水中構(gòu)造柱型鋼組合式塔吊基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與施工

■黃華杰

(中交一公局廈門(mén)工程有限公司，廈門(mén) 361104)

1 工程概況

白沙快速出口路位于儋州、白沙境內(nèi)，是海南省重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目， 是白沙縣的高速連接線(xiàn)，是白沙縣城至儋州市區(qū)的快速通道，也是海南中西部區(qū)域的快捷旅游通道。 其中牙炳2# 大橋附近的地表水主要為一條河流， 位于K32＋150 處，河面寬約5～10 m，水深約0.6 m，流量約300 LS，由山間溪水及季節(jié)性降雨補(bǔ)給。K31+960～K31+995 m 處分布一山塘， 人工截水形成， 水深4～5 m， 淤積深1.5～2.5 m。

塔吊基礎(chǔ)位于大橋左右幅9# 墩兩承臺(tái)之間，兩承臺(tái)邊各設(shè)置2 根1.1 m×1.1 m×2.5 m C35 水下混凝土基礎(chǔ)構(gòu)造柱， 構(gòu)造柱內(nèi)設(shè)置矩形鋼筋籠及錨筋，鋼筋籠深入承臺(tái)1 m。 基礎(chǔ)采用鋼平臺(tái)+地腳螺栓形式，鋼平臺(tái)采用2HN700×300 mm 型鋼（HN700×300×13×24 mm 加勁）焊接制作成“十”字梁，“十”字梁中間連接部除工字鋼相互焊接外，底部和頂部各用1 塊（800×800×30）mm 矩形鋼板，中間連接后單面加3 塊（200×200×30）mm 三角形勁板， 混凝土基礎(chǔ)預(yù)埋鋼板與 “十” 字梁用直徑52 mm 的高強(qiáng)度螺栓滿(mǎn)焊連接，鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 塔吊基礎(chǔ)鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)

“十”字梁由雙拼H 型鋼（腹板加勁）并排焊接制作而成，根據(jù)塔吊地腳螺栓孔位，在“十”字梁上穿孔[1]，4 個(gè)可拆卸地腳與“十”字梁通過(guò)直徑52 mm的高強(qiáng)螺栓連接， 且每個(gè)地腳用16 個(gè)七型板進(jìn)行焊接加強(qiáng)（圖2）。

圖2 塔吊基礎(chǔ)鋼平臺(tái)三維圖

2 塔吊基礎(chǔ)施工過(guò)程及其特點(diǎn)

塔吊基礎(chǔ)的施工需先對(duì)已進(jìn)場(chǎng)的高強(qiáng)螺栓、螺母、型鋼、鋼板進(jìn)行驗(yàn)收、分類(lèi)；再測(cè)量放樣出4 個(gè)構(gòu)造柱的邊點(diǎn)， 并對(duì)構(gòu)造柱預(yù)留鋼筋進(jìn)行調(diào)直；此外，構(gòu)造柱預(yù)埋鋼板和高強(qiáng)螺栓需提前加工，節(jié)約安裝時(shí)間。

2.1 混凝土構(gòu)造柱施工

2.1.1 混凝土構(gòu)造柱鋼筋籠安裝

根據(jù)測(cè)量放樣的邊點(diǎn)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行鑿毛處理，使鑿毛區(qū)露出新鮮混凝土。 在施工承臺(tái)時(shí)預(yù)埋混凝土構(gòu)造柱鋼筋，預(yù)埋深度1 m，并預(yù)埋帶彎鉤的錨筋以保證混凝土構(gòu)造柱的抗傾覆能力。

2.1.2 混凝土構(gòu)造柱模板安裝

根據(jù)設(shè)計(jì)坐標(biāo)放樣出4 個(gè)混凝土構(gòu)造柱的各個(gè)角點(diǎn)， 采用竹膠板及方木作為構(gòu)造柱模板支撐，方木豎向25 cm 布置1 道， 橫向50 cm 布置1 道（圖3）。 構(gòu)造柱混凝土采用C50 水下混凝土以保證構(gòu)造柱的抗壓能力。

