塔吊底座與鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換平臺(tái)栓焊混合連接設(shè)計(jì)

劉瑞武，金 虎，吉紅波，邢國(guó)然

LIU Ruiwu1，JIN Hu2，JI Hongbo3，XING Guoran3

(1.浙江佳匯建筑設(shè)計(jì)股份有限公司，浙江 紹興312000;2.華潤(rùn)新鴻基房地產(chǎn)(杭州)有限公司，浙江 杭州310020;3.浙江中成建工集團(tuán)有限公司，浙江 紹興312000)

目前的高大建筑均有深大基坑，擔(dān)負(fù)著基坑內(nèi)水平運(yùn)輸及垂直運(yùn)輸?shù)乃醮蟛糠址旁诘叵率抑校梢杂行岣咚醯母采w范圍。地下室內(nèi)的塔吊大部分采用逆作鋼格構(gòu)式塔吊基礎(chǔ)，塔吊基礎(chǔ)節(jié)與鋼格構(gòu)柱的連接需配一個(gè)過渡的轉(zhuǎn)換平臺(tái)進(jìn)行有效連接。

1 工程概況

某工程占地面積9920 m2，總建筑面積為35866.7 m2，地下1 層，地上24 層，結(jié)構(gòu)高度97.90 m。合理考慮塔吊覆蓋范圍，在坑內(nèi)主樓南側(cè)設(shè)置1 臺(tái)先置式鋼格構(gòu)柱塔吊，租賃公司提供的塔吊型號(hào)為QT80A，其基礎(chǔ)節(jié)有4 個(gè)底座，每個(gè)底座通過4 顆高強(qiáng)螺栓與轉(zhuǎn)換平臺(tái)連接。

塔吊樁頂標(biāo)高- 5. 950 m，轉(zhuǎn)換平臺(tái)面標(biāo)高-1.450 m，樁間距1500 mm。在每根塔吊樁內(nèi)插入450 mm×450 mm 鋼格構(gòu)柱(嵌入樁內(nèi)2000 mm)，該鋼格構(gòu)柱主肢由4 根L140 × 10 角鋼(L =6500 mm)與綴板-400 ×200 ×10@500 焊接組成，柱間用L140 ×10 角鋼@1500 焊接支撐形成整體，其平面內(nèi)強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性驗(yàn)算滿足要求。

由于鋼格構(gòu)柱截面尺寸為450 mm×450 mm，塔吊底座螺栓孔間距為440 mm，兩者之間若厚鋼板直接螺栓連接會(huì)發(fā)生嚴(yán)重沖突，現(xiàn)場(chǎng)已制作型轉(zhuǎn)換平臺(tái)，便于塔吊基礎(chǔ)底座與轉(zhuǎn)換板栓焊連接。

2 轉(zhuǎn)換平臺(tái)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)換平臺(tái)采用上下兩塊厚鋼板與井字板焊接而成的空間結(jié)構(gòu)，并在高強(qiáng)螺栓對(duì)應(yīng)位置開孔便于安裝螺栓，同時(shí)利用塔吊柱腳底板擴(kuò)散螺栓軸向集中拉力，防止轉(zhuǎn)換板發(fā)生破壞。

型轉(zhuǎn)換板結(jié)構(gòu)下部中間設(shè)置“十”字豎向加勁肋與轉(zhuǎn)換板雙面焊、四周設(shè)置豎向綴板與轉(zhuǎn)換板單面焊以增強(qiáng)轉(zhuǎn)換板抗彎能力。綴板與“十”字豎向加勁肋采取單面坡口熔透焊。見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)換平臺(tái)圖

3 焊接驗(yàn)算

3.1 塔吊基礎(chǔ)荷載工況

塔吊基礎(chǔ)荷載工況見表1，塔吊基礎(chǔ)受力示意圖見圖2。

表1 塔吊基礎(chǔ)荷載工況

圖2 塔吊基礎(chǔ)受力示意圖

由表1 可知，塔吊非工作狀態(tài)承受的傾覆彎矩很大，為最不利受力工況，對(duì)柱腳連接的設(shè)計(jì)起控制作用，因此柱腳焊縫連接僅按塔吊的非工作狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。

