基于既有深基坑的大吨位汽车式起重机布置方法研究

1 工程概况

某超高层建筑地上由4座塔楼相互连通而成，最高部分高度为199.75m，其中用地面积约1.8万m ² ，总建筑面积约24.4万m ² 。地上最高38层，地上建筑面积约18.5万m ² 。地下4层，地下室建筑面积约6.7万m ² ，基坑深度为–22.5m。如图1所示，该工程采用地下连续墙的形式对基坑进行支护，同时为防止基坑变形，分别在–15.2m、–8.0m、–0.9m位置处设置了3道内支撑。如图2所示，在首道内支撑位置处，设计了支撑封板，用以辅助形成封闭的施工通道或堆载场地。为节约成本，该工程并未一律按照高承载力设计，而是将首道内支撑封板的承载能力划分为10kPa、20kPa、35kPa共计3种承载类型。在进行地下室施工之前，内支撑已由其他施工单位施工完成且无法改变，任何现场部署均须基于既有封板承载能力开展。

      

图1 地下室内支撑剖面示意

      

图2 首道内支撑的封板承载能力示意

为在施工过程中实现全方位材料吊运，如图3所示布置3台塔式起重机。受限于场地大小，该工程无下基坑坡道，因此在基坑工程阶段安装坑底大型塔式起重机构件时，需要使用汽车式起重机等大型机械设备进行安装。

      

图3 塔式起重机布置示意

如图4所示，为满足超高层的施工需求，需要将2台ZSL850塔式起重机安装在坑底。

      

（a）

      

（b）

图4 采用220t汽车式起重机安装基坑内塔式起重机

（a）2号；（b）4号

经分析，安装方案可分为2种：（1）将汽车式起重机停靠在封板上，此时由于距离基坑底部较近，因此可选用较小吨位的汽车式起重机，且经分析220t汽车式起重机可满足吊装需求；（2）将汽车式起重机停靠至基坑地下连续墙外侧，而此时由于距离坑底较远，不得不选用大吨位的汽车式起重机，且经分析，由于工作幅度的增大，500t以上的汽车式起重机方可满足吊装需求，且增加了待安装构件的 摆放难度。

在东北角、东南角2块承载力为20kPa的封板处采用220t汽车式起重机（XCA220型号），并将 2台ZSL850塔式起重机安装在坑底为优选方案，该方案具有更高的经济效益。

由于220t汽车式起重机在使用过程中也将产生较大荷载，当汽车式起重机任意停靠至内支撑封板位置时，封板20kPa的承载能力或无法满足其工作 需求。

2 布置方法设计

2.1 220t汽车式起重机荷载分析

在不对首道封板进行额外加固的前提下，本研究提出了基于内支撑性能的汽车式起重机布置方法。汽车式起重机施工过程的主要参数见表1，汽车式起重机自重为55t，起吊过程中所使用的最大配重为74t（最不利），最大吊重为17.96t，静荷载、动荷载的荷载分项系数分别为1.2、1.4；最大吊运距离约为17.7m，汽车式起重机在工作过程中（4肢张开），支点短边距离为8.38m，支点长边距离为8.89m（图5）。

表1 汽车式起重机工作的主要参数

      

      

图5 汽车式起重机与目标吊重的方位关系示意

2.2 汽车式起重机布置分析

在内支撑的设计中，其立柱为主要受力构件，内支撑采用了钢管混凝土立柱，柱直径达1200mm，钢管壁厚为60mm，此外，外径钢管内部嵌套800mm直径钢管，壁厚为18mm，其余部位用不低于C35的混凝土进行填充，立柱具有极高的承载力设计值。

考虑该设计现状，如图6所示，本研究提出了基于充分利用内支撑立柱受力性能的汽车式起重机布置方法：在布置汽车式起重机时，确保1根受力支座位于立柱桩上方；汽车式起重机的钢托座沿平行于内支撑梁的方向放置，确保每根钢托座位于支撑梁受力范围内，而不在封板范围内（板下无梁 位置）。

      

