吊装钢结构施工研究
韩战洋，周洋，刘江，王文涛，孟凡莹
（中交一公局第九工程有限公司，广东广州 510000）
［摘要］依托济南C-3-1地块项目，根据装配式钢结构住宅建筑的结构特点，针对钢结构构件种类多、全部依靠塔机垂直吊装施工工效低等问题，为更加经济、高效进行钢构件安装，研究地下车库顶板无回顶支撑的情况下在其上方用25t汽车起重机+密肋式路基箱吊装钢结构构件施工的技术要点；通过运用Midas Gen和Midas FEA NX有限元分析软件验算密肋式路基箱在钢构件吊装过程中对车库顶板的压力荷载大小和分布情况，设计并制作满足吊装要求的密肋式路基箱。研究显示，采用加强路基箱四周肋板同时减弱中间肋板的方法，能有效避免吊车支腿处路基箱底部的应力集中，实现了无回顶支撑下在车库顶板上采用小型汽车起重机辅助吊装钢构件施工。
［关键词］车库顶板；密肋式路基箱；无回顶支撑；钢结构汽车起重机吊装；Midas有限元分析
［中图分类号］TU393 ［文献标识码］A ［文章编号］1001-554X（2023）08-0083-05 Research on construction of steel structure hoisting on unsupported floors using
25 tons truck crane and multi ribbed roadbed box
HAN Zhan-yang，ZHOU Yang，LIU Jiang，WANG Wen-tao，MENG Fan-ying
济南C-3-1项目主体结构设计为钢结构框架，总体装配率高达77%。钢结构构件种类繁多，安装工序繁杂，全部采用塔机安装施工工效低。为充分发挥塔机主吊的工效，钢梁等小型构件必须采取汽车起重机辅助吊装施工。但汽车起重机在车库顶板上行走的传统做法是在车库顶板下方对顶板进行回顶，回顶支架搭设成本和租赁费用均较高。同时为满足主体结构不同部位的吊装需求，需不断移动汽车起重机站位，若采用回顶方式加固顶板的做法，将限制汽车起重机的吊装范围，因此研究在车库顶板上用25t汽车起重机+密肋式路基箱吊装钢结构构件。采用Midas Gen和Midas FEA NX有限元分析软件对路基箱和车库顶板进行仿真分析，验算支腿受力经路基箱扩散后在车库顶板上的荷载分布。
1 工程概况
1.1 项目概况
济南C-3-1地块项目占地面积27649m2，由8栋钢结构住宅、1栋两层社区服务中心和1层地下车库组成。总建筑面积约77586.65m2，其中地上建筑面积55298m2，地下建筑面积22288.65m2。
1.2 钢结构深化设计情况
项目层高2.9m，在项目钢结构深化设计时，根据钢柱、钢梁的结构设计特点，将钢柱深化为1节钢柱带4层楼板或1节钢柱带3层楼板，长约9～12m，单根构件重量1.3～2.4t，全部采用塔机吊装；钢梁计划采用25t汽车起重机吊装，钢梁在深化设计时将最长为5.8m的钢梁深化设计为5.09m，钢梁中部设计有钢斜撑牛腿，总重量654.8kg。钢梁深化模型见图1。
2 25t汽车起重机行走和吊装时受力工况分析
根据钢梁的最大设计重量、建筑高度和楼面积，选用三一重工STC250C5II-6型25t汽车起重机
DOI:10.1981.2023.08.011
［收稿日期］2023-02-16
［通讯地址］韩战洋，北京市朝阳区管庄周家井
进行钢梁吊装。汽车起重机设计参数见表1。
图1 Tekla Structures 钢梁深化设计图表1 汽车起重机主要设计参数表
类型项目参数尺寸 参数整机全长/mm 13250整机全宽/mm 2550重量 参数
整机总质量/kg 34400载荷
一轴负荷/kg 8400二、三轴负荷/kg 26000主要性能参数
最大额定总起重量/t
25最小额定幅度/m 3转台尾部回转半径/m 3.4支腿跨距（纵向×横向）/m
5.4×
6.4起升 高度
基本臂/m 11.6最长主起重臂/m 44最长主起重臂+副起重臂/m
52起重臂长度
