格構柱式組合塔吊基礎承臺與格構柱連接方式研究

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格構柱式組合塔吊基礎廣泛應用于塔吊基礎中，主要由鉆孔灌注樁、格構柱、承臺3部分組成。格構柱式組合塔吊基礎承臺基本構造要求如圖1所示[1]。格構柱錨入承臺需考慮兩方面的需求：格構柱對承臺的豎向壓力，格構柱對承臺的豎向拉力。JGJ/T 187—2019《塔式起重機混凝土基礎工程技術標準》要求“格構式鋼柱上端深入混凝土承臺的錨固長度應滿足抗拔要求”，并在相應條文說明中給出一種常見構造做法：格構式鋼柱上端深入混凝土承臺處可采用焊接豎向錨固鋼筋的連接構造，錨固鋼筋的長度不小于35d（d為錨筋直徑）；格構式鋼柱的錨固鋼筋不得少于4φ25 mm，即鋼柱每分肢的錨固鋼筋不少于1φ25 mm。

圖1 格構柱式組合塔吊基礎承臺基本構造

常見的剪力連接件包括栓釘、槽鋼、錨筋等，并且在土木工程結構中廣泛使用。在格構柱的法線方向上設置抗剪措施，即可將格構柱的軸向力轉換為承臺與柱身之間的剪力。橋梁工程中鋼-混凝土結合部的PBL（perfobond rib shear connector）剪力連接件可連續布置，通過在剪力傳遞路徑方向設置帶孔鋼板，并在每個孔內設置1根沿剪力傳遞路徑法線方向的鋼筋，基本布置如圖2所示。該方案具有抗剪剛度大、承載力高的優點，在使用階段的抗剪剛度大，破壞階段的延性好[2]。大量試驗研究表明，PBL剪力連接件在受力性能和施工方便性等方面明顯優于傳統剪力連接件，其良好的延性性能有利于PBL剪力連接件群的協同受力[3-5]，因此，PBL剪力連接件在鋼-混凝土結合梁橋中應用較廣。在此基礎上，出現一些改進的PBL剪力連接件，如Kim等[6]提出一種Y形抗剪連接件用于鋼-混凝土結合橋梁中的抗剪，通過在抗剪鋼板邊緣縱向等間距設置交叉傾斜的齒板，齒板間設置鋼筋，具有承載力高的特點。Zou等[7]試驗對比研究了標準圓孔PBL連接件、扁孔雙鋼筋PBL連接件、長圓孔雙鋼筋PBL連接件的抗剪性能。

圖2 格構柱式組合塔吊基礎承臺與PBL連接件基本布置

本文從格構柱與基礎承臺軸向傳力路徑的角度出發，將橋梁工程中的PBL剪力連接件做法引入格構柱與基礎承臺之間的錨固，建立有限元分析模型對比簡化計算方法與既有文獻中試驗結果。根據現行國內規范計算，對比PBL剪力連接件、栓釘、錨筋三者錨固措施的效果，給出角鋼格構柱柱頂PBL剪力連接件的建議構造做法。

1 格構柱柱頂錨固措施

根據鋼筋混凝土結構設計規范，格構柱式組合塔吊基礎柱頂錨固措施包括柱頂嵌固鋼板、栓釘、槽鋼、錨固樁頭等方式。

1.1 柱頂錨筋

錨固鋼筋的主要作用是給格構柱提供抗拔承載力儲備；格構柱對承臺的上沖切作用主要由格構柱與鋼筋混凝土承臺的錨固承擔。該方案具有構造簡單的特點，錨筋與格構柱分肢角鋼側面焊接的質量控制尤為重要。

1.2 柱頂嵌固鋼板

在格構柱分肢上設置獨立或整體式錨固鋼板，與格構柱分肢角鋼焊接，可以同時提高格構柱的抗拔承載力和格構柱對承臺的上沖切承載力。該方案質量控制要點在于錨固鋼板與格構柱分肢角鋼垂直焊接。

1.3 樁頂側面角鋼、槽鋼、栓釘或其他剪力鍵

在相鄰格構柱分肢角鋼側面焊接角鋼、槽鋼、栓釘或其他抗剪鍵，作為格構柱的抗剪鍵，可以有效將格構柱對承臺的抗壓或抗拉荷載傳遞至承臺，抗剪鍵的焊縫設置應按計算確定，錨固樁頭的剪力鍵抗剪承載力和剛度均最強，但相應的鋼結構加工量較其他錨固措施明顯復雜。

