超高层建筑施工中塔机支承架结构承载力研究

引言

现代超高层建筑对塔机支承架的设计与施工提出了更高要求，特别是在极端荷载作用下的结构稳定性成为研究重点。支承架不仅要满足静态承载需求，还需适应施工过程中的动态荷载变化及环境因素影响。有限元分析、实测数据对比及可靠度理论，深入研究支承架的极限承载力与失效模式，可优化结构设计，降低施工风险，推动超高层建筑施工技术的创新发展。

1 超高层建筑施工中塔机支承架结构概述

塔机支承架作为超高层建筑施工中的关键临时支撑结构，承担着传递塔吊荷载至主体结构的重要使命，其性能直接影响施工安全和工程进度。现代超高层建筑普遍采用外挂式或内爬式支承架体系，通过锚固系统与建筑主体可靠连接形成整体受力体系。从结构形式来看，空间桁架体系因其优良的力学性能成为主流选择，通过精心设计的节点构造实现力的有效传递，同时考虑施工便利性采用标准化构件拼装方式。支承架设计需综合考虑塔吊工作荷载、风荷载及地震作用等多种工况，特别要重视非对称荷载和动力效应的影响，采用有限元分析等现代计算手段进行精确校核。随着建筑高度不断提升，支承架还需解决温度变形、施工误差累积等特殊问题，通常设置可调节装置来消除安装偏差。在施工组织方面，支承架安装必须与主体结构施工密切配合，制定详细的安装时序和监测方案，确保每个施工阶段都具有足够的稳定性和可靠性，同时要考虑后续拆除的便利性和安全性。

2 影响塔机支承架结构承载力的因素分析

2.1 材料特性对承载力的影响

钢材的屈服强度和弹性模量直接决定支承架构件的承载能力和变形特性，高强度钢材虽然能提高单构件承载力，但需综合考虑其延性和焊接性能是否满足要求。焊接材料的匹配性影响节点连接质量，不恰当的焊条选择会导致焊缝强度不足或产生脆性断裂，热影响区的力学性能变化也需要特别关注。钢材的韧性指标对抗震性能至关重要，在低温环境下作业时要确保材料具有足够的冲击韧性，避免发生脆性破坏。材料各向异性会导致不同受力方向的性能差异，特别是轧制钢材在厚度方向的性能弱化可能成为薄弱环节。钢材的耐久性也不容忽视，长期暴露在施工环境中要考虑防腐处理和抗疲劳性能，对处于高应力区的构件还要评估其蠕变特性对长期使用的影响。

2.2 结构几何形状与尺寸的影响

支承架的整体高宽比直接影响结构的侧向刚度，过大高宽比会导致明显的二阶效应，需要在适当位置设置横向支撑或采取其他加强措施。杆件截面形式的合理选择对优化受力性能至关重要，箱形截面在抗扭和抗弯方面具有明显优势但成本较高， H 型钢则更便于连接施工。节点区域的几何构造是决定结构可靠性的关键因素，合理的节点设计应使力流传递顺畅避免应力集中，同时要考虑螺栓布置空间和焊接操作空间等施工因素。构件长细比的合理控制既能保证稳定性又避免材料浪费，受压构件的计算长度取值要考虑实际约束条件的影响。支承架与主体结构的连接形式直接影响边界条件假设的准确性，过强的连接可能导致主体结构局部超载，过弱的连接又会降低整体性。

2.3 荷载类型及分布的作用

塔吊工作状态下的动态荷载会产生显著的冲击效应，特别是突然制动或变幅时的惯性力可能数倍于静载，需要在设计中考虑适当的动力放大系数。风荷载的空间分布特性导致支承架各部位受力不均，高层施工时还要考虑风振效应和涡激振动的影响，必要时进行风洞试验获取准确数据。施工活荷载的随机性增加了设计难度，要考虑材料堆放、人员设备等临时荷载的最不利布置。温度变化引起的热应力不容忽视，特别是钢结构与混凝土结构的温度变形差异可能导致附加内力，对于大跨度支承架要设置合理的温度缝。地震作用虽然是偶然荷载但可能造成灾难性后果，在设防烈度较高地区必须进行专门的抗震验算，确保支承架在罕遇地震下不发生倒塌。

