塔吊鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

雷志新 李 棟 陳有志

1 概述

現(xiàn)在城市高層建筑施工受施工場(chǎng)地的限制,塔吊常布置在基坑之內(nèi),傳統(tǒng)的施工方法是在建筑物基坑土方開(kāi)挖完畢后進(jìn)行安裝,這將占用工期,且安裝不便。采用逆作法施工塔吊,可以有效地解決這一問(wèn)題。逆作法施工塔吊基礎(chǔ),就是事先在基坑范圍內(nèi)塔吊的安裝部位施工灌注樁,樁端插入鋼格構(gòu)柱,在土方開(kāi)挖前施工塔吊基礎(chǔ)混凝土承臺(tái)或鋼平臺(tái),安裝塔吊。本文將對(duì)塔吊組合式基礎(chǔ)鋼平臺(tái)進(jìn)行研究,對(duì)于保證塔吊的施工安全具有一定意義。

2 鋼格構(gòu)柱設(shè)計(jì)

2.1 鋼格構(gòu)柱構(gòu)造

格構(gòu)式鋼柱采用四肢角鋼組合柱,角鋼為等邊角鋼,格構(gòu)柱截面尺寸一般為450×450,綴件通常采用綴板式,以利于格構(gòu)柱插入基樁鋼筋籠內(nèi),也可采用綴條式。

2.2 鋼格構(gòu)柱計(jì)算

其中,Nmax為格構(gòu)柱最大軸心壓力設(shè)計(jì)值;A為構(gòu)件分肢毛截面面積之和;f為鋼材抗拉抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;φ為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù),根據(jù)換算長(zhǎng)細(xì)比、鋼材屈服強(qiáng)度,按GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范取值。

2)格構(gòu)柱剛度。格構(gòu)柱剛度應(yīng)滿足:

其中,λmax為格構(gòu)柱繞兩主軸 x,y的換算長(zhǎng)細(xì)比λox,λoy的最大值。

3)格構(gòu)柱分肢穩(wěn)定。當(dāng)綴件為綴板時(shí),分肢長(zhǎng)細(xì)比λ1≤0.5λmax且 λ1≤40;當(dāng)綴件為綴條時(shí),分肢長(zhǎng)細(xì)比 λ1≤0.7λmax。

其中,λx,λy分別為整個(gè)構(gòu)件對(duì)x軸、y軸的長(zhǎng)細(xì)比;λ1為分肢對(duì)最小剛度軸的長(zhǎng)細(xì)比,其計(jì)算長(zhǎng)度為相鄰兩綴板間的凈距離,分別為構(gòu)件截面中垂直于x軸、y軸的各斜綴條毛截面面積之和。

1)鋼格構(gòu)柱整體穩(wěn)定。鋼格構(gòu)柱為四肢截面,按b類截面計(jì)算。整體穩(wěn)定性按下式計(jì)算:算:綴條通常采用單桿斜綴條,按受壓桿計(jì)算。單個(gè)斜綴條內(nèi)力為:.綴板計(jì)算:綴板按受彎構(gòu)件計(jì)算,單個(gè)綴板的剪力和彎矩分別為:

其中,fy為鋼材的屈服強(qiáng)度;α為斜綴條與橫綴條間的夾角;l1為相鄰綴板軸線間的距離;a為格構(gòu)柱分肢形心軸間的距離。

2.3 格構(gòu)柱計(jì)算長(zhǎng)度討論

對(duì)于鋼平臺(tái)基礎(chǔ),格構(gòu)柱下端嵌固于鉆孔灌注樁內(nèi),上端與鋼平臺(tái)焊接,計(jì)算模型可按下端固定、上端可移動(dòng)但不轉(zhuǎn)動(dòng)的受壓柱考慮。此種受壓柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為1.0,但考慮到實(shí)際施工時(shí)格構(gòu)柱上端與鋼平臺(tái)的連接很難保證為完全固結(jié),因此計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)應(yīng)取大于1.0的系數(shù)以偏于安全。本文建議格構(gòu)柱的計(jì)算長(zhǎng)度取1.2l0。

