某塔吊基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)

朱 國(guó) 勤

(江蘇建興建工集團(tuán)，江蘇 鹽城 224002)

某塔吊基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)

朱 國(guó) 勤

(江蘇建興建工集團(tuán)，江蘇 鹽城 224002)

以某工程塔吊基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為例，對(duì)基礎(chǔ)頂面豎向力及傾覆彎矩進(jìn)行了計(jì)算研究，詳細(xì)介紹了樁和承臺(tái)的計(jì)算及驗(yàn)算過程，并對(duì)塔吊基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與施工工作進(jìn)行了闡述，為今后同類工程提供了借鑒。

塔吊基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)，彎矩，承臺(tái)

1 概述

工程施工中，塔吊基礎(chǔ)經(jīng)常出現(xiàn)安全事故，產(chǎn)生安全事故的原因之一是塔吊基礎(chǔ)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。塔吊基礎(chǔ)設(shè)計(jì)屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包含于施工方案設(shè)計(jì)中，通常由施工技術(shù)人員設(shè)計(jì)，監(jiān)理人員審核。相應(yīng)于主體建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說，設(shè)計(jì)與審核隊(duì)伍體系技術(shù)能力相差很大。國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀是施工技術(shù)人員水平參差不齊，監(jiān)理人員更難具備實(shí)質(zhì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)審核能力，因而基礎(chǔ)設(shè)計(jì)會(huì)隱藏較大的安全隱患。本文以某工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工為例，對(duì)相關(guān)的設(shè)計(jì)與施工作闡述。

某工程地下為輔框架結(jié)構(gòu)，建筑面積79 023.43 m2，主要為設(shè)備用房、停車位和人防工程。地面以上1層～4層主框架結(jié)構(gòu)裙房，商業(yè)功能，建筑面積39 467.1 m2， 5層～29層為混凝土筒體+鋼管混凝土外框混合結(jié)構(gòu)，商務(wù)辦公功能。塔吊基礎(chǔ)地質(zhì)條件，根據(jù)地質(zhì)條件，持力層選擇于⑥層粉質(zhì)粘土上，軟塑～可塑，中壓縮性，地基承載力特征值fak=135 kPa，壓縮模量Es0.1-0.2=5.4 MPa，滲透系數(shù)7.0E-06。

2 塔吊基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

因工程采用樁基礎(chǔ)，塔吊基礎(chǔ)利用前期施工完成的工程樁，承臺(tái)尺寸選用b=5 m，l=7.2 m,h=1.6 m；混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C40，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=19.1 N/mm2；鋼筋采用Ⅱ級(jí)鋼筋，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=300 N/mm2；承臺(tái)下部鋼筋保護(hù)層厚度采用100 mm，頂部、側(cè)面鋼筋保護(hù)層厚度采用50 mm。

塔吊基礎(chǔ)位置，利用5根工程樁，工程樁為鉆孔灌注樁，直徑φ=800，樁的兩向間距分別為2.4 m，4.8 m。樁長(zhǎng)L=43 m；樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40，主要受力鋼筋HRB335；fy=300 N/mm2。

根據(jù)工程要求及塔吊參數(shù)，塔吊的最大起重量為160 kN。

根據(jù)以上選用情況及相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行如下計(jì)算與設(shè)計(jì)。

2.1 基礎(chǔ)頂面豎向力及傾覆彎矩計(jì)算

按照在工作狀態(tài)下時(shí)，基礎(chǔ)頂面所承受的最大荷載值來進(jìn)行取值計(jì)算；作用于樁基礎(chǔ)的承臺(tái)頂部豎向力為F=1 207+160=1 367 kN；則塔吊的傾覆力矩為M=M1+V×h=5 899+38×1.6=5 959.8 kN·m；

按照非工作狀態(tài)下時(shí)，基礎(chǔ)頂面所承重荷載的最大值取值計(jì)算；作用于樁基礎(chǔ)承臺(tái)頂?shù)呢Q向力F=1 128 kN；則塔吊的傾覆力矩值M=M1+V×h=5 574+152.3×1.6=5 817.68 kN·m。

