塔吊鋼結構基礎設計應用研究

雷志新 李 棟 陳有志

1 概述

現在城市高層建筑施工受施工場地的限制,塔吊常布置在基坑之內,傳統的施工方法是在建筑物基坑土方開挖完畢后進行安裝,這將占用工期,且安裝不便。采用逆作法施工塔吊,可以有效地解決這一問題。逆作法施工塔吊基礎,就是事先在基坑范圍內塔吊的安裝部位施工灌注樁,樁端插入鋼格構柱,在土方開挖前施工塔吊基礎混凝土承臺或鋼平臺,安裝塔吊。本文將對塔吊組合式基礎鋼平臺進行研究,對于保證塔吊的施工安全具有一定意義。

2 鋼格構柱設計

2.1 鋼格構柱構造

格構式鋼柱采用四肢角鋼組合柱,角鋼為等邊角鋼,格構柱截面尺寸一般為450×450,綴件通常采用綴板式,以利于格構柱插入基樁鋼筋籠內,也可采用綴條式。

2.2 鋼格構柱計算

其中,Nmax為格構柱最大軸心壓力設計值;A為構件分肢毛截面面積之和;f為鋼材抗拉抗壓強度設計值;φ為軸心受壓構件穩定系數,根據換算長細比、鋼材屈服強度,按GB 50017-2003鋼結構設計規范取值。

2)格構柱剛度。格構柱剛度應滿足:

其中,λmax為格構柱繞兩主軸 x,y的換算長細比λox,λoy的最大值。

3)格構柱分肢穩定。當綴件為綴板時,分肢長細比λ1≤0.5λmax且 λ1≤40;當綴件為綴條時,分肢長細比 λ1≤0.7λmax。

其中,λx,λy分別為整個構件對x軸、y軸的長細比;λ1為分肢對最小剛度軸的長細比,其計算長度為相鄰兩綴板間的凈距離,分別為構件截面中垂直于x軸、y軸的各斜綴條毛截面面積之和。

1)鋼格構柱整體穩定。鋼格構柱為四肢截面,按b類截面計算。整體穩定性按下式計算:算:綴條通常采用單桿斜綴條,按受壓桿計算。單個斜綴條內力為:.綴板計算:綴板按受彎構件計算,單個綴板的剪力和彎矩分別為:

其中,fy為鋼材的屈服強度;α為斜綴條與橫綴條間的夾角;l1為相鄰綴板軸線間的距離;a為格構柱分肢形心軸間的距離。

2.3 格構柱計算長度討論

對于鋼平臺基礎,格構柱下端嵌固于鉆孔灌注樁內,上端與鋼平臺焊接,計算模型可按下端固定、上端可移動但不轉動的受壓柱考慮。此種受壓柱的計算長度系數為1.0,但考慮到實際施工時格構柱上端與鋼平臺的連接很難保證為完全固結,因此計算長度系數應取大于1.0的系數以偏于安全。本文建議格構柱的計算長度取1.2l0。

3 鋼平臺設計

3.1 鋼板平臺

灌注樁、格構柱的軸線與塔吊基礎節的柱腳相對應,每根格構柱頂面安裝一塊鋼板,鋼板通過4個螺栓與格構柱分肢連接,螺栓焊接于分肢角鋼上,鋼板與分肢間加焊三角形加勁板(見圖1)。

鋼板與格構柱分肢通過螺栓連接,進行鋼平臺與格構柱連接計算時,為計算方便,假設鋼板傳給格構柱的荷載全部由螺栓承擔。

3.1.1 螺栓與分肢間的焊縫計算

1)焊縫內力計算。

焊縫受到拉力(壓力)和水平荷載共同作用,將水平荷載向焊縫中心移動,可得到焊縫的應力(見圖2)。圖2中 N1為單個螺栓所受的最大拉力(壓力),F1為單個螺栓所受的水平力,塔吊的水平荷載由4個鋼板平臺的16個螺栓平均分攤,M1為水平力移動到焊縫中心后的彎矩。

其中,σf為按焊縫有效截面計算,垂直于焊縫長度方向的應力;τf為按焊縫有效截面計算,沿焊縫長度方向的剪應力;fwf為角焊縫的強度設計值;βf為正面角焊縫的強度設計值增大系數,此處按直接承受動力荷載的結構考慮,βf=1.0。

