既有結(jié)構(gòu)作為塔吊基礎的安全影響分析

李 俊， 任 鑫， 劉洪鍵， 李威威

（中國建筑第八工程局有限公司，上海 200135）

傳統(tǒng)塔吊使用過程中臨時性樁基承臺式塔吊基礎的高成本投入一直廣受詬病。隨著既有結(jié)構(gòu)作為塔吊基礎應用概念的提出及發(fā)展，永臨結(jié)合塔吊基礎形式愈發(fā)多樣化，屋頂、鋼結(jié)構(gòu)、底板、地庫筏板、懸臂現(xiàn)澆0#塊梁體等既有結(jié)構(gòu)上塔吊應用成功案例也越來越多[1]；但以既有結(jié)構(gòu)作為塔吊基礎對主結(jié)構(gòu)安全性影響仍處于模糊的探索階段[2]。本文主要采用有限元分析模型，對以懸臂現(xiàn)澆梁體頂板為基礎的塔吊結(jié)構(gòu)安全性進行分析。

1 工程概況

某大橋跨河段懸臂現(xiàn)澆0#塊梁高3.7 m，橋面寬12.50 m，在0#塊上張拉T1、WC1 預應力鋼絞線與底部承臺臨時固結(jié)形成剛性連接。實施過程中在0#塊梁體頂板安裝70 m 臂、19.65 m 高的塔吊，其中：橋墩0#塊混凝土結(jié)構(gòu)基礎尺寸3.0 m×3.0 m×3.7 m；臨時固結(jié)結(jié)構(gòu)為4 個鋼管混凝土立柱，每個含10 根930 MPa 的JL32精軋螺紋鋼，張拉合力6 360 kN，長邊間距5.5 m、短邊間距4.72 m。見圖1。

圖1 懸臂現(xiàn)澆0#塊頂板塔吊基礎

2 塔吊基礎與主結(jié)構(gòu)模型

2.1 模型建立

采用Midas Civil 有限元分析軟件，按照0#塊結(jié)構(gòu)尺寸建立有限元模型[3]，對塔吊布置在0#塊上進行模擬分析。主梁、墩身、承臺及鋼管混凝土立柱采用梁單元模擬，鋼管混凝土立柱與主梁和承臺之間采用剛性連接，承臺底采用一般支撐固結(jié)。見圖2。

圖2 塔吊基礎與主結(jié)構(gòu)有限元模型

通過對自重、預應力、掛籃及塔吊在不同工作形式下的受力情況，對0#塊梁體進行受力分析。

2.2 計算參數(shù)

0#塊梁體自質(zhì)量519.2 t,施工掛籃自質(zhì)量93.4 t。塔吊工作狀態(tài)垂直荷載為1 095.1 kN，水平力為33.4 kN，彎矩為2 528.4 kN·m，扭矩為395.7 kN·m；塔吊非工作狀態(tài)垂直荷載為823.5 kN，水平力為89.5 kN，彎矩為1 623.6 kN·m，扭矩為0。

3 0#塊梁體受力分析

3.1 塔吊工作狀態(tài)

在有限元模型中施加塔吊垂直荷載1 095.1 kN、水平力33.4 kN，彎矩2 528.4 kN·m，扭矩395.7 kN·m，掛籃施加垂直荷載934 kN。

0#塊在塔吊工作狀態(tài)下上緣最大壓應力為0.91 MPa，下緣最大拉應力為0.41 MPa；主梁混凝土為C50，其抗拉強度標準值ftk為2.65 MPa，抗壓強度標準值fck為32.4 MPa。根據(jù)JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》第7.2.8 條，壓應力бce≤0.70 fck=0.7×32.4=22.68（MPa），拉 應 力бet≤1.15ftk=1.15×2.65=3.05（MPa）。在塔吊工作狀態(tài)下彎矩為5 650.08 kN·m＞0，無拔力，豎向最大變形0.4 mm，縱橋向最大變形0.18 mm。見圖3-圖5。

圖3 塔吊工作狀態(tài)下0#塊應力

圖4 塔吊工作狀態(tài)下0#塊彎矩

圖5 塔吊工作狀態(tài)下0#塊變形

綜上，0#塊在塔吊工作狀態(tài)下，其上下緣最大壓應力、最大拉應力均在規(guī)范限值范圍內(nèi)，不會對0#塊結(jié)構(gòu)造成破壞；彎矩＞0，整體變形較小，穩(wěn)定性滿足要求。

3.2 塔吊非工作狀態(tài)