基本臂/m 11.1最长主起重臂/m 4.35最长主起重臂+副起重臂/m
51.5
汽车起重机设计一轴负荷8.4t ，二、三轴负荷26.0t 。一轴为两轮，单轮受力为41.16kN ，二、三轴为四轮，单轮受力为31.85kN 。
汽车起重机吊装作业时，根据25t 汽车起重机说明书中主臂性能表和钢梁等构件深化重量，选择最大吊重为1t 、吊装工作半径为15m 时的最不利工况进行受力分析。构件在吊装工作半径外时，通过调整汽车起重机站位进行吊装，实现效益最大化。吊装工况验算时，分吊物在汽车起重机后方、吊物在汽车起重机侧方和吊物在汽车起重机支腿对角线上三种情况进行受力计算，汽车起重机设计参数见图2。
5280
1894
3490
26304720
13250
1350231525506400
R 33
00R 110
00
R 10
60
R 11500
R 1
37
00
图2 汽车起重机设计参数图
（1）在汽车起重机后方工作时。各个力对前支腿取矩ΣM =0
G z ×L q +（G -G z ）×S +G w ×（R +L q ）-
F ×（L q +L h ）=0后方2个支腿最大受力
F =［
G z ×L q +（G -G z ）×S +G w ×（R +L q ）］/（L q +L h ）=［23×2.8+（34.4-23）×1.5+1×
（15+2.8）］/（2.8+2.4）=19.096t 单个支腿最大荷载标准值
F 1=F /2=19.096/2=9.548t
（2）在汽车起重机侧方工作时。各个力对侧边支腿取矩ΣM =0G ×L zh /2+G w ×（R +L zh /2）-F ×L zh =0
侧方2个支腿最大受力F =［G ×L zh /2+G w ×（R +L zh /2）］/L zh
=［34.4×6.4/2+1×（15+6.4/2）］/6.4= 20.044t
单个支腿最大受力F 2=F /2=20.044/2=10.022t （3）在汽车起重机对角线方向工作时。考虑和起重臂相邻的3个支腿共同受力，各支腿受力分别为F a 、F b 、F c ，结合吊重、起重机自重，通过各个力对转台旋转中心x 方向、y 方向分别取矩ΣM x =0、ΣM y =0以及ΣF =0。
ΣF =0F a +F b +F c -G -G w =0
ΣM x=0
-L q×F a+L h×F b+L h×F c-［R×L h/（L h2+（L zh /2）2）
0.5×G w-（L q-S）×（G-GZ）］=0
ΣM y=0
L zh /2×F a+L zh/2×F b-L zh/2×F c-［R/2×L zh/（L h2+
（L zh/2）2）0.5×G w］=0
F a+F b+F c-34.4-1=0
-2.8×F a+2.4×F b+2.4×F c-［15×2.4/（2.42+（6.4/2）2）0.5×1-（2.8-1.5）×（34.4-23）］=0
6.4/2×F a+6.4/2×F b-6.4/2×F c-［15/2×6.4/（2.42+
（6.4/2）2）0.5×1］=0
F a=17.458t，F b=2.117t，F c=15.825t
考虑各个工况按最不利原则，支腿最大受力N k=max（F a，F b，F c）=17.458t。
3 25t汽车起重机+密肋式路基箱吊装研究
3.1 密肋式路基箱吊装受力计算
由以上计算分析可知，最不利工况时汽车起重机支腿最大受力F=17458kg×9.8N/kg=171.1kN，在支腿下设S1=0.55m×0.55m的垫脚钢板，钢板厚30mm；垫脚钢板分布在路基箱顶板的均布压力荷载为P1=F/S1=171.1kN/0.30m2=570kN/m2。P1作用在路基箱顶部时，理想状态下路基箱将P1均匀传递至车库顶板上。车库顶板设计覆土厚度1.5m，覆土重度（16～18）kN/m3，设计活荷载为5kN/m2，车库顶板除自重外设计均布荷载为16kN/ m3×1.5m+5kN/m2=29kN/m2，在车库顶板上的吊装安全系数为0.7，因此路基箱对车库顶板的均布荷载P2≤P=0.7×29kN/m2=20.3kN/m2，路基箱有效受力面积应为S=F/P=171.1kN/20.3kN/m2=8.43m2。
