高。

更重要的是，结构荷载有限，内爬塔式起重机承重钢梁作用于核心筒剪力墙上，施工单位须在承重梁安装层部位，剪力墙施工前与设计单位进行提前沟通，确保承重梁搁置部位剪力墙的承载能力满足塔式起重机的使用要求。

3 内爬塔控制系统

3.1 内爬控制系统构造

内爬塔构造由内爬装置及内爬塔身组成。内爬装置主要由挂板横梁、顶升油缸、换步装置、内爬框架、泵站及内爬框承重梁等部件组成。

内爬塔身由内爬基节、内爬标准节组成。内爬基节中包含伸缩梁，塔机工作状态下通过内爬框架及内爬框承重梁可将整个塔机垂直荷载传递给建筑物。内爬基节中设置伸缩梁，可用于结构爬升阶段的临时固定。

采用两个相同的半框通过4根角钢连接，用16套8.8级M30螺栓组连接而成。内爬框上装有滚轮及顶块，塔机内爬顶升过程中，可以通过调节滚轮调整塔机的垂直度，并起到导向作用。塔机工作时顶块可以顶紧塔身，塔机水平力及扭矩通过顶块传递给建筑物，内爬框架如图1所示。

      

（a）

      

（b）

图1 内爬框架示意

（a）爬升装置；（b）内撑结构

内爬框上安装有挡板、换步装置。挡板用来换步时防止油缸后倾，换步装置用于支撑塔身踏步使塔机换步。在塔机内爬顶升时，将换步装置向后旋转，防止与塔身踏步干涉，阻碍塔机顶升。

3.2?支撑体系

塔式起重机支撑体系均为一侧搁置在固定钢托座上焊接固定，另一侧搁置在剪力墙开洞处与预埋板进行焊接固定。其中剪力墙洞口留设大小为高1m、宽0.8m。

承重梁为箱形截面，截面尺寸为400mm× 700mm，材质为Q355B，承重梁支撑体系布置如图2所示。

      

（a）

      

（b）

图2 承重梁支撑体系示意

（a）5号楼塔式起重机；（b）7号楼塔式起重机

塔式起重机支撑附着连接构造主要为预埋板加钢托座的形式，预埋板尺寸为900mm×900mm× 30mm，材质为Q355B，锚筋采用40根 25螺纹钢穿孔塞焊，在塔机安装前提前预埋至剪力墙内。

当墙体存在洞口时，承重梁搁置在洞底（墙体或连梁）的预埋件上，预埋件尺寸为900mm×500mm，材质为Q355B，承重梁直接与预埋板进行焊接。

3.3 内爬过程

内爬塔爬升分为首次顶升及多次顶升两种工况。每次顶升前需确保塔式起重机支撑体系完整，并完成相关检测。每次爬升需保证2道附着，各附着间距应不小于15m，且不大于20m。

3.3.1 首次顶升

首次顶升分为以下4个步骤。

（1）先配平完成后停留，确认一切正常，可继续顶升。确保内爬框架上的塔身顶块离开塔身，此时塔身由内爬框上的滚轮作为导向，最后伸出油缸，继续顶升，直到踏步位于换步装置上方。

（2）将换步装置向前旋转贴紧标准节主弦杆。回缩油缸，使踏步落在换步装置上。

（3）抽出顶升挂板上的安全销，回缩油缸，油压下降，说明换步装置开始承受塔机的自重荷载。当顶升挂板与踏步底面分离10mm左右时，停留10min，检查一切正常后，继续缩回油缸，将顶升挂板外扳使之与踏步分离。最后启动液压顶升系统，顶升挂板继续下降，使顶升挂板落在下方最近一组踏步。

（4）重复步骤（1）~（3），直至内爬基节中的伸缩梁下底面高于内爬框架上腹板的位置。然后拉出伸缩梁，操作液压装置回缩油缸，使内爬基节中的伸缩梁下底面缓慢地落在内爬框架上腹板，同时使伸缩梁上带有腰形孔的固定板与内爬框上的固定板贴合。最后固定塔身，调节塔身顶块，顶紧塔身。

3.3.2 多次顶升

多次顶升分为2个步骤，如图3所示。

      