图6 塔式起重机布置方位示意

按照该方法的布置，汽车式起重机的1根钢托座受力可直接传导至立柱上，减轻了首道内支撑其他构件的内力。由此，内支撑受力可简化为两跨连续梁 进行分析。

图7为内支撑两跨连续梁计算简图，其中每跨跨度根据实际情况按照6.1m进行取值，混凝土梁容重为26kg/m ³ ，可变荷载为55kN/m，永久荷载为30kN/m，根据220t汽车式起重机尺寸，817kN的钢托座集中荷载作用于距离支撑立柱2.2m位置处。

      

图7 内支撑两跨连续梁计算模型

图8为根据计算结果求得的所需配筋面积，由图8可知，由于钢托座集中荷载的施加，右跨梁的左端位置梁顶最大纵筋面积显著增加，钢筋面积达3320mm ² ；同时，右跨梁底最大纵筋配筋相比左跨增加约1200mm ² ；箍筋用量未发生变化。针对本例中20kPa的内支撑设计，其梁既有配筋在梁顶和梁底均为8根直径为32mm的HRB400钢筋，钢筋面积为6430mm ² ，因此，施加集中荷载后的所需配筋量并未超过，220t汽车式起重机可以按照本研究所提出的方法进行放置。

      

图8 内支撑两跨连续梁配筋量计算结果

2.3 车辆集中荷载布置变参数分析

为充分研究施工大型车辆荷载在内支撑梁上的布置与配筋关系，针对内支撑梁顶最大配筋、梁底最大配筋开展了变参数分析研究。内支撑梁跨度分别取6m、8m、9m、10m、12m等常见跨度，钢托座荷载施加点分别选取1/4、1/3和1/2跨位置处。同时，出于实际工程情况，研究基于既有内支撑配筋无法改变时大型施工车辆的场布问题，因此，在进行变参数分析时，以20kPa承载力对应的梁配筋面积6430mm ² 作为主要对比依据。

如图9所示，给出了内支撑的梁顶最大配筋随荷载作用点的变化规律，由图9可知，当内支撑梁跨度小于9m时，钢托座荷载可在1/2跨度范围内任意移动。当梁跨度在10m及以上时，即使荷载在1/4跨度范围内移动，所需梁顶配筋将仍超过既有梁配筋面积6430mm ² 。

      

图9 车辆钢托座位置与梁顶最大配筋面积关系

如图10所示，给出了内支撑的梁底最大配筋随荷载作用点的变化规律，由图10可知，当梁跨度小于8m时，集中荷载可在1/2跨度范围内任意移动，此时所需配筋始终小于既有梁配筋面积，当跨度等于9m时，集中荷载可移动范围缩短至1/3跨度，当跨度增至10m时，集中荷载则宜在1/4跨度内施加，当随着支撑梁跨度进一步增加，既有配筋将无法满足钢托座荷载施加要求。

      

图10 车辆钢托座位置与梁底最大配筋面积关系

通过分析可知，钢托座荷载在支撑梁上的作用点是可以改变的，但其可移动范围受到梁跨度的制约。

3 结论

对大型施工车辆在深基坑内支撑封板上的布置问题进行了深入研究，提出了基于内支撑结构性能的车辆布置方法，得到主要结论如下。

（1）在布置大型施工车辆时，可充分利用内支撑的结构性能，使施工车辆的1根支座位于支撑立柱上，另1根支座位于支撑梁上，该方法可避开封板（板下无梁位置）受力的薄弱环节。基于该方法，可将220t汽车式起重机布置于20kPa承载力封板上。

（2）位于支撑梁上的钢托座的可移动范围受梁跨度制约。针对20kPa封板配筋，当梁跨度小于8m时，钢托座荷载可在全跨范围内移动，当梁跨增至9m时，钢托座荷载可在1/3跨度范围内移动，随着梁跨度的进一步增加，移动范围会逐渐缩小。因此在进行内支撑设计时，施工单位可根据需求向设计单位提出封板受力、支撑梁跨度等参数需求，以更好地满足施工作业。

（3）本研究提出的大型施工车辆于内支撑上的布置方法，由于充分利用结构性能，因此可有效节约内支撑的建造成本，并便于大型施工车辆的进场 作业。