| ［摘要］介绍金茂大厦塔楼钢结构施工中塔吊的布置、选型方案及M440D抬臂式内爬塔吊的支附工艺。
［关键词］抬臂式塔吊 爬升工艺 附墙杆 钢结构 超高层建筑
1 工程概况及特点 金茂大厦位于上海浦东新区陆家嘴金融贸易区，由塔楼与裙房组成。塔楼呈宝塔形，共88层，总高度达420.50m。塔楼为组合结构，由剪力墙核心筒、外部的8根混凝土复合巨型柱、8根钢巨型柱以及它们之间的钢梁或外伸钢桁架(位于24～26层、51～53层、85～87层)组成，其平面形状见图1。金茂大厦的塔楼钢结构工程具有以下的特点：图1 塔吊平面布置(1) 量大。总吨位达16500t，剪力栓钉580000套，高强螺栓400t,金属压型钢板185000m2。
(2) 面广。钢结构分布在平面尺寸52.7m×52.7m、高度-14.9～420.5m的空间。
(3) 单件构件大而重。最大构件重达22.4t。
(4) 核心筒体沿高度变化比较大。53层以下筒内有井字型钢筋混凝土腹部剪力墙，53层以上成了一个烟囱式的筒体。
(5) 复合巨型柱在垂直方向断面变化比较大。下部断面为5m×1.5m,62层以上不仅断面变为3.5m×1m，而且复合巨型柱的两侧失去了楼层钢梁，基本处于悬臂状态(见图1)。
(6) 工期紧。钢结构工程必须在18个月以内安装完成。
2 需要解决的难题 金茂大厦塔楼钢结构工程要求塔吊必须具有较强的吊装能力、较大的吊装半径、足够的容绳量和较大的起吊能力。因此，在塔楼钢结构吊装前必须首先解决塔吊的选型、布置及塔吊对主体结构的影响问题。
3 研究的主要内容
3.1 塔吊的布置
人们一般把塔吊安装在刚度极大的混凝土核心筒体内，但是金茂大厦核心筒体在56层以上筒内没有井字形腹部剪力墙，也没有楼层梁板。两台塔吊如果布置在核心筒体内，那么塔吊到达56层以后，就很难再爬升。而复合巨型柱是整个大厦中刚度仅次于核心筒体的结构，5m×1.5m的钢筋混凝土复合巨型柱，里面还有2根上下通长的H型钢柱，每层都有钢梁，作为劲性钢结构浇捣在复合巨型柱内，且纵横向的楼层钢结构将巨型柱与塔楼结构连成整体，因此塔吊布置在这个位置上是比较理想的，塔吊平面布置见图1。图2 塔吊外形
3.2 塔吊的选型 由于塔吊需要全回转，因此塔吊的扒杆必须能够起伏，尾部的平衡臂长度必须小于10m。查阅有关塔吊的资料，只有抬臂式塔吊的性能可以满足上述要求。为此金茂大厦的钢结构施工选用了2台M440D抬臂式内爬塔吊。选用M440D塔吊，还有以下的原因：在20～30层、49～55层、83～87层，核心筒体的筒壁内有劲性钢结构，这部分钢结构量大、单件最大重量达18t。由于核心筒施工必须先行(至少高出外围钢结构5层左右)，因此只有选用抬臂式的M440D塔吊，才有可能安装核心筒体内的外伸桁架构件。M440D塔吊(图2)起重能力达600t*m，臂长55m，塔身高度40m，最大工作半径52.5m，最小工作半径4.4m，最大起吊重量达32t，而它的尾部半径仅为8.5m。
3.3 塔吊的支附方式
3.3.1 原方案 M440D塔吊对建筑结构的作用力很大。在钢结构安装开工前，我们就制定了一套针对金茂大厦特点的塔吊施工方法，即将复合巨型柱间作为M440D塔吊内爬的垂直通道，并将M440D塔吊附着于核心筒体上。当时我们称其为“二柱、二板、一撑”的方法。该方案的荷载传递：2根复合巨型柱传递垂直荷载至基础，上道爬升梁处的水平荷载由附墙杆传递至核心筒，下道爬升梁处的水平荷载由其上下的两层楼板传递至核心筒。该方案的爬升要求：上道爬升梁上一层楼板的混凝土必须浇捣且强度必须达到100%设计强度。