圖3 構(gòu)造柱鋼筋及模板安裝

2.1.3 預(yù)埋件安裝

預(yù)埋件為（1000×1000×20）mm 鋼板+直徑52 mm的高強(qiáng)螺栓（帶彎鉤）組合件，安裝時(shí)需嚴(yán)格控制高強(qiáng)螺栓的間距、線(xiàn)性及高度，保證預(yù)埋鋼板組合件在同一水平面上，以確保組合型鋼梁能夠順利安裝，保障塔機(jī)施工安全。 預(yù)埋鋼板中心預(yù)留10×10 cm 的混凝土卸落孔（混凝土卸落孔如圖4 所示），構(gòu)造柱混凝土應(yīng)振搗密實(shí)，保障基礎(chǔ)施工質(zhì)量[2]。

圖4 預(yù)埋件安裝

2.1.4 混凝土澆筑

構(gòu)造柱模板安裝加固后進(jìn)行C35 混凝土澆筑，要求快插慢拔，以混凝土不在下沉表面泛漿為混凝土振搗完成的標(biāo)準(zhǔn)。 澆筑過(guò)程中需保護(hù)預(yù)埋高強(qiáng)螺栓絲口，防止混凝土污染絲口影響后期使用[3]。

2.2 水下塔吊施工地腳安裝

此基礎(chǔ)為水中施工環(huán)境，故先在棧橋上將4 個(gè)地腳安裝在組合型鋼上， 采用地腳螺栓進(jìn)行固定（圖5），再對(duì)基礎(chǔ)節(jié)進(jìn)行試裝，若基礎(chǔ)節(jié)順利安裝完成，則卸下基礎(chǔ)節(jié)；若無(wú)法順利安裝，說(shuō)明組合型鋼梁沒(méi)有放平或地腳與基礎(chǔ)節(jié)不配套，應(yīng)重新調(diào)整鋼梁直至水平或檢查地腳與基礎(chǔ)節(jié)型號(hào)。

圖5 地腳安裝

2.3 組合型鋼梁安裝

（1）將構(gòu)造柱預(yù)埋鋼板混凝土殘?jiān)宄⑦M(jìn)行打磨，保證預(yù)埋鋼板平整光滑，將預(yù)埋高強(qiáng)螺栓外露絲口部分清理干凈，保證鋼梁與預(yù)埋鋼板焊接質(zhì)量、增強(qiáng)螺母的錨固力。 型鋼梁吊裝至構(gòu)造柱預(yù)埋鋼板時(shí)， 需注意預(yù)埋鋼板位置預(yù)埋的高強(qiáng)螺栓群，避免型鋼梁晃動(dòng)撞擊高強(qiáng)螺栓導(dǎo)致變形而影響受力[4]。 當(dāng)鋼梁落至構(gòu)造柱預(yù)埋鋼板后，采用4 臺(tái)焊機(jī)同步對(duì)鋼梁與預(yù)埋鋼板接觸面進(jìn)行焊接， 連接方式為8 塊（20×70×3）cm 鋼板加勁焊接，避免單點(diǎn)施焊后應(yīng)力集中引起鋼梁變形。 焊接完成后在鋼梁與構(gòu)造柱接觸位置采用3 根雙拼I16 壓梁和1 根3 拼I16 壓梁進(jìn)行錨固， 增強(qiáng)塔吊基礎(chǔ)整體受力性能（圖6）。

圖6 壓梁安裝

（2）地腳與組合型鋼梁進(jìn)行滿(mǎn)焊連接，每個(gè)地腳采用16 塊七型板加強(qiáng)固定， 七型板接觸點(diǎn)均滿(mǎn)焊連接。

（3）在基礎(chǔ)四周搭設(shè)檢修平臺(tái)，用圓鋼及安全綠網(wǎng)設(shè)置臨邊防護(hù)，高度1.2 m，保證人員施工安全（圖7）。

圖7 組合型鋼基礎(chǔ)安裝

3 基礎(chǔ)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)及數(shù)值分析

3.1 塔機(jī)傳遞至基礎(chǔ)荷載設(shè)計(jì)值

根據(jù)塔機(jī)的基本參數(shù)及傳遞至基礎(chǔ)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算塔機(jī)傳遞至基礎(chǔ)荷載的設(shè)計(jì)值，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 塔機(jī)傳遞至基礎(chǔ)荷載設(shè)計(jì)值

3.2 組合型鋼梁強(qiáng)度驗(yàn)算

針對(duì)塔吊基礎(chǔ)建立了MIDAS 有限元模型。 根據(jù)以上荷載設(shè)計(jì)值，對(duì)組合型鋼梁強(qiáng)度采用MIDAS進(jìn)行計(jì)算，組合型鋼梁的彎應(yīng)力如圖8 所示。 其抗彎及抗剪結(jié)果為： 組合型鋼梁彎應(yīng)力為119 MPa＜205 MPa， 滿(mǎn)足要求； 剪應(yīng)力為71 MPa＜120 MPa（圖9），滿(mǎn)足要求。