2 PBL剪力連接件

PBL剪力連接件利用混凝土榫和貫通于孔中的鋼筋共同承擔剪力，其受力模式如圖3所示。該方案具有承載力高、抗疲勞性能好的特點。國內學者對PBL剪力鍵的力學性能進行了大量的試驗研究，如胡建華等[8]通過15組44個構件試驗研究表明，其承載力與鋼板孔洞大小、貫通鋼筋的大小和強度、混凝土強度和箍筋強弱有關，并根據試驗結果提出簡化計算公式。張清華等[9]將PBL剪力連接件的荷載-滑移曲線作為鋼構件和混凝土構件的荷載及變形協調條件，建立了PBL剪力連接件群的荷載-滑移變形協調理論模型，并以該理論模型為基礎，提出了適用于PBL剪力連接件群傳力機理及其極限承載力研究的新方法。由于PBL剪力鍵承載力涉及的因素較多，相應的各類計算公式也較為豐富，本文采用JTG D64—2015《公路鋼結構橋梁設計規范》中PBL剪力鍵承載力公式進行計算[10]。錨筋、端頭板、栓釘、槽鋼剪力鍵和PBL剪力鍵承載力計算規范公式分別如式（1）～式（5）所示。

圖3 PBL剪力鍵受力模式

計算時，端頭板錨固承載力尚需考慮端板剛度、尺寸等其他參數的影響，栓釘和槽鋼抗剪承載力公式見GB 50017—2017《鋼結構設計標準》，PBL剪力鍵承載力公式見JTG D64—2015《公路鋼結構橋梁設計規范》。

以文獻[5]中無端部承壓的PBL抗剪試驗為例，建立非線性有限元分析模型，以估算PBL剪力連接件的承載力。試驗模型的幾何參數如圖4（a）所示，厚度15 mm鋼板上設置單個直徑50 mm的穿孔，穿孔鋼筋直徑14 mm，混凝土等級為C45。試驗結果表明，其抗剪承載力極限值為235 kN。

根據式（5）計算得到其設計承載力為143.7 kN。建立有限元分析模型如圖4（b）所示，混凝土與穿孔鋼板均采用8節點實體單元模擬，穿孔鋼筋采用2節點桿單元模擬。穿孔鋼板和鋼筋材料均采用彈塑性模型，其應力-應變曲線如圖4（c）所示，相關參數取值分別為E0＝200 GPa，b＝0.1，fy＝335 MPa?；炷敛牧蠟樗苄該p傷本構模型，材料的單軸應力-應變曲線如圖4（d）所示。穿孔鋼板與混凝土之間的接觸面均設置接觸對，接觸類型為硬接觸，摩擦因數取0.2。

圖4 試驗模型幾何參數與有限元分析模型

簡化起見，穿孔鋼筋與混凝土單元在對應位置處共用節點，不考慮兩者之間的黏結滑移錯動效應。試件混凝土的底部設置三向固定約束；穿孔鋼板單側節點耦合至截面形心節點，對該中心節點施加豎向位移邊界條件，以模擬穿孔鋼板相對混凝土的錯動。將穿孔鋼板下端承壓混凝土設置為線彈性材料并且相應的彈性模量取值為規范值的1/10，以忽略PBL剪力鍵的端部承壓作用。

PBL剪力連接件的荷載-位移曲線如圖5所示。根據文獻[11]以相對滑移0.2 mm作為對應的割線斜率為開孔板連接件抗剪剛度的取值方法，文中以0.2 mm位移對應位置處荷載作為該PBL剪力鍵的抗剪承載力。由此計算得抗剪承載力為190.6 kN，位于試驗值（235 kN）與規范公式計算值（143.7 kN）之間。在一般情況下，規范公式的計算值往往偏于保守并且考慮一定的安全系數；上述有限元簡化模擬方法可以近似估算其承載力。在獲取單個PBL剪力連接件的荷載-位移曲線之后，建立整體結構分析的有限元模型時，可以采用零長度的非線性彈簧進行模擬；非線性彈簧的2個節點分別與鋼和混凝土交界面的對應節點連接；該彈簧僅僅在選定的方向上發揮作用，而在其他方向上均釋放約束[12]。

