珠海歌剧院重型塔式起重机附着于 柔性钢结构设计与施工*
（萧江精工钢结构集团有限公司，浙江绍头312030） 邢遵胜，李银标，邹航，朱权泉
[摘要】珠海歌剧院大剧院施工时，采用设置2台重型塔式起重机、分段吊装的施工方案.因主结构超高，结合结点和计算方法，建议以附着点最大水平位移为控制基准，判定重型塔式起重机附着于柔性结构协同工作的可行性. 构布置情况和现场条件，重型塔式起重机需附着于主结构上.分析了重型塔式起重机附着于柔性钢结构的设计要建议从严制定作业标准和控制指标，以保证施工过程的安全性.
【关键调】钢结构；柔性钢结构；塔式起重机；吊装；设计；施工
[中围分类号]TU61[文献标识码】A
[文章编号】1002-8498（2014)14-0175-04
Design and Construction forHeavy-dutyTower CraneAttached toFlexibleSteelStructures of Zhuhai OperaHouse
Xing Zunsheng Li Yinbiao Zou Hang Zhu Quanquan(Zhrjiang Jingong Stee Building Group Co. Lad. Shoxing Zhrjang 312030 China)
Abstract; During the construction of Zhuhai Opera House it applies two heavy-duty tower cranes to erectthe steel structure in sections. In consideration of the over-height main structure bined with thestructure layout and site conditions the tower cranes have to be attached to main structures. After analyzing the design features and calculation method regarding the heavy-duty tower crane to be attachedto the flexible steel structures the author determines the feasibility of tower crane attached to the flexiblestructures on basis of the maximum horizontal displacement of attachment point to be taken as controlbenchmark. The paper also suggests that the working standard and controlling index should be strictenough to guarantee the safety during construction proceeds.
Key words;steel structures; flexible steel structures; tower cranes; hoists; design; construction
1工程概况
珠海歌剧院项目位于珠海市野狸岛填海区域，包括大剧院、小剧院和人口大天窗3部分.其中，大、小剧院均为贝壳状造型，大剧院结构高90m，宽130m，内部剧院结构高60m，地下3层，地上7层. 大、小剧院施工时设置重型塔式起重机（以下简称重塔），采用分段吊装的方案进行施工，如图1所示.
其中，小刷院施工选用1台TC7052塔式起重机，大剧院施工选用1台D1100重塔和1台D800 重塔.因大剧院结构顶标高为90m，承台顶标高为
图1施工机械布置示意Fig.1 Construction machines setting
-5.05m，即塔式起重机塔身高度最小为：H=905.0518~113m.
面D1100重塔独立安装高度90.8m，D800重塔独立安装高度75m，2台独立高度均不满足要求，塔
式起重机需要考虑采取附着措施.
本工程位于珠海市野狸岛填海区域内，塔式起重机附着设计难度较大，具体如下：①海滨环境下，突发性恶劣气象状况，如大风、暴雨等频发，且无法准确预测其出现时间和等级，给高空作业带来一定刚度相对较小，且剧院内部混凝土结构高度低， 风险；②贝壳状钢结构沿贝壳面内刚度较大，面外钢结构与混凝土结构之间的连接杆件少，附着点选择难度大；③施工过程中，主结构施工到三节柱（径向放射性桁架最多分为5个吊装单元）时，重塔就需要和主结构附着为一体，而此时结构尚未成型， 重塔作业对主结构施工精度和受力性能的影响较复杂.
综上所述，重塔附着方案设计，是本工程施工过程中的关键，关乎施工精度和施工质量，影响结构的受力性能.
2技术方案
2.1附着方案概述
因重塔附着于钢结构上，其协同作用情况较复杂，故经放样分析，最终拟定：D800重塔在自由高度范围内作业，其自由高度以上范围的构件均由D1100重塔负责吊装；D1100重塔则在合适的高度 设置附着措施，与主结构连成整体.采用该方案，可以减少1处重塔附着措施，减小重塔作业对主结构的影响.
2.2附着位置选择
大剧院典型径向桁架结构如图2所示.
图2大剧院典型径向桁架结构示意Fig. 2 The typical radial truss of the big opera house
由图2可见，在观众厅高度范围内，有若干根平台梁将钢结构与混凝土结构连接为一体，在径向桁架上部设置有天窗桁架，与两侧径向桁架形成巨型钢架结构，协同受力.因贝壳状结构面外刚度较 小，考虑塔式起重机附着设计的要求，拟将附着点设置在天窗桁架与贝壳面径向桁架相交点附近.如图3所示.