上述施工方法，受力路线明确，但有以下缺点：
(1) 复合巨型柱距核心筒剪力墙达9.475m，塔吊附墙杆长达10m以上。附墙杆过长、过重，安装与拆除极为不便，上部楼板施工后尤其如此，这将延长塔吊的安装和爬升时间，进而影响施工进度。
(2) 方案规定塔吊底部的水平荷载由两层强度已接近100%的混凝土楼板传递到核心筒体，要做到这一点非常困难。塔身高40m，塔楼层高大多是4m，塔身部分占了10层。根据施工流水，这10层中最上面的4层在安装钢结构，中间的3层(占一节柱)在铺设压型板、土建需绑扎巨型柱与楼板的钢筋、安装模板与浇捣混凝土，最下面的3层是2道塔吊爬升系统的固定节。金茂大厦的施工要求周期是3d一层，一节柱(3层)的施工期仅为9d，要在9d内使巨型柱的混凝土强度接近100%是有困难的。
3.3.2 新工艺 分析原方案，它仅利用了结构体中的二柱、二板，而没有利用柱与核心筒体之间的钢梁。如果能充分利用上述钢梁传递塔吊的水平荷载，那么塔吊就可以采用纯内爬方式(即不附墙)施工。根据M440D塔吊对塔楼结构影响的力学分析结果，我们把塔吊爬升过程分为三个阶段。
第一阶段：-3～40层，共13个爬次。施工期可能遭遇台风，且塔吊刚竖起，在使用初期有一个走合过程。我们提出上下爬升梁间距(即爬距)为12m、无附墙支撑杆的纯内爬式方法，但混凝土楼板要浇捣到上道爬升梁的下一层。
第二阶段：41～61层，共5个爬次。计算上设定16m爬距(塔吊水平荷载可减少20%左右)，不设附墙杆的纯内爬式方法，混凝土楼板最大可以距下道爬升梁达12层。
第三阶段：62层～塔尖，共6个爬次，施工时间会遭遇台风或暴风影响，塔吊所处位置极高，且塔楼结构体系骤然减小，计算上对该工况提出了16m爬距，加设经简化的附墙杆系统的方法，将大部分水平荷载直接传递给核心筒，混凝土楼板最大可距下道爬升梁12层。
4 实施情况
截止1997年8月2日，金茂大厦钢结构安装施工用的2台173t重的塔吊已顺利地爬升了24次，塔吊已爬升到了最高点317.2m。从1996年4月安装第一台塔吊到第24次爬升到位，总共经历了16个月，其间经受了强台风的考验。
施工阶段我们采取了以下管理措施： (1)严格控制关键部位混凝土的强度； (2)对塔吊支附系统的预埋件与焊接加强管理； (3)加强与土建单位的工程协调； (4)建立严格的塔吊爬升令制度，对涉及塔吊爬升的有关条件与技术要求实行监控； (5)在关键部位与最不利阶段请专业的测试单位进行应力应变测试。
5 效益分析
5.1 金茂大厦钢结构安装施工创造了一个月吊装13层的速度。
5.2 由于塔吊第一、二阶段的爬升(共18次)没有设置附墙杆系统，节约了大量的埋件、附墙框及附墙杆等，总共节约钢材43.124t以上，每吨钢材的材料费、加工费与安装费约5000元，共节约21.5万元以上。拆装1台塔吊附墙系统的时间需1个台班，2台塔吊18个爬次，一共节约36个台班，而M440D塔吊的台班费是1.2万元，这样仅台班费一项就节约43.2万元，加上人工费共节约费用在50万元以上。共节约18个工作日。
5.3 我们把这2台M440D抬臂式塔吊爬升到预定的最高高度，即塔底标高317.2m，最高安装高度达410m左右，为今后同类型建筑的施工提供宝贵的经验。
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