浅谈高层建筑中群塔施工技术在台风恶劣气候条件下的应用

胡杰

提要：塔式起重机械在我国工业与民用建筑施工中,是一种常用的建筑施工机械。而在大型工程和群体工程施工作业时，施工中垂直和水平运输需要用到多台塔式起重机械，塔机群体作业是不可避免的，因此塔机群塔作业安全管理对于施工安全就非常重要。在高层建筑施工中塔机作业范围覆盖绝大部分作业面，且不同塔机作业面相互重叠，相互运行干扰，存在作业碰撞的安全隐患。在实际施工中由于塔机群体作业内在的危险性,由塔式起重机械引起的事故时有发生。无论在理论上还是实际工作中,我国对于塔式起重机械安全风险管理都缺乏全面总结和深入分析,因此塔式起重机械的安全管理控制在整个工程项目建设过程中十分重要。深入研究建筑工程中塔式起重机械事故的风险及其机理和频率,最大限度地减少和避免塔式起重机械事故的发生,是降低建筑业伤亡事故、加快工程进度、提高工程质量的关键。

关键词：塔式起重机高层建筑台风布置

1前言

广东省佛山市属于我国珠三角地区，台风侵袭频繁，每年因为台风原因都会导致大量建筑塔式起重机械变形、受损、倒塌，尤其是2015年湛江“彩虹”台风和2017年珠海“天鸽”台风造成的破坏最为严重。为提高台风灾害防御能力和应急水平，避免和减轻台风灾害造成的损失，确保人民生命财产安全，广东省住房和城乡建设厅组织有关专家收集了2015年“彩虹”、2016年“莫兰蒂”、2017年“天鸽”和2018年“山竹”等台风对建筑塔式塔式起重机械的影响、破坏情况及数据，进行了深入分析研究，并依据国家有关法律、法规和现行国家标准，围绕建筑塔式起重机械的环境因素、产品选型、安装使用、检查维护等方面，提出了科学的防范措施。

根据广东省住房和城乡建设厅提出的台风防范措施，并结合本项目现场塔式起重机械的复杂作业环境，本项目一开始就从塔吊基础、塔式起重机选型、附着形式、立塔高度等多方面采取了防台风措施，同时通过对多台塔式起重机械交叉作业的流程进行合理规划，在保障群塔施工的安全运行的基础上，加快了施工进度，降低了施工成本，提高了经济效益。

2工程概况

电建泛澋公馆项目位于广东省佛山市顺德区勒流街道西安亭大桥北侧,项目用地呈西圆右方的半椭圆形,地势平整,三面环江，地块东至建设西路,南至西安亭大桥,西、北至甘钢溪。项目占地面积54376平米，总建筑面积195372平米。容积率为2.8,规划限高为100米,为居住用地,设计正负零取值为黄海高程6.5米。整个项目有14座（不算社区大堂），地下室两层，局部一层。包括（一期）2-13座高层住宅楼（32层）、小区入口及其地下室，（二期）商业楼1座，（三期）1座（17层）。

施工前根据工住房城乡建设部办公厅关于实施《危险性较大的分部分项工程安全管理规定》有关问题的通知建办质〔2018〕31号文件要求，塔式起重机安装、拆卸须编制安全专项施工方案，并完善相关审批手续。

3塔式起重机安装信息（见表1）

表1塔式起重机安装信息表

序号	设备编号	设备名称	型号规格	制造厂	出厂日期	初次安装高度（m）	安装时间	安装位置
1	1#	塔式起重机	QTZ80	江麓机电集团有限公司	2010-7-8	45	2018.11.5	1座
2	2#	塔式起重机	QTZ80(TC6012-6)	中联重科股份有限公司	2014-2-19	40.5	2018.12.29	9座
3	3#	塔式起重机	QTZ80(TC6010-6)	中联重科股份有限公司	2014-2-19	40.5	2019.2.13	11座
4	5#	塔式起重机	QTZ80(TC6012)	佛山市南海高达建筑机械有限公司	2014-3-1	40.5	2018.12.29	6座
5	6#	塔式起重机	QTZ80(TC6012)	中联重科股份有限公司	2014-03-08	40.5	2019.3.26	4座
6	7#	塔式起重机	QTZ80（QTZ5513）	广西建工集团建筑机械制造有限责任公司	2010年2月	40.5	2018.8.15	2座
说明：1号、7号塔机为同一厂家提供安装，2号、3号、5号、6号塔机为同一厂家提供安装。