万方数据
Fig.3The heavy-duty tower cranes 图3重塔位置及附着撑杆设置示意position and attachment struts
2.3重塔附着点结构加强方案
实际放样重塔标准节尺寸及与主结构位置关系，选定附着点位于径向桁架V22和V25上，具体位置及附着点加强方案如图4所示.
图4径向桁架V22，V25附着点加强方案Fig.4 The strengthening schemes forattachment points V22 V25 of radial trusses
由图4可知，径向桁架V22处重塔附着点位于图示杆件距离端部节点约1/3长度处，考虑对该结 构构件采取截面尺寸不变、构件壁厚加大的方法进行加强，另在钢架平面内，增加1根斜腹杆，以保证附着点传力的直接性；在平面外方向，分别向贝壳
面相邻点设置斜撑杆，以增强该附着点的稳定性.
径向桁架V25处重塔附着点位于结构构件节点附近，故考虑将该节点上、下的两根结构杆件壁厚加厚处理，加强节点位置的局部承载力.
最终采取的加强方案，简要概括如表1所示.
表1重塔附着点处结构加强方案
Table 1The strengthening schemes for the
attachment points of the heavy-duty tower cranesH00×00×00991X00×00914 编号 原设计截面 加固后截面 材质说明F2 -F4 600×300×16600×300×30Q3458 □250×300×20Q345B新增加强杆 壁厚加厚
图5塔身、撑杆与整体坐标系关系Fig.5 Relationship of tower crane strut and integral coordinate
3协同作用分析
最大应力比为0.254，大部分杆件应力比均在0.16以下；考虑D1100重塔附着作用后，结构杆件最大应力比为0.3，大部分杆件应力比均在0.2以下；同时考虑重塔附着作用和风荷载作用，结构杆件最大应力比为0.316，大部分杆件应力比均在0.26以下；由此可见，风荷载作用在结构中产生的内力较 小，重塔附着作用导致结构杆件应力比最大增加0.07，对结构的影响也较小，且因重塔附着作用为临时荷载，故最终采取将附着点处结构杆件加强和增设稳定杆的方式，保证重塔附着点的强度和刚度，满足相关规范和重塔安全使用的要求.
3.1计算荷载
重塔作业及结构施工期间，结构仅受自重作用及临时施工荷载作用，故计算时，取自重乘以1.1，以考虑节点板等的作用.
风荷载仅施加在贝壳内径向桁架弦杆和环向偏安全地考虑基本风压0.9kN/m²，风振系数根据同 杆件上，径向桁架腹杆上不施加.计算风荷载时，类工程经验取1.3，风载体型系数根据《建筑结构荷载规范）CB50009-2012的相关条文进行计算，因大部分杆件宽度为300mm，故构件挡风面积按照300mm计算，则风荷载简化为线荷载施加在径向桁架弦杆上.
W作用3种情况，提取重塔附着点的三向变形情 分别按照仅恒荷载D作用、DL作用、DL况，如表2所示.
3.2附着撑杆力系转换
重塔附着于主结构，附着撑杆均为二力杆，为轴心受压杆件.塔式起重机生产厂家仅能提供各撑杆最大内力，以及基于平行塔身平面坐标系下的撑杆节点反力值，而为了方便计算，需将该反力值 转换为与结构整体坐标系一致的反力.整体坐标系与塔身局部坐标系之间的关系如图5所示.
表2重塔附着点处三向变形情况Table 2 Three-dimensional deformation atattachment points of the heavy-duty tower crane
mm
D 10 D.L.W点位- D D D.D，D，D D D，D.6-0-66-61-0----1 2 6-6-ZE8-8-s---z-
根据图5所示，按照撑杆最大轴力对附着撑杆节点反力进行计算推演，所得各点最大反力值比实际值大，以该反力值用于计算，结果偏于保守.
由表2可见，结构在重塔附着反力作用下，x，y，：方向变形均有所增大，其中水平方向变形较大，x方向变形最大增加24mm，y方向变形最大增加15mm；风荷载作用的影响相对较小，水平方向约增加5mm变形.因该变形是极端情况下结构的变形， 故正常施工时，结构的变形远小于表2数值.
3.3荷载组合]
计算时考虑结构自重作用D、塔式起重机附着于主结构产生的荷载L和风荷载W（贝壳平面外方向）.基本组合为：1.2D；1.2D1.0L（考虑L可能存在的轴力方向的各种组合情况，共计2种组合）；作用；共计4种组合），用于变形计算的标准组合共 1.2D1.0L1.4W（L分别施加；W考虑正负方向计6种.