压力荷载P1经路基箱传递至车库顶板时，路基箱面积较大。虽然由路基箱对压力荷载P1进行了扩散，但采用Midas gen和FEA NX有限元分析软件进行路基箱受力验算分析后发现，荷载P2分布并非按理想状态均布在车库顶板上，在路基箱中部传递至楼面的荷载较大，在路基箱边缘位置传递至楼面的荷载较小，且98.2%的区域车库顶板受力为21.1kN/m2＞P，不符合规范要求（见图3
）。
图3 车库顶板法相受力等值线云图
3.2 密肋式路基箱设计及吊装验算分析
车库顶板主梁设计间距7～8.5m，次梁设计间距2～2.8m，根据路基箱有效受力面积8.43m2的要求，为充分发挥车库顶板次梁的作用，将路基箱设计为3m×3m，高度为250mm；顶板厚度为15mm，底板和肋梁厚度为10mm，钢材等级为Q345。为了使路基箱能最大限度均匀的将P1传递至楼面上，初步研究设想是改变路基箱的内部构造，使路基箱在荷载P1作用下发生适量的变形，以此减弱路基箱中部对楼面的荷载。
3.2.1 设计方案1
考虑使路基箱在P1作用下产生变形后，底板面与车库顶板均匀接触，使得受力均布在楼面上，因此在路基箱中间部位设置15mm的预拱度。采用Midas FEA NX有限元仿真分析软件进行计算后发现，此种设计在路基箱边缘较大范围内产生应力集中现象，无法实现路基箱与楼面同步变形，99.6%的区域车库顶板受力为27.1kN/m2＞P，不符合规范要求（见图4
）。
图4 带预拱度路基箱车库顶板法向受力等值线云图3.2.2 设计方案2
路基箱不设计预拱度，采取在路基箱中部减弱肋梁式设计，x向、y向两条主肋梁高度减小，且不与顶板焊接，减弱顶部中心区域的设计强度（见图5）。
图5 密肋式路基箱设计图
经Midas FEA NX 有限元仿真分析软件分析计算，此设计方案路基箱底部应力集中现象明显减弱，受力分布更加均匀，但中部应力仍大于车库顶
板设计均布荷载要求（见图6）。
图6 中部弱肋路基箱车库顶板法向受力等值线云图
汽车车顶行李架3.2.3 设计方案3
在方案2的基础上继续减弱路基箱中部的肋梁，同时优化边部肋梁的设计间距，最终优化路基箱设计：中部大肋梁间距为800mm ，与路基箱顶部连接；由中间向边部逐步加强大肋梁设计，在路基箱底部设置高度为80mm
的小肋梁，与底板和大肋梁连接，最终形成弱中强边密肋式路基箱（见图7）。
图7 弱中强边密肋式路基箱设计图
再次用Midas FEA NX 有限元仿真分析软件建立分析计算木型进行验算，软件内弱中强边密肋式
路基箱与车库顶板之间设置为一般接触连接进行受力计算，荷载工况组合考虑1.1倍的自重G +1.2倍的压力荷载P
1（见图8）。
图8 弱中强边密肋式路基箱受力分析网格模型
经受力分析计算，车库顶板的楼面分布荷载97.9%的区域车库顶板受力P 2=20.06kN/m 2＜P =20.3kN/m
2，又因为弱中强边密肋式路基箱设计面积S 1=3m ×3m=9m 2，所以路基箱的有效使用面积S 2=97.9%×S 1=8.81m 2＞S =8.43m 2
，符合规范要求（见图9）。
图9 弱中强边密肋式路基箱车库顶板受力等值线云图
3.3 汽车起重机在路基箱上行走时验算分析
由上述计算分析知：汽车起重机行走时一轴单轮受力为41.16kN 为最不利工况，根据汽车起重机轮胎设计参数可取轮胎与路基箱接触面积为0.3m ×0.3m=0.09m 2，轮胎对路基箱顶面均布荷载为P 4=41.06/0.09kN/m 2=456.2kN/m 2。汽车起重机行走时，采用Midas Gen 有限元分析软件进行受力分析，
分析结果满足设计要求；同时根据P 4＜P 1=570kN/m 2，可知路基箱满足吊装要求时，也必能满足汽车起重机行走时受力要求。此处汽车起重机行走时的工况分析不再详细赘述。