2.2 樁的計(jì)算

1)單樁豎向力的計(jì)算。

依據(jù)規(guī)范，單樁頂面的豎向力：

其中，n為單樁的根數(shù)，本工程取n=5；F為作用于樁基承臺(tái)頂面的豎向力設(shè)計(jì)值；G為樁基承臺(tái)的自重。本文便采用以下計(jì)算：G=1.2×(25×l×b×h)=1.2×(25×7.20×5.00×1.60)=1 728 kN；Mx,My均為承臺(tái)底面的彎矩設(shè)計(jì)值；xi，xj，yi，yj分別為第i，j樁單樁相對(duì)承臺(tái)中心軸的X，Y方向距離，其中x1=0,y1=0;x2=1.2,y2=2.1;x3=1.25,y3=2.7，塔吊承臺(tái)下相應(yīng)的樁位置布置如圖1所示；Ni為第i根樁單樁樁頂豎向力設(shè)計(jì)值。

假設(shè)塔吊的大臂與X軸呈θ角，則分解至X軸，Y軸的彎矩分別為Mcosθ，Msinθ。

將相關(guān)數(shù)值代入公式：

1號(hào)樁：

在工作狀態(tài)下,經(jīng)計(jì)算得到單樁樁頂豎向力設(shè)計(jì)值：

最大豎向力值：

N1=(1 367+1 728)/5±5 959.8×0×cosθ/(1×
02+2×2.12+2×2.72)±5 959.8×0×sinθ/(1×02+2×
1.22+2×1.252)=619 kN。

最小豎向力值：N1min=N1max=619 kN<5 000 kN(φ800的工程樁抗壓承載力特征值)。

按照非工作狀態(tài),經(jīng)過計(jì)算，單樁豎向力設(shè)計(jì)值為：

最大豎向力：

N1=(1 128+1 728)/5±5 817.7×0×cosθ/(1×02+2×
2.12+2×2.72)±5 817.7×0×
sinθ/(1×02+2×1.22+2×1.252)=571.2 kN。

最小豎向力：Nmin=Nmax=571.2 kN<5 000 kN(φ800的工程樁抗壓承載力特征值)。

2，3號(hào)樁，4,5號(hào)樁計(jì)算方法相似，計(jì)算過程從略。

2)樁豎向承載力驗(yàn)算。

根據(jù)以上的計(jì)算所得的豎向力設(shè)計(jì)值，最大值Nmax=2 053.9 kN；

根據(jù)規(guī)范，豎向力設(shè)計(jì)值應(yīng)滿足下面的公式：

γ0N≤fcAΨc。

其中，γ0為建筑樁基重要性系數(shù)，取1.00；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，本工程取fc=19.1 N/mm2；A為樁的截面面積，A=πD2/4=3.14×800×800/4=502 400 mm2；Ψc為工作條件系數(shù)，Ψc=0.50。

則γ0N=1×2 037.42

經(jīng)過驗(yàn)算，滿足要求。

3)單樁豎向承載力驗(yàn)算。

根據(jù)以上的計(jì)算所得的豎向力設(shè)計(jì)值，最大值N=2 372.1 kN；

單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值按公式計(jì)算：

Quk=QSK+QPK=u∑qsikli+qpkAp。

根據(jù)勘察報(bào)告可得知各土層厚度、樁周土極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，以及樁端土極限側(cè)阻力的標(biāo)準(zhǔn)值。本工程樁處底板厚度為2 800 mm，樁計(jì)算頂標(biāo)高為-19.300，也即是⑥層土，粉質(zhì)粘土。樁端標(biāo)高為-62.100，位于層土。

R=2.512×(35×8.2+70×2.71+55×5.43+40×2.12+58×7.67+45×5.93+50×3.41+45×4.41+50×7.64+65×2.61+80×10.84)+1 200×0.502 4=8 735.1 kN>2 037.42 kN。

滿足要求。

4)樁抗拔驗(yàn)算。

樁身的抗拉承載能力驗(yàn)算：

根據(jù)前述計(jì)算結(jié)果，單樁最小豎向力，Nmin=-783.15 kN，即是樁頂拉力Nmin=-783.15 kN。

樁身受拉承載能力設(shè)計(jì)值：

Np=fpy×Ap。

其中，Np為樁身軸向拉力設(shè)計(jì)值,kN；fpy為受力鋼筋的抗拉設(shè)計(jì)值,fpy=300 N/mm2；Ap為受力鋼筋面積，Ap=10×(π/4)×202=3 140 mm2；

Np=3 140×0.3=942 kN>783.15 kN,樁身抗拉強(qiáng)度能滿足。

單樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算。

根據(jù)規(guī)范，樁基的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值：

UK=∑λiqsikuili。

本工程樁處底板厚度為2 800 mm，樁頂計(jì)算標(biāo)高為-19.300，置于⑥層土，粉質(zhì)粘土:

UK=0.75×2.512×(35×8.2+70×2.71+55×5.43+40×
2.12+58×7.67+45×5.93+50×3.41+45×4.41+50×
7.64+65×2.61+80×10.84)=3 053.67 kN>783.15 kN。

樁抗拔滿足要求。

2.3 承臺(tái)計(jì)算

1)承臺(tái)彎矩的計(jì)算。

根據(jù)以上計(jì)算，最大豎向力發(fā)生在4，5號(hào)樁。

按照規(guī)范：

Mx=∑Niyi。

My=∑Nixi。

其中，Mx,My分別為計(jì)算截面在X，Y方向的彎矩設(shè)計(jì)值；xi,yi分別為單樁相對(duì)于塔吊在X，Y方向的距離，取a/2-B/2=5.4/2-2.2/2=1.6 m；Ni為扣除承臺(tái)自重的單樁樁頂豎向力設(shè)計(jì)值，Ni=Nil-G/n=Nmax-G/n=1 671.82 kN；經(jīng)過計(jì)算得到彎矩設(shè)計(jì)值：Mx=My=2×1 671.82×1.6=5 349 kN·m。

2)承臺(tái)主筋的計(jì)算。

根據(jù)規(guī)范，承臺(tái)受力筋計(jì)算按如下公式計(jì)算：

其中，α1為系數(shù)，當(dāng)混凝土強(qiáng)度不超過C50時(shí)，α1取為1.0,當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80時(shí)，α1取為0.94，此處α1取1.0；fc為混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，C40混凝土fc=19.1 N/mm2；h0為承臺(tái)計(jì)算高度，h0=h-100=1 500 mm；fy為鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，fy=300.00 N/mm2。

經(jīng)計(jì)算：

αs=5 349×106/(1.00×19.10×5 000×1 5002)=0.025；

ξ=1-(1-2×0.025)0.5=0.097 5；

γs=1-0.097 5/2=0.95；

Asx=Asy=5 349×106/(0.95×1 500×300.00)=12 512.3 mm2。

3)承臺(tái)斜截面抗剪承載力驗(yàn)算。

根據(jù)以上計(jì)算得到X，Y方向樁對(duì)矩形承臺(tái)的最大剪切力,取剪切力V=Nmax=2 037.42 kN,不考慮承臺(tái)配置箍筋的抗剪能力，則抗剪承載力:

V≤βhsαftb0h0。

其中，b0為計(jì)算截面處的寬度，b0=5 000 mm；h0為計(jì)算截面處的高度，h0=1 500 mm；λ為剪跨比，λ=ax/h0。

此處ax為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的外皮到長(zhǎng)邊方向樁內(nèi)邊的水平距離，ax=2.7-1.1-0.4=1.2 m；計(jì)算截面的剪跨比λ=1 200/1 500=0.8, 當(dāng)λ<0.3時(shí)，取λ=0.3；當(dāng)λ>3時(shí),取λ=3，此處滿足0.3～3。

βhs為抗剪切承載力截面高度影響系數(shù)，可計(jì)算得βhs=0.854；

ft為混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，C40混凝土?xí)r，fc=1.71 N/mm2。

3 結(jié)語

工程施工中塔吊安全事故頻發(fā)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)問題是其中原因之一?；A(chǔ)設(shè)計(jì)通常由施工技術(shù)人員完成，因此施工技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范要求進(jìn)行正確計(jì)算。本文以某工程塔吊基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)為例，闡述了塔吊基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

[1] GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB 50007-2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 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].

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

[5] 陳新杰，宣云干.常見塔吊基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案及驗(yàn)算方法[J].施工技術(shù),2006(2):65-68.

Designandconstructionofatowercranefoundation

ZHUGuo-qin

(JiangsuJianxingConstructionGroup，Yancheng224002,China)

Taking the design for the tower crane foundation of some project as the example, the paper calculates and studies the top vertical force of the basement and the overturning moment, mainly introduces the calculation and inspection process of the pile and cushion cap, and illustrates the design and construction of the tower crane, so as to provide some reference for similar projects.

tower crane foundation, design, member, cushion cap

1009-6825(2014)14-0089-03

2014-03-05

朱國(guó)勤(1973- )，男，建筑經(jīng)濟(jì)師，國(guó)家注冊(cè)監(jiān)理工程師

TU471.99

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