3.5重塔工作安全性判定
重塔附着于柔性结构协同工作的安全性判定，一般有两种方法，一种是将重塔机构与柔性结构整体建模，模拟协同工作时的边界条件、荷载作用等，
3.4计算结果
经计算分析，主结构在自重作用下，结构杆件
应力状况，分析整体模型的荷载-位移曲线，并通过屈曲分析，计算整体结构的非线性稳定系数，以判状态和工作状态下可能出现的荷载种类多，边界条 定是否具有足够的安全储备.但由于重塔非工作件复杂，计算结果的可靠性较难保证.第2种方法是根据相关规范要求，以附着点最大水平变形值作为控制指标，来判定重塔附着于柔性结构是否范要求，塔身独立状态下，最高附着点以下塔身轴 具有可行性，以本工程为例，计算过程如下：根据规心线的垂直度允许偏差为2/1000.经计算分析可得，D1100塔式起重机附着点各种荷载组合作用下最大水平位移为D=34.83mm，附着点高度49.875m，附着点允许水平位移为49875/500=99.75mm>35mm.由此可见，实际使用过程中，塔 式起重机附墙点虽然会跟随主结构发生一定量的水平位移，但发生水平位移后，塔式起重机的垂直度仍然满足规范要求.
进行静力分析和非线性稳定分析，研究位移控制内力传递效果.
点的最大变形、连接构件的应力状况和连接节点的5注意事项
重塔附着于柔性结构时，附着点刚度相对较小，在外部荷载作用下，附着点产生变形后将对塔式起重机产生一定影响，故塔式起重机附着于柔性 钢结构时，需专门制定作业标准和规范，以保证重塔使用过程中的安全性，保证主结构的施工精度和施工质量.
1)定时观测塔式起重机基础沉降和塔身高度范围内水平方向的变形，如超出预警值，需停止作 业，采取措施排除风险后方能继续施工.
2）塔式起重机操作人员需增加上岗培训等理论和实操训练后，方能上机作业.
3）塔式起重机操作人员必须严格遵守现场各项安全施工规章制度，必须严格按照塔式起重机操作手册作业.
4）重塔作业过程中需停车时，必须严格按照高速一低速一停车的程序操作，严禁出现急停.
5）施工现场应监测实际风力大小，当风力超出允许作业范围后，应停止作业.
4重塔附着节点设计
弧形平面桁架，环向为弯扭箱形梁，环向构件和径向 本工程为巨型钢架网格结构，结构径向为放射状桁架相交处节点构造复杂，且因结构布置的关系，附着撑杆之间交叉角度小，附着节点设计难度大.
6）应对附着撑杆、附着点附近结构杆件进行应力监测.
7）吊装径向桁架单元时，需选择风力小于3级的条件进行对口作业.
根据放样，附着撑杆最长长度约11.6m，根据撑管，撑杆两端设置双耳板，与主结构通过销轴连接.≤10mm.如图6所示.
8）塔身安装时应严格控制塔身垂直度，最大垂
6结语
珠海歌剧院贝壳状空间钢架网格结构具有面内刚度较大、面外刚度小，且结构变形情况复杂的特点.分析了重塔附着于柔性钢结构的设计要点准，判定重塔附着于柔性结构协同工作的可行性. 和计算方法，建议以附着点最大水平位移为控制基建议从严制定作业标准和控制指标，以保证施工过程的安全性.
图6附着撑杆形式Fig.6Attachment strut styles
主结构上的附着撑杆连接节点设计为双耳板形式，节点三维构造如图7所示.
参考文献：
[1]卜龙瑰，陈一，刘传佳，等，珠海歌剧院屋重钢结构设计 [C]//第十四届空间结构学术会议论文集，2012.[2]中国建筑科学研究院.CB50009-2012建筑结构荷载规范[3]杭州湾海中观光塔施工塔式起重机在海上恶劣环境下稳定 [S].北京：中国建筑工业出版社，2012.性及塔式起重机与结构相关作用研究报告[R].兰州大[4]GB/T3811-2008起重机设计规范[S].北京：中国标准出版 学，2008.社 2008.[5]GB/T5031--2008塔式起重机[S].北京：中国标准出版 杜 2008.
图7附着撑杆节点构造示意Fig.7 The joints of attachment strut
在节点耳板位置，对应径向桁架弦杆内需设置内加劲板，以增强节点强度和刚度，保证附着撑杆