4 效益分析
4.1 路基箱加工租赁价格
3m ×3m 密肋式路基箱设计材料用量见表2。
表2 密肋式路基箱设计材料清单
名称厚度/
mm
理论质量
/（kg/m3）
型号/m数量重量/kg
顶板1511.783×31106.02底板107.853×3170.65 1#肋梁107.850.24×0.32413.56 2#肋梁107.850.24×317135.65 3#肋梁107.850.14×2.41231.65合计/kg357.49
吊装时需采用路基箱铺设的道路总长度为450m，路宽为6m，面积为2700m2，考虑路基箱周转使用两次，因此需路基箱面积为1350m2，需路基箱150块，总重量为53.6t。
此种密肋式路基箱与商家商定以租代买，再补贴厂家额外的加工费用和材料损耗费。按每天5名工人制作10块计算，150块路基箱需要人工费2.25万元，材料损耗费1.02万元；租赁费为每块每月240元，租期按3个月计算，累计10.8万元。
综上述，使用密肋式路基箱3个月的费用累计为14.7万元。
4.2 支架回顶材料租赁费用
采用盘扣式支架回顶时，经计算立杆的纵横间距不得大于0.9m，回顶高度3.9m，需要回顶面积为6320m2，共需盘扣支架材料137.4t；需要40mm×60mm的方木14040m。
综上述，采用支架回顶材料租赁费用累计：支架租赁费137.4t×7.9元/天×30天×3=9.77万元；
方木材料费用：14040m×0.04×0.06m2×1380元/m3=4.65万元。
4.3 回顶支架搭设及拆除费用
盘口支架搭设及拆除每平米30元，累计费用为6320m2×30元/m2=18.96万元。
4.4 钢结构吊装工效分析
采用25t汽车起重机通过合理调整站位，能满足钢梁安装90%的吊装需求。每层钢结构安装可节约工期0.5天，项目设计为100层，理论节约工期为50天。
综上述，采用密肋式路基箱累计节约成本：（9.77+4.65+18.96）万元-14.7万元=18.68万元（不含节约工期费用）。
5 结论
以济南C-3-1项目钢结构吊装为背景，采用Midas FEA NX有限元仿真分析软件建立汽车起重机支腿通过路基箱架设在车库顶板上时路基箱和车库顶板的受力仿真分析网格模型，分析了采用不同设计类型的路基箱时车库顶板的受力情况，得出以下结论：
（
1）根据吊装工况受力计算分析可知，吊物在汽车起重机侧方和后方时，汽车起重机支腿受力较小，因此在钢梁吊装施工时尽量用塔机将钢梁转运至汽车起重机站位和主楼之间，吊物在汽车起重机侧方直接起吊，确保吊装安全，此时支腿最大受力仅为10.022kg×9.8N/kg=98.21kN。
（2）装配式钢结构住宅因钢梁尺寸一般较小，在施工前期策划时，可优先选择采用汽车起重机辅助施工，在钢结构深化设计时，将钢梁等构件重量深化为满足汽车起重机允许起吊的最大吊重范围内，并保留30%的安全系数。
（3）因钢结构构件种类繁多，汽车起重机必须能灵活站位满足吊装要求，因此采用25t汽车起重机+密肋式路基箱可实现在不需要对车库顶板回顶支撑的情况，实现高效的钢构件吊装要求。
（4）弱中强边密肋式路基箱设计尺寸规格需结合车库顶板结构主次梁设计间距综合考虑，强边部位放置在顶板结构梁上方。
（5）路基箱设计需采用Midas FEA NX有限元仿真分析软件计算在路基箱作用下车库顶板的受力分布，避免在汽车起重机支腿下部出现应力集中现象。
［参考文献］
［1］史继心，于力海，澎湃，等. 汽车式起重机上楼板措施比较［J］. 施工技术，2012，41（S2）：2
40-243.［2］丁俏俏，邱国志，鲁小军，等. 路基箱结构的变形研究［J］. 结构工程师，2014，30（04）：52-56.［3］GB 50017-2017. 钢结构设计标准［S］. 北京：中国建筑工业出版社，2018.
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