矩形板式塔吊基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與驗(yàn)算

摘" 要：塔吊作為工程建設(shè)中常用的運(yùn)輸設(shè)備，始終貫穿于施工全過程。該文以某擬建項(xiàng)目現(xiàn)場塔吊基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為例，首先介紹該工程擬采用的塔吊布設(shè)；然后開展矩形板式塔吊基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與驗(yàn)算。研究結(jié)果表明，在擬建工程現(xiàn)場所選用T600-25U型號(hào)塔吊；塔吊基礎(chǔ)采用鋼筋為4根φ1 000的樁基，雙向HRB400 12@350的豎向連接筋和HRB400 25@200的水平筋的承臺(tái)；驗(yàn)算得出的矩形板式塔吊基礎(chǔ)力學(xué)性滿足安全性要求。研究成果為類似工程采用矩形板式樁基礎(chǔ)的塔吊基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與驗(yàn)算提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：塔吊基礎(chǔ)；設(shè)計(jì)分析；驗(yàn)算；矩形板式；塔吊布設(shè)

中圖分類號(hào)：U455" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）28-0112-05

Abstract： As a commonly used transportation equipment in engineering construction， tower crane always runs through the whole process of construction. Taking the foundation design of the tower crane on the site of a proposed project as an example， this paper first introduces the layout of the tower crane to be used in the project， and then carries out the foundation design and checking calculation of the rectangular plate tower crane. The research results show that the T600-25U tower crane is selected at the proposed project site， and the tower crane foundation adopts foundation piles with 4 φ1000 steel bars， two-way vertical connection bars of HRB400 12@350 and horizontal bars of HRB400 25@200. The mechanical properties of the tower crane foundation obtained from the calculation meet the safety requirements. The results of the study provide guidance for the design and verification of tower crane foundations with rectangular slab pile foundations for similar projects.

Keywords： tower crane foundation; design analysis; checking calculation; rectangular plate; tower crane layout

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施在不斷完善，大量工程不斷開工建設(shè)，在施工過程中常選用塔吊作為主要垂直運(yùn)輸工具[1-2]。通過塔吊選擇和布設(shè)可很好覆蓋建筑施工現(xiàn)場，加快工程現(xiàn)場的作業(yè)進(jìn)度和提高施工效率，實(shí)現(xiàn)縮短周期，達(dá)到節(jié)約成本的目的[3]。塔吊的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與驗(yàn)算結(jié)果是否滿足規(guī)范要求，將直接影響著塔吊基礎(chǔ)施工和未來使用過程中的安全[4]。

在現(xiàn)有工程實(shí)踐中，關(guān)于塔吊基礎(chǔ)施工設(shè)計(jì)與驗(yàn)算分析主要在具體工程中有針對(duì)性地開展相關(guān)研究。例如李鋼[5]根據(jù)在建鐵路橋墩基礎(chǔ)施工中采用的塔吊基礎(chǔ)為例，并對(duì)選用的兩種方案下基礎(chǔ)平臺(tái)的穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)算。夏文等[6]則以深圳某項(xiàng)目為例，優(yōu)化設(shè)計(jì)了塔吊基礎(chǔ)，并驗(yàn)證了塔吊基礎(chǔ)符合受力要求。李俊等[7]則以工程中的橋梁工程為例，采用有限元模型開展了塔吊基礎(chǔ)的安全性分析，驗(yàn)證了以懸臂現(xiàn)澆梁體頂板為基礎(chǔ)的塔吊基礎(chǔ)是具有合理性的。此外，何凱波[8]在基于工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的水環(huán)境會(huì)對(duì)塔吊基礎(chǔ)造成不良影響，為此，開展了水中塔吊基礎(chǔ)的承載分析及基礎(chǔ)驗(yàn)算，并全過程開展塔吊基礎(chǔ)沉降量的現(xiàn)場觀測，數(shù)據(jù)得出了投入后的塔吊基礎(chǔ)沉降符合安全要求。

綜上所述，學(xué)者們就不同工程中遇到的塔吊基礎(chǔ)問題，開展了相關(guān)的研究，并已取得了一些有益成果，但是關(guān)于矩形板式塔吊基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與分析還很少涉及。基于此，本文以贛州市某在建項(xiàng)目為例，考慮其上部結(jié)構(gòu)將采用大量的鋼結(jié)構(gòu)梁和鋼結(jié)構(gòu)柱，其中最大鋼柱的質(zhì)量可達(dá)15 t，此外還需要運(yùn)輸大量的鋼筋、模板、機(jī)械設(shè)備等，如果采用汽車吊或者履帶吊進(jìn)行吊裝作業(yè)，則很難快速完成現(xiàn)場的吊裝任務(wù)，也無法滿足現(xiàn)場施工進(jìn)度的要求。故選擇采用塔吊配合吊裝作業(yè)，而塔吊基礎(chǔ)的正確選擇與合理布設(shè)將是該工程建設(shè)的必然需求，尤其塔吊基礎(chǔ)的合理選擇不僅可節(jié)約大量的成本，提高施工的效率，而且可以避免施工過程中安全事故發(fā)生[9-10]。因此，非常有必要結(jié)合本項(xiàng)目在建工程中選擇的塔吊類型，開展塔吊基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與驗(yàn)收研究。