3 鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 鋼板平臺(tái)

灌注樁、格構(gòu)柱的軸線與塔吊基礎(chǔ)節(jié)的柱腳相對(duì)應(yīng),每根格構(gòu)柱頂面安裝一塊鋼板,鋼板通過(guò)4個(gè)螺栓與格構(gòu)柱分肢連接,螺栓焊接于分肢角鋼上,鋼板與分肢間加焊三角形加勁板(見(jiàn)圖1)。

鋼板與格構(gòu)柱分肢通過(guò)螺栓連接,進(jìn)行鋼平臺(tái)與格構(gòu)柱連接計(jì)算時(shí),為計(jì)算方便,假設(shè)鋼板傳給格構(gòu)柱的荷載全部由螺栓承擔(dān)。

3.1.1 螺栓與分肢間的焊縫計(jì)算

1)焊縫內(nèi)力計(jì)算。

焊縫受到拉力(壓力)和水平荷載共同作用,將水平荷載向焊縫中心移動(dòng),可得到焊縫的應(yīng)力(見(jiàn)圖2)。圖2中 N1為單個(gè)螺栓所受的最大拉力(壓力),F1為單個(gè)螺栓所受的水平力,塔吊的水平荷載由4個(gè)鋼板平臺(tái)的16個(gè)螺栓平均分?jǐn)?M1為水平力移動(dòng)到焊縫中心后的彎矩。

其中,σf為按焊縫有效截面計(jì)算,垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力;τf為按焊縫有效截面計(jì)算,沿焊縫長(zhǎng)度方向的剪應(yīng)力;fwf為角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;βf為正面角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值增大系數(shù),此處按直接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)考慮,βf=1.0。

3.1.2 螺栓強(qiáng)度計(jì)算

其中,d為螺栓直徑;t為鋼平臺(tái)厚度;de為螺栓在螺紋處的有效直徑分別為螺栓的抗剪和抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為螺栓抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;Nv,Nt分別為螺栓承受的剪力和拉力。

3.1.3 平臺(tái)鋼板計(jì)算

平臺(tái)鋼板應(yīng)進(jìn)行抗彎和抗剪強(qiáng)度計(jì)算,按雙向簡(jiǎn)支板考慮,此處從略。

3.2 鋼梁平臺(tái)

鋼平臺(tái)的另一種做法為鋼梁平臺(tái),由兩根互相垂直交叉的H型鋼組成,該種形式的鋼平臺(tái)不受樁基間距限制。在4個(gè)格構(gòu)柱的頂部各焊接一塊鋼墊板,將制作好的十字鋼梁吊裝到鋼墊板上進(jìn)行焊接。為了增強(qiáng)鋼梁的整體性,在鋼梁端部四周焊接槽鋼。

3.2.1 內(nèi)力計(jì)算

鋼梁計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

每根鋼梁上的兩個(gè)集中力為:

其中,F為塔機(jī)作用于基礎(chǔ)頂?shù)呢Q向荷載;M為塔機(jī)作用于基礎(chǔ)頂?shù)膬A翻力矩;L1為塔機(jī)對(duì)角線上兩立柱軸線間的距離。

3.2.2 梁截面計(jì)算

局部承壓強(qiáng)度計(jì)算:鋼梁上安裝塔吊鐵腳位置處和鋼梁支座處,受集中荷載作用,局部承壓強(qiáng)度應(yīng)滿足5hy。其中,Mx為鋼梁繞x軸的彎矩;Wnx為對(duì)x軸的凈截面模量;γx為截面塑性發(fā)展系數(shù);V為計(jì)算截面沿腹板平面作用的剪力;S為計(jì)算剪應(yīng)力處以上毛截面對(duì)中和軸的面積矩;I為毛截面慣性矩;tw為腹板厚度;fv為鋼材抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;F為集中荷載;lz為集中荷載在腹板計(jì)算高度上邊緣的假定分布長(zhǎng)度;a為集中荷載沿梁跨度方向的支撐長(zhǎng)度;hy為自梁頂面至腹板計(jì)算高度上邊緣的距離。

