某塔吊基礎的設計

朱 國 勤

(江蘇建興建工集團，江蘇 鹽城 224002)

某塔吊基礎的設計

朱 國 勤

(江蘇建興建工集團，江蘇 鹽城 224002)

以某工程塔吊基礎設計為例，對基礎頂面豎向力及傾覆彎矩進行了計算研究，詳細介紹了樁和承臺的計算及驗算過程，并對塔吊基礎的設計與施工工作進行了闡述，為今后同類工程提供了借鑒。

塔吊基礎，設計，彎矩，承臺

1 概述

工程施工中，塔吊基礎經常出現安全事故，產生安全事故的原因之一是塔吊基礎設計錯誤。塔吊基礎設計屬于結構設計，包含于施工方案設計中，通常由施工技術人員設計，監理人員審核。相應于主體建筑物的結構設計來說，設計與審核隊伍體系技術能力相差很大。國內現狀是施工技術人員水平參差不齊，監理人員更難具備實質的結構設計審核能力，因而基礎設計會隱藏較大的安全隱患。本文以某工程基礎設計與施工為例，對相關的設計與施工作闡述。

某工程地下為輔框架結構，建筑面積79 023.43 m2，主要為設備用房、停車位和人防工程。地面以上1層～4層主框架結構裙房，商業功能，建筑面積39 467.1 m2， 5層～29層為混凝土筒體+鋼管混凝土外框混合結構，商務辦公功能。塔吊基礎地質條件，根據地質條件，持力層選擇于⑥層粉質粘土上，軟塑～可塑，中壓縮性，地基承載力特征值fak=135 kPa，壓縮模量Es0.1-0.2=5.4 MPa，滲透系數7.0E-06。

2 塔吊基礎設計

因工程采用樁基礎，塔吊基礎利用前期施工完成的工程樁，承臺尺寸選用b=5 m，l=7.2 m,h=1.6 m；混凝土強度等級采用C40，抗壓強度設計值fc=19.1 N/mm2；鋼筋采用Ⅱ級鋼筋，抗拉強度設計值fy=300 N/mm2；承臺下部鋼筋保護層厚度采用100 mm，頂部、側面鋼筋保護層厚度采用50 mm。

塔吊基礎位置，利用5根工程樁，工程樁為鉆孔灌注樁，直徑φ=800，樁的兩向間距分別為2.4 m，4.8 m。樁長L=43 m；樁身混凝土強度等級C40，主要受力鋼筋HRB335；fy=300 N/mm2。

根據工程要求及塔吊參數，塔吊的最大起重量為160 kN。

根據以上選用情況及相關參數，進行如下計算與設計。

2.1 基礎頂面豎向力及傾覆彎矩計算

按照在工作狀態下時，基礎頂面所承受的最大荷載值來進行取值計算；作用于樁基礎的承臺頂部豎向力為F=1 207+160=1 367 kN；則塔吊的傾覆力矩為M=M1+V×h=5 899+38×1.6=5 959.8 kN·m；

按照非工作狀態下時，基礎頂面所承重荷載的最大值取值計算；作用于樁基礎承臺頂的豎向力F=1 128 kN；則塔吊的傾覆力矩值M=M1+V×h=5 574+152.3×1.6=5 817.68 kN·m。

2.2 樁的計算

1)單樁豎向力的計算。

依據規范，單樁頂面的豎向力：

其中，n為單樁的根數，本工程取n=5；F為作用于樁基承臺頂面的豎向力設計值；G為樁基承臺的自重。本文便采用以下計算：G=1.2×(25×l×b×h)=1.2×(25×7.20×5.00×1.60)=1 728 kN；Mx,My均為承臺底面的彎矩設計值；xi，xj，yi，yj分別為第i，j樁單樁相對承臺中心軸的X，Y方向距離，其中x1=0,y1=0;x2=1.2,y2=2.1;x3=1.25,y3=2.7，塔吊承臺下相應的樁位置布置如圖1所示；Ni為第i根樁單樁樁頂豎向力設計值。

假設塔吊的大臂與X軸呈θ角，則分解至X軸，Y軸的彎矩分別為Mcosθ，Msinθ。

將相關數值代入公式：

1號樁：

在工作狀態下,經計算得到單樁樁頂豎向力設計值：

最大豎向力值：

N1=(1 367+1 728)/5±5 959.8×0×cosθ/(1×
02+2×2.12+2×2.72)±5 959.8×0×sinθ/(1×02+2×
1.22+2×1.252)=619 kN。

最小豎向力值：N1min=N1max=619 kN<5 000 kN(φ800的工程樁抗壓承載力特征值)。

按照非工作狀態,經過計算，單樁豎向力設計值為：

最大豎向力：

N1=(1 128+1 728)/5±5 817.7×0×cosθ/(1×02+2×
2.12+2×2.72)±5 817.7×0×
sinθ/(1×02+2×1.22+2×1.252)=571.2 kN。

最小豎向力：Nmin=Nmax=571.2 kN<5 000 kN(φ800的工程樁抗壓承載力特征值)。

2，3號樁，4,5號樁計算方法相似，計算過程從略。

2)樁豎向承載力驗算。

根據以上的計算所得的豎向力設計值，最大值Nmax=2 053.9 kN；

根據規范，豎向力設計值應滿足下面的公式：

γ0N≤fcAΨc。

其中，γ0為建筑樁基重要性系數，取1.00；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值，本工程取fc=19.1 N/mm2；A為樁的截面面積，A=πD2/4=3.14×800×800/4=502 400 mm2；Ψc為工作條件系數，Ψc=0.50。