在有限元模型中施加塔吊垂直荷載823.5 kN、水平力89.5 kN、彎矩1 623.6 kN·m、扭矩0，掛籃垂直荷載934 kN。

0#塊在塔吊非工作狀態(tài)下上緣最大壓應力為0.91 MPa，下緣最大壓應力為0.41 MPa。在塔吊非工作狀態(tài)下彎矩為5 098.63 kN·m，無拔力；在塔吊非工作狀態(tài)下豎向最大變形1.12 mm，縱橋向最大變形1.11 mm。見圖6-圖8。

圖6 塔吊非工作狀態(tài)下0#塊應力

圖7 塔吊非工作狀態(tài)下0#塊彎矩

圖8 塔吊非工作狀態(tài)下0#塊變形

綜上，0#塊在塔吊非工作狀態(tài)下，上下緣最大壓應力、最大拉應力均在規(guī)范限值范圍內(nèi)，不會對0#塊結(jié)構(gòu)造成破壞，彎矩＞0，整體變形較小，穩(wěn)定性滿足要求。

3.3 現(xiàn)有受力分析的局限性

現(xiàn)行既有結(jié)構(gòu)作為塔吊基礎的結(jié)構(gòu)受力安全性驗算僅從主結(jié)構(gòu)拉應力、壓應力、彎矩、變形方面對結(jié)構(gòu)進行分析，對于主結(jié)構(gòu)抗剪切破壞，尤其是薄弱位置局部破壞未能全面考慮。依照Midas/Civil 有限元軟件驗算模式推定，即使建立主結(jié)構(gòu)實體模型進行抗剪切應力分析，也僅能驗算全截面整體剪應力，對局部薄弱位置結(jié)構(gòu)的破壞性情況無法兼顧。

JTG 3362—2018 在現(xiàn)有受力分析方法的基礎上增加主結(jié)構(gòu)抗剪切應力分析，輔以局部承壓構(gòu)件承載力模擬驗算，能夠更嚴謹、全面的對主結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)安全性受力分析，更好地保證結(jié)構(gòu)安全及穩(wěn)定。

3.3.1 剪切應力

在有限元實體模型中施加塔吊垂直荷載1 095.1 kN、水平力33.4 kN，彎矩2 528.4 kN·m，扭矩395.7 kN·m，掛籃施加垂直荷載934 kN。

受軟件驗算模式限制，只能沿0#塊縱向截面計算各截面整體剪應力，其最大剪應力出現(xiàn)在0#塊中部塔吊作用截面，為0.11 N/mm2；0#塊梁體采用C50混凝土澆筑，查表得C50 混凝土抗剪強度設計值2.9 N/mm2＞0.11 N/mm2，故各截面均不會造成剪切破壞。見圖9。

圖9 塔吊工作狀態(tài)下0#塊梁體剪力

3.3.2 局部承壓構(gòu)件承載力模擬驗算

為驗證0#塊人洞空腔位置荷載作用下的受力狀態(tài)，避免該位置剪切破壞，以JTG 3362—2018 中局部承壓構(gòu)件承載力模擬驗算。其中，空腔兩側(cè)等效為簡支狀態(tài)，對塔吊單個支腿位置局部承壓狀態(tài)進行受力分析，當混凝土構(gòu)件配置方格網(wǎng)鋼筋時

式中：γ0為橋涵結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；Fld為局部壓力設計值；ηs為混凝土局部承壓修正系數(shù)，C50混凝土取ηs=1.0；β 為混凝土局部承壓強度提高系數(shù)；fcd為混凝土軸心抗壓強度設計值；k 為間接鋼筋影響系數(shù)；ρv為間接鋼筋體積配筋率；βcor為配置間接鋼筋時局部抗壓承載力提高系數(shù)；fsd為彎起鋼筋抗拉強度設計值；Aln為混凝土局部受壓扣除空洞后的面積。

根據(jù)設計及施工相關(guān)參數(shù)，代入式（1）對局部受壓承載力進行模擬驗算以驗證塔吊單支腿作用在0#塊梁體上局部受壓承載力是否滿足規(guī)范要求，綜合判斷是否對0#塊梁體造成破化。

4 結(jié)語

在現(xiàn)行既有結(jié)構(gòu)作為塔吊基礎對主結(jié)構(gòu)安全性影響分析方法基礎上，補充建立結(jié)構(gòu)實體模型進行剪應力分析，輔以局部承壓構(gòu)件承載力模擬驗算，使結(jié)構(gòu)受力分析方法更加嚴謹全面。