2)剛度計(jì)算。

鋼梁的撓度應(yīng)滿足:v≤[vT]=l/400。其中,v為荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的最大撓度;[vT]為規(guī)范規(guī)定的受彎構(gòu)件的最大撓度。

3)整體穩(wěn)定計(jì)算。

H型鋼梁腹板和翼緣的寬厚比一般都能得到保證,不需驗(yàn)算局部穩(wěn)定。

4 構(gòu)造及施工要求

1)鋼格構(gòu)柱插入鉆孔灌注樁中不小于2 000 mm,施工時(shí)先將鋼格構(gòu)柱的四根角鋼分別與下部鉆孔樁鋼筋籠焊接牢固,再整體吊入孔內(nèi),嚴(yán)格控制插入的垂直度。2)平臺(tái)鋼板必須水平,表面平整度控制在L/1 000以內(nèi),L為鋼平臺(tái)基礎(chǔ)的外邊緣長(zhǎng)度。3)十字梁應(yīng)于格構(gòu)柱頂之間設(shè)置鋼墊板,鋼墊板與格構(gòu)柱分肢焊接,并焊接加勁板。十字梁的軸線交點(diǎn)到4個(gè)格構(gòu)柱的中心點(diǎn)等距,并使十字梁H型鋼的腹板與格構(gòu)柱的對(duì)角線重合。4)在基坑開(kāi)挖過(guò)程中,隨基坑分層開(kāi)挖及時(shí)在格構(gòu)柱四周安裝型鋼水平支撐和斜向支撐系桿,將4個(gè)格構(gòu)柱連成整體。型鋼的截面積不小于格構(gòu)柱分肢的截面積。為了增大格構(gòu)柱的抗扭剛度,土方開(kāi)挖后沿柱高在截面寬度的9倍處設(shè)置橫隔,橫隔為水平剪刀撐,采用不小于∠63×5的角鋼與格構(gòu)柱焊接。5)土方開(kāi)挖時(shí)應(yīng)分層對(duì)稱開(kāi)挖,減少土體側(cè)移對(duì)樁的影響。施工機(jī)械應(yīng)避免碰撞鋼格構(gòu)柱,做好對(duì)格構(gòu)柱的保護(hù)。6)格構(gòu)柱穿越地下室底板和頂板時(shí),應(yīng)在分肢型鋼上焊接鋼止水片,止水片的位置在地板和頂板中間。

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)在這一新型的塔吊逆作法施工方法正逐步得到應(yīng)用,但鋼平臺(tái)基礎(chǔ)形式多樣,計(jì)算方法也不統(tǒng)一。因此筆者建議:1)對(duì)于多種型號(hào)的塔吊進(jìn)行驗(yàn)算,優(yōu)化鋼平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì),形成統(tǒng)一規(guī)范的計(jì)算方法;2)對(duì)于有爭(zhēng)議的一些問(wèn)題,進(jìn)行進(jìn)一步的研究,達(dá)成共識(shí)。這對(duì)于保證塔吊施工安全具有重要意義。

[1] 陳永池,張 健.逆作鋼格構(gòu)柱鋼梁基礎(chǔ)在塔機(jī)基礎(chǔ)中的應(yīng)用[J].建筑機(jī)械,2007(1):35-37.

[2] 仕 軍.格構(gòu)式鋼平臺(tái)塔機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].建筑機(jī)械技術(shù)與管理,2008,21(3):101-103.

[3] GB 50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] JGJ 94-2008,建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[5] JGJ/T 187-2009,塔式起重機(jī)混凝土基礎(chǔ)工程技術(shù)規(guī)程[S].

[6] 李元武.基坑內(nèi)塔吊基礎(chǔ)逆作法施工工法YJG F286-2006[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2009.