則γ0N=1×2 037.42

經過驗算，滿足要求。

3)單樁豎向承載力驗算。

根據以上的計算所得的豎向力設計值，最大值N=2 372.1 kN；

單樁豎向承載力設計值按公式計算：

Quk=QSK+QPK=u∑qsikli+qpkAp。

根據勘察報告可得知各土層厚度、樁周土極限側阻力標準值，以及樁端土極限側阻力的標準值。本工程樁處底板厚度為2 800 mm，樁計算頂標高為-19.300，也即是⑥層土，粉質粘土。樁端標高為-62.100，位于層土。

R=2.512×(35×8.2+70×2.71+55×5.43+40×2.12+58×7.67+45×5.93+50×3.41+45×4.41+50×7.64+65×2.61+80×10.84)+1 200×0.502 4=8 735.1 kN>2 037.42 kN。

滿足要求。

4)樁抗拔驗算。

樁身的抗拉承載能力驗算：

根據前述計算結果，單樁最小豎向力，Nmin=-783.15 kN，即是樁頂拉力Nmin=-783.15 kN。

樁身受拉承載能力設計值：

Np=fpy×Ap。

其中，Np為樁身軸向拉力設計值,kN；fpy為受力鋼筋的抗拉設計值,fpy=300 N/mm2；Ap為受力鋼筋面積，Ap=10×(π/4)×202=3 140 mm2；

Np=3 140×0.3=942 kN>783.15 kN,樁身抗拉強度能滿足。

單樁抗拔極限承載力標準值計算。

根據規范，樁基的抗拔極限承載力標準值：

UK=∑λiqsikuili。

本工程樁處底板厚度為2 800 mm，樁頂計算標高為-19.300，置于⑥層土，粉質粘土:

UK=0.75×2.512×(35×8.2+70×2.71+55×5.43+40×
2.12+58×7.67+45×5.93+50×3.41+45×4.41+50×
7.64+65×2.61+80×10.84)=3 053.67 kN>783.15 kN。

樁抗拔滿足要求。

2.3 承臺計算

1)承臺彎矩的計算。

根據以上計算，最大豎向力發生在4，5號樁。

按照規范：

Mx=∑Niyi。

My=∑Nixi。

其中，Mx,My分別為計算截面在X，Y方向的彎矩設計值；xi,yi分別為單樁相對于塔吊在X，Y方向的距離，取a/2-B/2=5.4/2-2.2/2=1.6 m；Ni為扣除承臺自重的單樁樁頂豎向力設計值，Ni=Nil-G/n=Nmax-G/n=1 671.82 kN；經過計算得到彎矩設計值：Mx=My=2×1 671.82×1.6=5 349 kN·m。

2)承臺主筋的計算。

根據規范，承臺受力筋計算按如下公式計算：

其中，α1為系數，當混凝土強度不超過C50時，α1取為1.0,當混凝土強度等級為C80時，α1取為0.94，此處α1取1.0；fc為混凝土的抗壓強度設計值，C40混凝土fc=19.1 N/mm2；h0為承臺計算高度，h0=h-100=1 500 mm；fy為鋼筋的抗拉強度設計值，fy=300.00 N/mm2。

經計算：

αs=5 349×106/(1.00×19.10×5 000×1 5002)=0.025；

ξ=1-(1-2×0.025)0.5=0.097 5；

γs=1-0.097 5/2=0.95；

Asx=Asy=5 349×106/(0.95×1 500×300.00)=12 512.3 mm2。

3)承臺斜截面抗剪承載力驗算。

根據以上計算得到X，Y方向樁對矩形承臺的最大剪切力,取剪切力V=Nmax=2 037.42 kN,不考慮承臺配置箍筋的抗剪能力，則抗剪承載力:

V≤βhsαftb0h0。

其中，b0為計算截面處的寬度，b0=5 000 mm；h0為計算截面處的高度，h0=1 500 mm；λ為剪跨比，λ=ax/h0。

此處ax為標準節的外皮到長邊方向樁內邊的水平距離，ax=2.7-1.1-0.4=1.2 m；計算截面的剪跨比λ=1 200/1 500=0.8, 當λ<0.3時，取λ=0.3；當λ>3時,取λ=3，此處滿足0.3～3。

βhs為抗剪切承載力截面高度影響系數，可計算得βhs=0.854；

ft為混凝土的軸心抗拉強度設計值，C40混凝土時，fc=1.71 N/mm2。

3 結語

工程施工中塔吊安全事故頻發，基礎設計問題是其中原因之一。基礎設計通常由施工技術人員完成，因此施工技術人員應當嚴格按照設計規范要求進行正確計算。本文以某工程塔吊基礎進行設計為例，闡述了塔吊基礎的設計要點。

[1] GB 50010-2010，混凝土結構設計規范[S].

[2] GB 50007-2002，建筑地基基礎設計規范[S].

[3] JGJ/T 187-2009，塔式起重機混凝土基礎工程技術規程[S].

[4] JGJ 94-2008，建筑樁基技術規范[S].

[5] 陳新杰，宣云干.常見塔吊基礎設計方案及驗算方法[J].施工技術,2006(2):65-68.

Designandconstructionofatowercranefoundation

ZHUGuo-qin

(JiangsuJianxingConstructionGroup，Yancheng224002,China)

Taking the design for the tower crane foundation of some project as the example, the paper calculates and studies the top vertical force of the basement and the overturning moment, mainly introduces the calculation and inspection process of the pile and cushion cap, and illustrates the design and construction of the tower crane, so as to provide some reference for similar projects.

tower crane foundation, design, member, cushion cap

1009-6825(2014)14-0089-03

2014-03-05

朱國勤(1973- )，男，建筑經濟師，國家注冊監理工程師

TU471.99

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