图3 多次爬升步骤

为了进行新的顶升，应先安装内爬框架C。拆掉内爬框架A上的顶升横梁、油缸、液压装置及内爬框架A上的所有顶升附件，将这些装置重新装在内爬框架B上。由于原中层内爬框B上已经装有一套换步装置，所以将内爬框A上的换步装置拆卸后安装到内爬框C上。

当起重臂吊起配重后，将小车运行到配平位置。将顶升挂板挂入最近的一组踏步上，伸出油缸活塞杆，观察泵站压力值，泵站压力表处的压力值上升，说明 顶升油缸开始承受整个塔机的自重荷载，但压力值不得超过限值。将伸缩梁完全推进内爬基节内，以免顶升过程中与内爬框发生干涉，然后对塔机进行配平。最后伸出油缸，使内爬基节从内爬框架A中脱离。

4 内爬塔式起重机拆除

5号楼、7号楼结构封顶及楼面设备吊装到位后，安装SDD40型屋面起重机。

通过SDD40型屋面吊拆除两个内爬塔，内爬塔的相关构件、控制系统均通过该屋面起重机进行拆卸。随后安装SDD3型屋面起重机，以拆除SDD40型屋面起重机。最后人工拆除SDD3型屋面起重机。

塔式起重机拆除遵循小塔拆大塔的方式，实施过程经设计院复核验算了屋面承载能力，以保证施工 安全。

5 内爬塔支撑体系数值模拟

5.1 建模

内爬塔的内爬框架和支撑梁模型如图4所示。支撑梁设计为400mm×700mm截面钢梁，长度为10m，顶底板及腹板壁厚为40mm；内爬框架为2道340mm×400mm的矩形钢梁和两组高度为160mm的角钢组成矩形近似正方形框架，钢梁和角钢长度均为2.9m。结构进行网格划分，采用八节点立方体缩减积分单元进行数值模拟分析。

      

（a）

      

（b）

内爬框架内侧约束结构，荷载通过内爬框架的换 步装置限位作用在靠近内爬框的4个角隅处。所受竖向荷载为结构重力及满载下设计荷载，为1550kN；所受横向荷载为塔式起重机产生的水平荷载，为430kN。计算考虑荷载分项系数和动力系数。

结构的边界条件为2个支撑梁端部底部约束三维模型的三向自由度，以保证底部模拟支撑在预埋钢板和钢托座上。

内爬框架和支撑钢梁结合处进行耦合，约束两者之间的相对变形。内爬框内部由两个矩形断面钢箱梁和角钢螺栓焊接固定，模型采用直接耦合的方式进行模拟。

5.2?计算结果

图5为数值模拟计算结果。如图5（a）所示，钢结构Mises应力全结构未超过150MPa。支撑梁表现为中部受弯、端部受剪；支撑梁受弯区正应力最大达到147.5MPa，支点处存在应力集中现象。内爬框架中，横向联系角钢受力较大，但也小于100Pa。 图5（b）和图5（c）为钢横梁竖向和横向的位移变形。支撑梁竖向变形最大为跨中6.1mm，相比之下，内爬框架的竖向变形表现为整体下移，变形较小。而内爬框架的横向变形较大，特别是受横向力一侧的角钢边缘变形，因受扭存在变形，最大3.3mm。无论横向还是竖向变形，结构均未超过限值。

      

（a）

      

（b）

      

（c）

图5 钢梁应力与位移云图

（a）钢结构Mises应力/MPa；（b）竖向位移/mm；（c）横向位移/mm

6 现场实施

现场实施通过设置支撑梁和内爬框架承受结构重力荷载、设置液压油缸进行顶升操作，完成内爬塔结构提升，结构安全可靠。

7 结论

本研究介绍了内爬塔结构系统构造及爬升流程， 通过设置支撑梁和内爬框架承受结构重力荷载、设置液压油缸进行顶升操作，完成内爬塔结构提升。

爬升过程设置3道附着，以保证结构安全可靠。以小塔拆大塔为塔式起重机拆除原则，设计了两次屋面起重机拆除过程，以保障拆除工期和屋面结构 安全。

通过建立支撑梁和内爬框架的三维实体有限元计算模型进行数值模拟计算，优化支撑梁系统设计，得到了支撑梁和内爬框架在满载支撑状态下的应力和位移计算结果。结果表明，支撑系统安全可靠。