3.2 柱腳最大軸向拉力設(shè)計(jì)值

塔吊柱腳底板與轉(zhuǎn)換平臺(tái)連接承受拉力作用為最不利受力狀態(tài)，柱底受壓偏安全，因此焊縫承載力應(yīng)按柱腳最大軸向拉力并取塔吊非工作狀態(tài)計(jì)算。

3.3 柱腳剪力設(shè)計(jì)值

3.4 焊縫驗(yàn)算

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50017—2003)》第7.1.3 條規(guī)定，在通過形心的拉、剪力的共同作用下，直角角焊縫的強(qiáng)度按如下公式進(jìn)行計(jì)算。

正面角焊縫(作用垂直于焊縫長(zhǎng)度方向):

側(cè)面角焊縫(作用力平行于焊縫長(zhǎng)度方向)

式(1～3)中:σf—按焊縫有效截面計(jì)算，垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的正應(yīng)力;

τf—按焊縫有效截面計(jì)算，沿焊縫長(zhǎng)度方向的剪應(yīng)力;

he—角焊縫的計(jì)算高度，直角焊縫為0.7hf(角焊縫焊腳尺寸);

lw—角焊縫計(jì)算長(zhǎng)度，每條焊縫取實(shí)際長(zhǎng)度減去2hf;

βf—正面角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值增大系數(shù)，承受直接動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)βf= 1.0。

焊接連接角焊縫的計(jì)算參數(shù)為:焊縫高度hf=10 mm，焊縫計(jì)算高度he= 0.7 ×10 = 7 mm，焊縫計(jì)算長(zhǎng)度lw= 560 -2 ×10 = 540 mm，焊縫強(qiáng)度fw

f =160 N/mm2。

由于塔吊基礎(chǔ)節(jié)柱腳底板與格構(gòu)柱端部轉(zhuǎn)換板周邊圍焊，每邊焊縫承受的拉力N = 1061.2/4 =265.3 kN，承受剪力V = 38.9/2 = 19.4 kN。

將焊縫計(jì)算參數(shù)和內(nèi)力代入式(1)～(3)得:角焊縫正應(yīng)力

角焊縫剪應(yīng)力

角焊縫等效綜合應(yīng)力

焊縫高度滿足承載力要求，表明焊縫連接形式安全可行。

4 栓接驗(yàn)算及質(zhì)量控制

4.1 栓接驗(yàn)算

每個(gè)塔吊柱腳與轉(zhuǎn)換板均采用4 顆10. 9 級(jí)M30 高強(qiáng)螺栓連接，同時(shí)利用塔吊柱腳底板擴(kuò)散螺栓軸向集中拉力的墊板。10.9 級(jí)M30 高強(qiáng)螺栓的設(shè)計(jì)預(yù)拉力值為355 kN，則4 顆高強(qiáng)螺栓能承擔(dān)355 ×4 =1420 kN 的拉力，遠(yuǎn)大于1061.2 kN，能滿足塔吊抗拔要求。

4.2 質(zhì)量控制

(1)對(duì)于通過高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接的鋼結(jié)構(gòu)，制作時(shí)必須首先注意高強(qiáng)螺栓摩擦面的加工質(zhì)量及安裝前的保護(hù)。

(2)鋼構(gòu)件角度偏差將嚴(yán)重影響構(gòu)件組裝時(shí)的高強(qiáng)螺栓穿孔率。構(gòu)件的扭曲會(huì)影響連接面間的間隙。因此在鋼結(jié)構(gòu)制作時(shí)應(yīng)控制其變形。