4塔式起重机平面布置及基础选型

本项目现场使用6台塔吊，属于群塔施工，在台风恶劣气候条件下，为有效防止台风对群塔的影响，通过采用预应力管桩深基础与基础承台底板同时浇筑为一整体，作为塔式起重机基础，提高塔式起重机基础整体稳定性；塔式起重机附着采用四杆连接方式与建筑物相连，增加附着数量，使塔式起重机标节与建筑物有效连接，增加塔式起重机防御台风的能力。（见图1）。

本工程采用QTZ80附着式塔式起重机，独立起升高度为45米。塔吊基础面平地下室底板面-8.1m。塔吊中轴线与建筑物外边缘的距离应大于4米，基础所在场地应平整夯实。采用静压φ500-AB，C80高强度预应力混凝土管桩，桩有效深度23m，采用承台尺寸长(a)=5.0m,宽(b)=5.0m,高(h)=1.40m；桩中心与承台中心2.0m,承台面标高±0.00；承台混凝土等级C35。

图1塔式起重机平面布置图

图2塔式起重机效果图

图3塔式起重机基础图

图4塔式起重机基础效果图

5塔式起重机附着安装

为有效防御台风侵袭，塔式起重机附着采用四杆附着，四杆附着架是由四个撑杆和一套环梁等组成，它主要是把塔机固定在建筑物的柱子上，起着依附作用。使用时环梁套在标准节上，四角用八个调节螺栓通过顶块把标准节顶牢，其撑杆长度可调整。四根撑杆端部有大耳环与建筑物附着处铰接，四根撑杆应保持在同一个水平内，调整顶块及撑杆长度使塔身轴线垂直。塔式起重机附着架按塔机中心与建筑物距离为3.5-5米。若实际使用时与此值不符，可适当加长或减短撑杆，撑杆与建筑物的连接方式可以根据实际情况而定。

5.1.1安装位置

塔机附墙锚固于楼层框架梁内或顶板，梁内或顶板内预埋钢板，附着撑杆与预埋钢板进行满焊相连，附墙装置由四根水平布置的撑杆和一组套在标准节主弦杆上的附着架组成，四根撑杆应布置在同一水平面内。安装附墙装置的套数由起升高度加以确定。

图5附着安装示意图图6现场附着安装

5.1.2附墙撑杆的布置

为了保证塔式起重机在台风气候条件下避免失稳或倾覆，通过增加附着数量或减小附着竖向间距确保塔式起重机与建筑物之间的整体连接强度。

图7附着安装立面图

5.1.3、撑杆与建筑物的连接

撑杆应通过连接板及预埋螺栓与建筑物可靠地连接，待混凝土强度达75%以上时才能安装附着装置。

图8附着装置预埋件

5.1.4、附墙受力计算

(1)支座内力计算

塔机按照说明书与建筑物附着时，最上面一道附着装置的负荷最大，因此以此道附着杆的负荷作为设计或校核附着杆截面的依据。

风荷载标准值应按照以下公式计算：

ωk=ω0×μz×μs×βz=0.390×0.130×1.860×0.700=0.066kN/m2；

其中ω0──基本风压(kN/m2)，按照《建筑结构荷载规范》(GBJ9)的规定采用：ω0=0.390kN/m2；

μz──风压高度变化系数，按照《建筑结构荷载规范》(GBJ9)的规定采用：μz=1.860；

μs──风荷载体型系数：μs=0.130；

βz──高度Z处的风振系数，βz=0.700；

风荷载的水平作用力：q=ωk×B×Ks=0.066×1.600×0.200=0.021kN/m；

其中ωk──风荷载水平压力，ωk=0.066kN/m2；

B──塔吊作用宽度，B=1.600m；

Ks──迎风面积折减系数，Ks=0.200；

实际取风荷载的水平作用力q=0.021kN/m；

塔吊的最大倾覆力矩：M=1780.000kN·m；

弯矩图

变形图

剪力图

计算结果:Nw=90.0894kN；

(2)附着杆内力计算

塔吊四附着杆件的计算属于一次超静定问题,采用结构力学计算个杆件内力:

图9计算简图

方法的基本方程：

计算过程如下：

δ11X1+Δ1p=0

Δ1p=∑Ti0Ti/EA

δ11=∑Ti0Ti0li/EA

其中:Δ1p为静定结构的位移；

Ti0为F=1时各杆件的轴向力；

Ti为在外力M和P作用下时各杆件的轴向力；

li为为各杆件的长度。

虑到各杆件的材料截面相同，在计算中将弹性模量与截面面积的积EA约去，可以得到：

X1=-Δ1p/δ11

各杆件的轴向力为：

T1*=X1T2*=T20X1+T2T3*=T30X1+T3T4*=T40X1+T4

以上的计算过程将从0-360度循环，解得每杆件的最大轴压力，最大轴拉力：

杆1的最大轴向拉力为:87.65kN；

杆2的最大轴向拉力为:137.43kN；

杆3的最大轴向拉力为:244.21kN；

杆4的最大轴向拉力为:183.73kN；

杆1的最大轴向压力为:87.65kN；

杆2的最大轴向压力为:137.43kN；

杆3的最大轴向压力为:244.21kN；

杆4的最大轴向压力为:183.73kN；

(3)附着杆强度验算

1　杆件轴心受拉强度验算

验算公式:

σ=N/An≤f

其中σ--杆件的受拉应力；

N--杆件的最大轴向拉力,N=244.210kN；

An--杆件的截面面积，本工程选取的是2【16a号槽钢；查表可知An=2195.00mm2。

经计算，杆件的最大受拉应力σ=244.210×103/2195.00=111.257N/mm2，

最大拉应力111.257N/mm2小于允许应力215N/mm2,满足要求。

2　杆件轴心受压强度验算

验算公式:

σ=N/φAn≤f

其中σ--为杆件的受压应力；

N--为杆件的轴向压力，杆1:取N=87.650kN；

杆2:取N=137.430kN；

杆3:取N=244.210kN；

杆4:取N=183.730kN；

An--为杆件的截面面积,本工程选取的是16a号槽钢；查表可知An=2195.00mm2。

λ--杆件长细比，由l/i的值确定；

杆1:取λ=7312.489/62.800=116；

杆2:取λ=5935.697/62.800=95；

杆3:取λ=5935.697/62.800=95；

杆4:取λ=7312.489/62.800=116；

φ--为杆件的受压稳定系数，是根据λ查表计算得：

杆1:取φ=0.458，杆2:取φ=0.588；

杆3:取φ=0.588，杆4:取φ=0.458；

杆1：σ1=87.650×103/(0.458×2195.000)=87.187N/mm2；

杆2：σ2=137.430×103/(0.588×2195.000)=106.480N/mm2；

杆3：σ1=244.210×103/(0.588×2195.000)=189.213N/mm2；

杆4：σ2=183.730×103/(0.458×2195.000)=182.760N/mm2；

经计算，杆件的最大受压应力σ=189.213N/mm2；

最大压应力189.213N/mm2小于允许应力215N/mm2，满足要求。

(4)附着支座连接的计算

附着支座与建筑物的连接多采用与预埋件在建筑物构件上的螺栓连接。预埋螺栓的规格和施工要求如果说明书没有规定，应该按照下面要求确定：

1　预埋螺栓必须用Q235钢制作；

2　附着的建筑物构件混凝土强度等级不应低于C30；

3　预埋螺栓的直径≥24mm；

4　预埋螺栓的埋入长度和数量满足下面要求：

5　0.75nπdlf=N

6　其中n为预埋螺栓数量；d为预埋螺栓直径；l为预埋螺栓埋入长度；f为预埋螺栓与混凝土粘接强度；N为附着杆的轴向力。

7　预埋螺栓数量，单耳支座不少于6只，双耳支座不少于8只；预埋螺栓埋入长度不少于15d；螺栓埋入端应作弯钩并加横向锚固钢筋。

6群塔操作原则

针对群塔施工中的特点和规律，要求各台塔式起重机械遵循：“低塔让高塔，后塔让先

塔，动塔让静塔原则，轻车让重车原则，客塔让主塔原则及同步升降原则”六项操作原则。

①低塔让高塔原则：低塔在运转时，应观察高塔运行情况后再运行。。

②后塔让先塔原则：塔机在重叠覆盖区运行时，后进入该区域的塔机要避让先进入该区域的塔机。

③运行塔让静塔原则：塔机在进入重叠覆盖区运行时，运行塔机应避让该区停止塔机。

④轻车让重车原则：在两塔机同时运行时，无荷载塔机应避让有荷载的塔机。

⑤客塔让主塔原则：另一区域塔机在进入他人塔机区域时应主动避让主方塔机；

⑥同步升降原则：所有塔机应根据具体施工情况在保证大臂不小于规定高差的条件下在规定时间内统一升降。

⑦遵守塔式起重机械群智能防碰撞系统管理：当现场塔式起重机械数量较多且重叠范围较多时，智能防碰撞系统会将安全风险降到最低。

在实际作业中塔式起重机械往往24小时作业，驾驶人员即便实行两班倒工作制，但在长时间高度集中的操作中，难免会出现失误和误判，从而造成安全事故。由于场地的限制和塔身附着高度的限制，使塔式起重机械不能完全按照两台起重机之间的最小架设距离，应保证处于低位的起重机的臂架端部与另一台起重机塔身之间至少有2m的距离，处于高位的起重机的最低位置的部件（吊钩升至最高点或最高位置的平衡重）与低位起重机中处于最高位置部件之间的垂直距离不得小于2m。同时传统的分区、分时段作业也对工程进度造成较大的影响。

7群塔防台风措施

根据历年来不同时段的台风分布统计，每年6月1日～10月31日为台风防御期，结合历年来台风分布及灾害损失统计，按防御台风灾害差异，广东省佛山市行政区域内各地区的台风防御等级划分为三类，包括一般防御区、重点防御区和特级防御区。建筑起重机械防御台风的具体技术要求和管理措施，包含以下内容：

（1）基础、附着装置设计及整体稳定性与结构强度分析计算所采用的风压值

（2）建筑起重机械防御台风的具体技术措施

1　采用降低独立塔身高度、悬臂塔身高度或者自由端高度等措施时，应明确降低后的具体高度；

2　采用降低顶升套架高度措施时，应说明其操作方法、顶升套架降至位置以及固定方式；

3　采用安装缆风绳措施时，应说明其布置方式、锚固点要求及缆风绳规格；

4　采用安装塔身加强节措施时，应明确塔身加强节的数量、安装位置，且加强节应有相应的识别标志；

（3）台风预警信号生效时，应对塔式起重机采取下列安全措施

1　台风来临之前，施工现场临时用电除照明、排水和抢险用电外，其他电源必须全部切断；

2　凡塔身设有标牌、横幅等悬挂物的，应立即清除；塔身上存有易坠物的，必须立即清除；

3　塔身螺栓必须进行全部紧固，塔身附着装置应全面检查，确保无松动、无开焊、无变形；

4　解除吊钩上的吊索具，吊钩升至最高限位处，小车回收至使用说明书规定的位置；

5　回转机构制动装置采用常闭式的，应将制动装置打开，保证其能自由回转；

6　动臂俯仰变幅塔式起重机的起重臂停放在专版使用说明书或者专项技术文件规定的仰角范围；

（4）台风后的检查与处置

遭受台风侵袭的建筑起重机械，进行台风后的检查与维护。台风后的检查包括关键零部件、基础、底架、主要受力结构件、电控系统、安全与防护装置、抗风防滑装置、运转试验等内容。

8结束语

该工程自2018年开工以来，经历了两次特大台风，在实际防范台风的过程中，正确选择塔式起重机械型号和合理部署群塔位置是群塔成功抵御台风的关键，本工程群塔施工在台风恶劣气候条件下成功的经验为后续类似群塔施工起到良好的指导和借鉴作用。

作者简介：胡杰，男，籍贯：贵州贵阳人，职称：工程师，现从事房屋建筑、市政基础设施施工技术与管理工作。