1" 工程概況

某在建項(xiàng)目位于江西贛州，建成后的效果圖如圖1所示。本工程總建筑面積約為50 000 m2，建筑高度達(dá)32 m，主體為鋼結(jié)構(gòu)。

2" 塔吊布設(shè)

根據(jù)地質(zhì)條件、周邊環(huán)境情況及當(dāng)?shù)貧夂蛱卣?，塔吊的布設(shè)盡可能覆蓋主要的工作面，滿足對(duì)大型材料及重型材料（如鋼結(jié)構(gòu)）的吊裝吊運(yùn)，同時(shí)也要考慮到塔吊自身便于安裝和拆卸。根據(jù)前期的施工組織設(shè)計(jì)，在建的該項(xiàng)目擬采用塔吊作為主要運(yùn)輸工具，且塔吊基礎(chǔ)擬采用鉆孔灌注樁。

根據(jù)項(xiàng)目的總平面布置圖，本擬建項(xiàng)目安裝3臺(tái)塔吊；其中在A館和B館中庭里各安裝1臺(tái)型號(hào)T600-25U塔吊（A館稱1#塔吊和B館稱2#塔吊），在場外南側(cè)安裝1臺(tái)型號(hào)W350-20U塔吊（稱3#塔吊）?，F(xiàn)場每臺(tái)塔吊起吊高度及回旋半徑可結(jié)合施工需求進(jìn)行合理調(diào)整，具體的塔群平面位置關(guān)系如圖2所示。

3" 塔吊基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與驗(yàn)算

3.1" 塔吊屬性及計(jì)算參數(shù)

綜合圖2本項(xiàng)目中擬采用的塔群平面位置圖，其中在本項(xiàng)目中擬布設(shè)1#塔吊、2#塔吊和3#塔吊。考慮到現(xiàn)場對(duì)垂直運(yùn)輸設(shè)備的需要，下文將以臂長50 m的1#塔吊（T600-25U）基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為例，塔吊的安裝高度為60 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)數(shù)為1+9，塔身采用方鋼管桁架結(jié)構(gòu)。1#塔吊起重性能參數(shù)具體見表1。1#塔吊傳達(dá)給基礎(chǔ)荷載標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值情況見表2。塔吊基礎(chǔ)的樁頂以下土層的巖土力學(xué)參數(shù)見表3。

3.2" 塔吊基礎(chǔ)承臺(tái)尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)特種設(shè)備相關(guān)規(guī)范及選用的塔吊類型，再結(jié)合該項(xiàng)目的地質(zhì)報(bào)告和安全受力計(jì)算相關(guān)要求。擬建塔吊基礎(chǔ)采用C35混凝土澆筑成長8 m，寬8 m，高1.6 m的矩形承臺(tái)，其中樁底標(biāo)高為-13.5 m，樁有效長度為13.5 m，樁身普通鋼筋配筋為HRB400的16Φ20，設(shè)計(jì)參數(shù)符合相關(guān)規(guī)范，具體如圖3所示。此外，必須考慮到塔吊基礎(chǔ)不得與建筑物底板等結(jié)構(gòu)沖突。樁基入土深度為10 m，以C30混凝土和4根φ1 000的鋼筋澆筑而成。