3.1.2 螺栓強度計算

其中,d為螺栓直徑;t為鋼平臺厚度;de為螺栓在螺紋處的有效直徑分別為螺栓的抗剪和抗壓強度設計值為螺栓抗拉強度設計值;Nv,Nt分別為螺栓承受的剪力和拉力。

3.1.3 平臺鋼板計算

平臺鋼板應進行抗彎和抗剪強度計算,按雙向簡支板考慮,此處從略。

3.2 鋼梁平臺

鋼平臺的另一種做法為鋼梁平臺,由兩根互相垂直交叉的H型鋼組成,該種形式的鋼平臺不受樁基間距限制。在4個格構柱的頂部各焊接一塊鋼墊板,將制作好的十字鋼梁吊裝到鋼墊板上進行焊接。為了增強鋼梁的整體性,在鋼梁端部四周焊接槽鋼。

3.2.1 內力計算

鋼梁計算簡圖見圖3。

每根鋼梁上的兩個集中力為:

其中,F為塔機作用于基礎頂的豎向荷載;M為塔機作用于基礎頂的傾翻力矩;L1為塔機對角線上兩立柱軸線間的距離。

3.2.2 梁截面計算

局部承壓強度計算:鋼梁上安裝塔吊鐵腳位置處和鋼梁支座處,受集中荷載作用,局部承壓強度應滿足5hy。其中,Mx為鋼梁繞x軸的彎矩;Wnx為對x軸的凈截面模量;γx為截面塑性發展系數;V為計算截面沿腹板平面作用的剪力;S為計算剪應力處以上毛截面對中和軸的面積矩;I為毛截面慣性矩;tw為腹板厚度;fv為鋼材抗剪強度設計值;F為集中荷載;lz為集中荷載在腹板計算高度上邊緣的假定分布長度;a為集中荷載沿梁跨度方向的支撐長度;hy為自梁頂面至腹板計算高度上邊緣的距離。

2)剛度計算。

鋼梁的撓度應滿足:v≤[vT]=l/400。其中,v為荷載標準值產生的最大撓度;[vT]為規范規定的受彎構件的最大撓度。

3)整體穩定計算。

H型鋼梁腹板和翼緣的寬厚比一般都能得到保證,不需驗算局部穩定。

4 構造及施工要求

1)鋼格構柱插入鉆孔灌注樁中不小于2 000 mm,施工時先將鋼格構柱的四根角鋼分別與下部鉆孔樁鋼筋籠焊接牢固,再整體吊入孔內,嚴格控制插入的垂直度。2)平臺鋼板必須水平,表面平整度控制在L/1 000以內,L為鋼平臺基礎的外邊緣長度。3)十字梁應于格構柱頂之間設置鋼墊板,鋼墊板與格構柱分肢焊接,并焊接加勁板。十字梁的軸線交點到4個格構柱的中心點等距,并使十字梁H型鋼的腹板與格構柱的對角線重合。4)在基坑開挖過程中,隨基坑分層開挖及時在格構柱四周安裝型鋼水平支撐和斜向支撐系桿,將4個格構柱連成整體。型鋼的截面積不小于格構柱分肢的截面積。為了增大格構柱的抗扭剛度,土方開挖后沿柱高在截面寬度的9倍處設置橫隔,橫隔為水平剪刀撐,采用不小于∠63×5的角鋼與格構柱焊接。5)土方開挖時應分層對稱開挖,減少土體側移對樁的影響。施工機械應避免碰撞鋼格構柱,做好對格構柱的保護。6)格構柱穿越地下室底板和頂板時,應在分肢型鋼上焊接鋼止水片,止水片的位置在地板和頂板中間。

5 結語

現在這一新型的塔吊逆作法施工方法正逐步得到應用,但鋼平臺基礎形式多樣,計算方法也不統一。因此筆者建議:1)對于多種型號的塔吊進行驗算,優化鋼平臺基礎設計,形成統一規范的計算方法;2)對于有爭議的一些問題,進行進一步的研究,達成共識。這對于保證塔吊施工安全具有重要意義。

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