圖5 荷載-位移曲線

錨固鋼板和槽鋼剪力鍵涉及較多的材料和焊接量，在此僅以錨筋、PBL剪力鍵和栓釘為例，對比三者的錨固承載力。假定四角鋼格構柱的單肢角鋼上分別設置2根φ25 mm錨筋、4個φ25 mm栓釘、2根PBL剪力鍵，對應的錨固力計算比對如表1所示。表1中，承臺混凝土等級為C35，錨筋與單肢軸線呈30°角，PBL剪力連接件開孔直徑為55 mm。可見，在上述錨固措施配置情況下，栓釘與PBL剪力鍵的錨固承載力基本一致，栓釘與PBL剪力鍵的錨固承載力可以達到錨筋錨固承載力的2倍。

表1 錨筋、栓釘、PBL剪力鍵承載力計算

根據角鋼格構柱受力特點，在柱頂錯位設置雙層正交PBL剪力連接件，基本布置如圖6所示，角鋼格構柱的單肢角鋼上相當于2個PBL剪力連接鍵，分別位于角鋼的2個肢腳上。層間的間距l1及首層PBL剪力連接件鋼筋與角鋼端頭的距離l2建議均大于肢寬b與穿孔直徑dp之和。由于角鋼形心的偏心作用，穿孔鋼筋中心距肢背建議取值為0.4b，如圖6（c）所示。根據文獻[5]的試驗結果，端部混凝土對PBL連接件的縱向抗剪承載力具有很大的提高作用，因此在單肢角鋼上設置PBL剪力鍵后，在格構柱受壓時，單肢角鋼端部混凝土局壓與PBL抗剪作用，可以提供很好的抗壓承載力。另一方面，格構柱受拉時，單肢角鋼端部混凝土局壓缺失、依靠PBL抗剪作用，為格構柱提供抗拉承載力。此外，角鋼格構柱柱頂的PBL剪力連接件做法不涉及焊接作業，角鋼格構柱端頭開孔可以在工廠內加工完成，施工質量高。建議基本構造布置如圖6（d）所示。傳統錨筋做法涉及現場鋼筋焊接作業，需達到質量控制要求才能提供相應的錨固承載力。

圖6 格構柱柱頂PBL連接方式示意

格構柱與承臺基礎錨固的另一個重要方面是格構柱的綴板與角鋼形成有效嵌固錨固作用，形成類似于無穿筋的PBL抗剪連接件。由于缺乏明確的計算方法，目前暫未將該作用計入承載力計算中。JGJ/T 187—2019《塔式起重機混凝土基礎工程技術標準》中就格構柱的綴板是否需要伸入承臺內以及數量均未做明確要求，從施工作業方便的角度出發，考慮到伸入承臺內的綴板可能與承臺基礎底皮鋼筋沖突而取消該綴板。從構造角度來說，至少有1塊綴板伸入承臺基礎內。此外綴板不得與承臺基礎底層鋼筋沖突，此時格構柱的每個側面可視為帶孔洞板件，混凝土芯柱穿過后，構成PBL抗剪連接件基本要素，由此提供抗剪承載力，并且承臺基礎的底層鋼筋穿過綴板間，進一步增強了上述抗剪承載力。因此，伸入承臺基礎內的綴板應根據承臺底皮鋼筋的位置及承臺厚度進行調整，并且在施工過程中控制格構柱的標高。

3 結語

格構柱與承臺錨固對格構柱式組合塔吊基礎的安全性至關重要。本文首先總結了多種可行的錨固措施并進行對比，其次引入橋梁工程中鋼-混凝土結合部的PBL剪力連接做法，將格構柱頂與基礎承臺間的軸向力轉換為兩者之間的剪力，并給出一種格構柱頂與基礎承臺間PBL錨固構造建議做法。建立單孔PBL剪力連接件有限元簡化分析模型，計算結果位于規范計算值與試驗值之間。

文中對比算例表明，該PBL剪力連接件可以為格構柱與基礎承臺間提供良好的錨固承載力，并且明顯優于常規的焊接錨筋做法。