塔吊基礎(chǔ)自重荷載標(biāo)準(zhǔn)值為

Gk=bl（hγc+h′γ′）=8×8×（1.6×25+0×19）=2 560 kN。

則塔吊基礎(chǔ)承臺(tái)尺寸，其自重荷載設(shè)計(jì)值為

G=1.35Gk=1.35×2 560=3 456 kN。

基礎(chǔ)樁對(duì)角線距離為

L=（ab2+al2）0.5=（42+42）0.5=5.657 m。

標(biāo)準(zhǔn)組合下的基礎(chǔ)承臺(tái)軸心豎向力作用

Qk=（Fk+Gk）/n=（1 348.3+2 560）/4=977.075 kN。

塔吊基礎(chǔ)承臺(tái)的偏心豎向力作用下為

Qkmax=（Fk+Gk）/n+（Mk+FVkh）/L

=（1 348.3+2 560）/4+（5 808.3+42.1×1.6）/5.657

=2 015.728 kN。

Qkmin=（Fk+Gk）/n-（Mk+FVkh）/L

=（1 348.3+2 560）/4-（5 808.3+42.1×1.6）/5.657

=-61.578 kN。

基本組合下的基礎(chǔ)承臺(tái)偏心豎向力作用

Qmax=（F+G）/n+（M+Fvh）/L

=（1 820.205+3 456）/4+（7 841.205+56.835×1.6）/ 5.657=2 721.233 kN。

Qmin=（F+G）/n-（M+Fvh）/L

=（1 820.205+3 456）/4-（7 841.205+56.835×1.6）/5.657=-83.130 kN。

3.3" 樁承載力驗(yàn)算

3.3.1" 豎向抗壓承載力

樁身周長：u=πd=3.14×1=3.14 m。

樁端面積：Ap=πd2/4=3.14×12/4=0.785 m2。

Ra=ψu(yù)Σqsia·li+qpa·Ap=0.8×3.14×（7.5×24+2×74+1×80+3×150）+2 500×0.785=4 117.796 kN。

Qk=977.075 kN≤Ra=4 117.796 kN。

Qkmax=2 015.728 kN≤1.2Ra=1.2×4 117.796

=4 941.355 kN，滿足。

3.3.2" 豎向抗拔承載力

Qkmin=-61.578 kNlt;0 kN。

計(jì)算的樁基拔力為

Qk′=61.578 kN。

考慮地下水下的樁身重力標(biāo)準(zhǔn)值為

Gp=（（d1-d+hz）γz+（lt-（d1-d+hz））（γz-10））Ap=（（0-0+1.33）×25+（13.5-（0-0+1.33））×（25-10））×0.785=169.403 kN。

Ra′=ψu(yù)Σλiqsiali+Gp=0.8×3.14×（0.3×7.5×24+0.8×2×74+0.8×1×80+0.8×3×150）+169.403=1 667.560 kN。