圖8 組合型鋼梁彎應(yīng)力計(jì)算

圖9 組合型鋼梁剪應(yīng)力計(jì)算

3.3 組合型鋼梁剛度驗(yàn)算

采用MIDAS 軟件計(jì)算了組合型鋼梁剛度，如圖10 所示， 可以看出鋼梁的最大撓度為1.83 mm＜L/800=6.43 mm，滿(mǎn)足要求。

圖10 組合型鋼梁撓度計(jì)算

3.4 地腳螺栓驗(yàn)算

當(dāng)螺栓受到剪應(yīng)力時(shí)，根據(jù)荷載設(shè)計(jì)值對(duì)螺栓進(jìn)行了驗(yàn)算：Nv=54.54 kN≤608.38 kN，符合要求。 當(dāng)螺栓受到拉應(yīng)力時(shí)， 對(duì)螺栓進(jìn)行驗(yàn)算：Nt=345.274 kN≤1119 kN，滿(mǎn)足要求。 當(dāng)螺栓同時(shí)受到剪應(yīng)力及拉應(yīng)力時(shí)，對(duì)螺栓進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果滿(mǎn)足要求。

3.5 雙拼I16 壓梁驗(yàn)算

組合型鋼梁雙拼型鋼向上單側(cè)反力q′=965 kN，則單根壓梁承受荷載q=483 kN，壓梁按簡(jiǎn)支梁模型計(jì)算，計(jì)算模型如圖11 所示。

圖11 壓梁計(jì)算模型圖

經(jīng)過(guò)計(jì)算， 得到其最大彎應(yīng)力δ=149 N/mm2＜215 N/mm2， 符合要求； 最大剪應(yīng)力δ =47 N/mm2＜125 N/mm2，符合要求。

通過(guò)以上驗(yàn)算得知：本組合型鋼鋼梁式塔吊基礎(chǔ)各主要構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、整體穩(wěn)定性均符合要求，能夠保障現(xiàn)場(chǎng)施工安全。

4 深水組合式塔吊應(yīng)用效果

本組合型鋼梁式塔吊基礎(chǔ)應(yīng)用于大橋1#、2#塔吊，由表2 可知，至今4 個(gè)地腳的累計(jì)沉降均不大于10 mm， 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示基礎(chǔ)處于穩(wěn)定狀態(tài)，安全性高，具有較高的推廣意義，尤其能解決深水環(huán)境中基礎(chǔ)構(gòu)造柱施工困難等問(wèn)題。

表2 地腳累計(jì)位移觀測(cè)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

鋼梁塔吊基礎(chǔ)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、提高勞動(dòng)效率、節(jié)約材料成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約生產(chǎn)工期等特點(diǎn)；通過(guò)對(duì)海南白沙項(xiàng)目的水中構(gòu)造柱型鋼組合式塔吊基礎(chǔ)受力體系和施工過(guò)程的分析，得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)于深水環(huán)境，相比于傳統(tǒng)塔吊基礎(chǔ)，采用大面積混凝土基礎(chǔ)或插打多根鋼管+型鋼梁基礎(chǔ)的操作更為簡(jiǎn)單，既能保證施工安全，避免大面積混凝土的使用，以及鋼管柱插打可能遇到的垂直度、入土深度、復(fù)雜河床地質(zhì)條件等問(wèn)題，又能有效利用現(xiàn)有承臺(tái)設(shè)置的4 根混凝土立柱， 大大節(jié)約了施工成本，提高了工作效率；同時(shí)很好地解決了深水基礎(chǔ)構(gòu)造柱的施工困難、 基礎(chǔ)穩(wěn)定性無(wú)法保障等問(wèn)題。

（2）型鋼梁與混凝土構(gòu)造柱采用“焊接+栓接”雙重加固措施，提高塔吊型鋼與混凝土構(gòu)造柱的整體受力性能，保障塔吊作業(yè)安全。 采用MIDAS 結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件對(duì)該組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)算，總結(jié)出水中塔吊的受力性能和施工要點(diǎn)，可為同類(lèi)型水中塔吊的計(jì)算提供依據(jù)。