3 提高塔机支承架结构承载力的措施

3.1 材料选择与优化

选用高性能结构钢是提升承载力的有效途径，Q390 及以上级别的钢材在保证延性的前提下显著提高强度指标，针对关键受力构件可采用调质热处理钢材以获得更优的综合性能。实施严格的材料认证制度，要求供应商提供完整的材质证明和第三方检测报告，对每批次进场钢材进行抽样复检确保性能达标。科学制定材料代用原则，当需要替换材料规格时必须重新进行受力验算，重点关注强度、刚度和稳定性的匹配关系，重要结构部位禁止随意代用。针对特殊环境条件采取针对性的材料防护措施，沿海地区要采用耐候钢或加强防腐涂层，低温环境作业要选择具有良好低温冲击韧性的钢材。建立材料追溯管理系统，对每根构件的材质、炉批号等信息进行完整记录，为质量控制和事故分析提供依据。

3.2 结构构造的改进策略

采用空间三角形网格结构可大幅提升整体稳定性，通过在传统平面桁架体系中增设斜向支撑和水平联系杆，形成多向传力路径提高结构冗余度。优化节点构造形式是改进重点，对于弯矩较大区域采用铸钢节点或加强板措施，螺栓连接优先采用摩擦型高强螺栓确保节点刚度。合理设置结构变截面过渡区，在受力突变位置采用渐变式截面变化避免应力集中，过渡段长度要满足规范要求的最小值。引入可调节装置解决施工误差问题，在支承架与主体结构连接处设置螺杆调节机构，实现标高和平面位置的微调功能。考虑结构体系的可扩展性，设计模块化单元便于随着建筑高度增加进行标准节加装，每个扩展阶段都要进行整体稳定性复核。

3.3 施工过程中的保障措施

实施全过程监测预警系统，在关键受力部位安装应力传感器和位移计，实时监控结构响应并与理论值进行对比分析。严格执行分阶段验收制度，在每个施工节点完成后进行专项检查，重点核查构件安装精度和连接质量是否符合要求。建立完善的安全应急预案，针对可能出现的超载、碰撞等意外情况制定详细的处置流程，定期组织演练提高应急响应能力。加强现场焊接质量控制，重要焊缝要实施全过程监理旁站，按照规范比例进行无损检测确保内部质量。实施动态荷载管理制度，对塔吊工作状态和材料堆放位置进行严格管控，避免出现设计未考虑的荷载不利布置情况。定期进行结构健康检查，在大风、地震等特殊天气后要组织专业检测，及时发现并处理潜在的安全隐患。

结束语

超高层塔机支承架承载力研究为复杂施工环境下的结构安全提供了重要保障。未来，结合智能监测技术与大数据分析，可进一步提升支承架设计的精准性与适应性。研究成果不仅有助于优化现有施工工艺，还能为相关规范的修订提供科学依据，推动超高层建筑向更高、更安全的方向发展。

参考文献

[1] 李壮壮 . 超高层建筑施工中塔机支承架结构承载力研究 [J]. 建筑机械 ,2025,(07):276-279.

[2] 范周云 . 论超高层建筑施工中塔吊的选型和定位 [J]. 居舍 ,2022,(20):157-158.

[3] 范周云 . 超高层建筑施工中塔吊的合理应用 [J]. 居舍 ,2021,(14):51-52.

[4] 覃 重 闪 . 研 究 超 高 层 建 筑 施 工 塔 机 应 用 技 术 [J]. 低 碳 世界 ,2021,10(01):128-129.

[5] 高兴梁 . 超高层建筑施工塔机应用技术研究 [J]. 建筑机械 ,2020,(03):68-71.