Qk′=61.605 kN≤Ra′=1 667.560 kN，滿足。

3.3.3" 樁身承載力

縱筋截面面積為

As=nπd2/4=16×3.14×202/4=5 024.000 mm2。

1）軸心受壓樁身承載力。

樁頂軸向壓力設(shè)計(jì)值和豎向承載力設(shè)計(jì)值關(guān)系為

Q=2 721.233 kN≤R=3 500 kN，滿足。

2）軸心受拔樁樁身承載力。

樁頂軸向拉力設(shè)計(jì)值為

Q′=83.130 kN≤fy As

=（360×5 024.000）×10-3

=1 808.640 kN，滿足。

3.3.4" 樁身構(gòu)造配筋計(jì)算

As/Ap×100%=[（5 024.000/（0.785×106）]×100%=0.64%≥0.5%，滿足。

3.3.5" 裂縫控制計(jì)算

1）縱向受拉鋼筋的配筋率。

有效受拉混凝土截面面積為

Ate=d2π/4=1 0002×3.14/4=785 000.000 mm2。

As/Ate=5 024.000/785 000.000=0.006lt;0.01，取ρte=0.01。

2）縱向鋼筋等效應(yīng)力為：

σsk=Qk′/As=61.578×103/5 024.000=12.257 N/mm2。

3）縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)為：

ψ=1.1-0.65ftk/（ρteσsk）=1.1-0.65×2.01/（0.01×12.257）=-9.559，取ψ=0.2。

4）受拉縱鋼筋等效直徑為：

dep=Σnidi2/Σniνidi=（16×202）/（16×1×20）=20 mm。

5）最大裂縫寬度為：

ωmax=αcrψσsk（1.9c+0.08dep/ρte）/Es

=2.7×0.2×12.257×（1.9×50+0.08×20/0.01）/200 000

=0.008 mm≤ωlim

=0.2 mm，滿足。

3.4" 承臺(tái)載力驗(yàn)算

3.4.1" 荷載計(jì)算

忽略承臺(tái)及上土體的自重

Fmax=F/n+M/L

=1 820.205/4+7 841.205/5.657=1 841.194 kN。

Fmin=F/n-M/L

=1 820.205/4-7 841.205/5.657=-931.055 kN。

承臺(tái)底部所受最大彎矩

Mx=2Fmax（ab-B）/2=2×1 841.194×（4-2）/2

=3 682.388 kN.m=My。

承臺(tái)頂部所受最大彎矩

Mx′=2Fmin（ab-B）/2=2×（-931.055）×（4-2）/2

=-1 862.110 kN.m=My′。

計(jì)算底部配筋和頂部配筋，承臺(tái)有效高度都為

h0=1 600-50-25/2=1 537.500 mm。

3.4.2" 受剪切計(jì)算

V=（F/n+M/L）×2=1 841.194×2

=3 682.388 kN。

則βhs=（800/1 537.500）1/4=0.849。

塔吊邊緣至角樁內(nèi)邊緣水平距離為：a1b=（ab-B-d）/2=（4-2-1）/2=0.5 m，同理a1l=0.5 m。

剪跨比為

λb′=a1b/h0=500/1 537.500=0.325，取λb=0.325；同理λl′=0.325，取λl=0.325。

剪切系數(shù)

αb=1.75/（λb+1）=1.75/（0.325+1）=1.321，同理αl=1.321。

βhsαb ftbh0=0.849×1.321×1.57×103×8×1.537 5=21 657.847 kN。

V=3 682.388 kN≤min（βhsαb ftbh0，βhsαl ftlh0）=21 657.847 kN，滿足。

3.4.3" 受沖切計(jì)算

承臺(tái)底受到的沖切范圍為

B+2h0=2+2×1.537 5=5.075 m，ab-d=4-1=3 m≤B+2h0=5.075 m，同理al-d=5.075 m。

3.4.4" 承臺(tái)配筋計(jì)算

1）承臺(tái)長向配筋面積為：

αS1=My/（α1 fcbh02）=3 682.388×106/（1×16.7×8 000× 1 537.5002）=0.012。

ζ1=1-（1-2αS1）0.5=1-（1-2×0.012）0.5=0.012，γS1=1-ζ1/2=1-0.012/2=0.994。

AS1=My/（γS1h0 fy1）=3 682.388×106/（0.994×1 537.500× 360）=6 693.073 mm2。

最小配筋率為：ρ=0.15%。

配筋面積為：A1=max（AS1，ρbh）=max（6 693.073， 0.001 5×8 000×1 600）=19 200 mm2。

承臺(tái)長向?qū)嶋H配筋為：AS1′=20 126 mm2≥A1=19 200 mm2，滿足。

2）承臺(tái)短向配筋面積為：

αS2=0.012；ζ2=0.012；γS2=0.994；AS2=6 693.073 mm2；最小配筋率：ρ=0.15%；故需要配筋為：A2=19 200 mm2。

故短向?qū)嶋H配筋為

AS2′=20 126 mm2≥A2=19 200 mm2，滿足。

3）承臺(tái)頂面長向配筋面積為：

αS1=M′y/（α1 fcbh02）=1 862.182×106/（1×16.7×8 000×1 537.5002）=0.006。

ζ1=1-（1-2αS1）0.5=1-（1-2×0.006）0.5=0.006。

γS1=1-ζ1/2=1-0.006/2=0.997。

AS3=M′y/（γS1h0 fy1）=1 862.110×106/（0.997×1 537.500×360）=3 374.369 mm2。

最小配筋率為：ρ=0.15%。

承臺(tái)頂需要配筋為

A3=max（AS3，ρbh，0.5AS1′）=max（3 374.369，0.001 5×8 000×1 600，0.5×20 126）=19 200 mm2。

承臺(tái)頂長向?qū)嶋H配筋為

AS3′=20 126 mm2≥A3=19 200 mm2，滿足。

4）承臺(tái)頂面短向配筋面積為：

αS2=0.006；ζ2=0.006；γS2=0.997；AS4=3 374.369 mm2；最小配筋率為ρ=0.15%；承臺(tái)頂需要配筋為A4=19 200 mm2；承臺(tái)頂面短向配筋為AS4′=20 126 mm2≥A4=19 200 mm2，滿足。

5）承臺(tái)連接筋的配筋。

塔吊基礎(chǔ)承臺(tái)則采用HRB400 12@350的雙向豎向連接筋，采用HRB400 25@200的水平筋。

4" 結(jié)束語

結(jié)合贛州市某在建項(xiàng)目中塔吊基礎(chǔ)為例，選擇T600-25U型號(hào)的塔吊為研究對(duì)象，建議采用矩形板式基礎(chǔ)樁基采用的樁為4根φ1 000樁基，豎向連接筋為雙向HPB300 12@350。經(jīng)設(shè)計(jì)分析與驗(yàn)算得出擬采用矩形板式塔吊基礎(chǔ)強(qiáng)度及穩(wěn)定性均滿足相關(guān)規(guī)范要求，為其他類似工程中采用矩形板式樁基礎(chǔ)的塔吊基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

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