(3)在安裝高強(qiáng)螺栓摩擦面前，必須將摩擦面保護(hù)好，防止污染、銹蝕。

(4)對(duì)高強(qiáng)螺栓安裝工藝(包括操作順序、安裝方法、緊固順序、初擰、終擰)進(jìn)行嚴(yán)格控制檢查，擰螺栓的扭力扳手應(yīng)進(jìn)行標(biāo)定等。

5 塔吊柱腳底板承載力計(jì)算

5.1 底板計(jì)算模型

根據(jù)塔吊柱腳底板的受力與邊界約束條件，底板簡(jiǎn)化為中部承受塔柱等效均布拉力和水平剪力，板內(nèi)部分開洞的四邊簡(jiǎn)支板計(jì)算模型。見圖3。

圖3 塔吊柱腳底板計(jì)算簡(jiǎn)圖

5.2 有限元分析計(jì)算

底板內(nèi)力分析采用ANSYS 通用有限元分析軟件，單元選擇SHELL181 殼元，該單元可以考慮薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和材料彈塑性。有限元分析采取自動(dòng)增量加載，按照MISES 準(zhǔn)則進(jìn)行材料屈服判斷，采用牛頓-拉夫森法進(jìn)行方程求解的平衡迭代控制。見圖4、圖5。

Q235 鋼材彈性模量E =2.06 ×105N/mm2，泊松比v =0.3，屈服強(qiáng)度fy=235 N/mm2，設(shè)計(jì)強(qiáng)度f=205 N/mm2。

由塔吊柱腳位移云圖6 可知，塔吊底板跨中位移最大Δmax=0.6 mm，相對(duì)變形δmax=0.6/560 =1/933，柱腳剛度能夠滿足塔吊正常使用要求。

圖4 塔吊柱腳有限元模型

圖5 塔吊柱腳加載與邊界條件

圖6 塔吊柱腳位移(mm)

圖7 塔吊柱腳MISES 應(yīng)力(MPa)

MISES 應(yīng)力為材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的等效綜合應(yīng)力，可作為彈塑性材料的屈服判斷條件。柱腳MISES 應(yīng)力云圖7 顯示，底板的MISES 應(yīng)力均未超過鋼材的屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，表明底板強(qiáng)度滿足結(jié)構(gòu)的承載力極限狀態(tài)要求。

底板應(yīng)力分布特點(diǎn)為:加勁肋端部區(qū)域應(yīng)力最大，由外向內(nèi)逐漸減少，底板中部應(yīng)力較小;圓形螺栓孔處應(yīng)力適中、過渡平緩，沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象;MISES 應(yīng)力基本呈對(duì)稱分布。加勁肋端部底板局部應(yīng)力較大的原因在于:底板中部在軸向拉力和水平剪力的共同作用下，端部受到加勁肋與邊界約束作用，端部位移較小，而中部位移較大，因此板端將承受軸向荷載產(chǎn)生的彎矩作用，導(dǎo)致板端區(qū)域應(yīng)力增加。

底板周邊應(yīng)力約為71.5 MPa，與按照鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算的角焊縫綜合應(yīng)力值70.4 MPa 非常接近，有限元分析的結(jié)果證實(shí)了焊縫設(shè)計(jì)的正確性，而且進(jìn)一步說明了焊接施工質(zhì)量控制的重要性，使底板支座約束的計(jì)算模型符合塔吊基礎(chǔ)實(shí)際工作性能，以此確保塔吊的使用安全。

6 結(jié) 語

QT80A 塔吊基礎(chǔ)節(jié)底座比較特殊，現(xiàn)場(chǎng)在鋼格構(gòu)柱端部焊接制作轉(zhuǎn)換平臺(tái)便于塔吊底座與轉(zhuǎn)換板栓焊混合連接形成一體，解決了常規(guī)尺寸鋼格構(gòu)柱柱角與塔吊底座螺栓孔沖突問題。通過應(yīng)用ANSYS 有限元軟件計(jì)算評(píng)估塔吊基礎(chǔ)安全性，并嚴(yán)格控制栓焊連接施工質(zhì)量，從而充分保證了塔吊設(shè)備安全可靠地投入使用。