十字鋼梁-鋼管樁獨(dú)立固定式塔機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

郭志亞 葉曉平 廣東建星建造集團(tuán)有限公司技術(shù)質(zhì)量中心，珠海 519000

現(xiàn)有的塔機(jī)多采用現(xiàn)澆式鋼筋混凝土基礎(chǔ)，主要形式有十字交叉梁式、十字交叉與正方形組合式、正方形板塊式和四角墩式等。該基礎(chǔ)形式體積尺寸較大，混凝土用量和配筋均很可觀，且無重復(fù)利用價(jià)值，并且由于對原有結(jié)構(gòu)的影響，一般需要在工程結(jié)束后鑿除這些基礎(chǔ)，造成費(fèi)工費(fèi)時(shí)及各種環(huán)境污染。

譚英輝為方便施工設(shè)計(jì)了一種考慮施工偏差且整體抗傾覆穩(wěn)定性和構(gòu)件自身抗扭性較好的變截面箱型裝配式鋼結(jié)構(gòu)塔吊基礎(chǔ)；利用MIDAS?Civil軟件對鋼結(jié)構(gòu)塔吊基礎(chǔ)進(jìn)行了整體分析計(jì)算，并按照相關(guān)規(guī)范規(guī)定對鋼結(jié)構(gòu)塔吊基礎(chǔ)的節(jié)點(diǎn)、焊縫強(qiáng)度等進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果均能夠滿足相關(guān)規(guī)范要求。本文提出了一種鋼梁和鋼管樁搭配的新型鋼結(jié)構(gòu)塔機(jī)基礎(chǔ)，按照規(guī)范計(jì)算荷載設(shè)計(jì)值，利用Midas?Gen鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)功能對鋼梁進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)采用ABAQUS/CAE有限元建模進(jìn)行了鋼連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)算，本設(shè)計(jì)塔機(jī)基礎(chǔ)不需要澆筑混凝土，現(xiàn)場安裝工期短，施工方便。

1 鋼結(jié)構(gòu)塔機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

十字鋼梁-鋼管樁基礎(chǔ)通過十字交叉鋼梁和鋼管樁組合拼接而成，鋼梁和鋼管樁連接處采用錨栓連接和鋼板焊接。十字形基礎(chǔ)與塔式起重機(jī)之間采用高強(qiáng)螺栓摩擦型連接，從而形成全鋼結(jié)構(gòu)塔機(jī)基礎(chǔ)并與塔機(jī)共同工作，可用于各種型號塔機(jī)的基礎(chǔ)。

2 設(shè)計(jì)案例

2.1 設(shè)計(jì)資料

型號TC6513-6塔式起重機(jī)，臂長60m，最大吊重為6噸，最大吊高46m，距塔身中心距離為20.53m，塔身為型鋼桁架，塔身桁架結(jié)構(gòu)寬度為1.8m×1.8m，無加強(qiáng)節(jié)，結(jié)構(gòu)充實(shí)率為0.35。塔機(jī)工作地點(diǎn)為珠海市，地面粗糙度為A類?；A(chǔ)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0。

參照規(guī)范，本塔機(jī)獨(dú)立狀態(tài)下的計(jì)算高度取下式計(jì)算所得數(shù)值：

2.2 基礎(chǔ)荷載設(shè)計(jì)值計(jì)算

塔機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)應(yīng)按獨(dú)立狀態(tài)下的工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)的荷載分別計(jì)算。塔機(jī)基礎(chǔ)工作狀態(tài)的荷載應(yīng)包括塔機(jī)和基礎(chǔ)自重（永久荷載）及覆土荷載、起重荷載（可變荷載）、風(fēng)荷載（可變荷載），并應(yīng)計(jì)入可變荷載的組合系數(shù)。其中起重荷載可不計(jì)入動力系數(shù)；非工作狀態(tài)下的荷載應(yīng)包括塔機(jī)和基礎(chǔ)的自重及覆土荷載、風(fēng)荷載。本塔機(jī)設(shè)計(jì)無覆土荷載。

2.3 基礎(chǔ)形式

TC6513-6型塔式起重機(jī)基礎(chǔ)由十字鋼梁和四根鋼管樁構(gòu)成。鋼梁采用H700×700×40×50型鋼（每根鋼梁由三塊鋼板焊接而成），交叉角為90°。鋼管樁采用4根φ800×14mm螺旋鋼管（Q345），4根呈正方形布置，鋼管樁實(shí)際長度應(yīng)根據(jù)具體工程地質(zhì)條件確定。相鄰樁中心距為4米。鋼管樁頂焊900×900×40mm的方形鋼板?；A(chǔ)平面布置簡圖見圖1。

圖1 塔機(jī)基礎(chǔ)平面布置簡圖

2.4 加載工況

塔機(jī)彎矩和剪力沿對角線方向，扭矩等效為作用在支座a、b、c、d上的剪力，方向?yàn)榕c作用點(diǎn)到塔機(jī)中心的連線垂直，以下分別計(jì)算在工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)下的塔基底支座a、b、c、d的反力。

2.4.1 工作狀態(tài)

圖2 （a） 工作-塔機(jī)傾覆力矩和彎矩引起的鋼梁荷載示意圖（豎直平面）

圖2 （b） 工作-塔機(jī)風(fēng)荷載 和扭矩引起的鋼梁荷載 示意圖（水平面）

2.4.2 非工作狀態(tài)

圖3 （a） 非工-塔機(jī)傾覆力矩和彎矩引起的鋼梁荷載示意圖（豎直平面）

圖3 （b） 非工-塔機(jī)基底風(fēng) 荷載引起的鋼梁荷載 示意圖（水平面）

2.5 十字鋼梁驗(yàn)算與支座反力

水平力和扭矩不可忽略，鋼梁受力較復(fù)雜，使用Midas?Gen輔助設(shè)計(jì)，分別計(jì)算了把鋼梁與樁基礎(chǔ)連接視為不動鉸支座和固定支座兩種不同約束條件下，十字鋼梁自重（組合時(shí)分項(xiàng)系數(shù)取1.3）和工作、非工作兩種工況組合時(shí)十字鋼梁的內(nèi)力、應(yīng)力、變形和支座反力。同時(shí)，使用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)功能對鋼梁進(jìn)行驗(yàn)算，均滿足規(guī)范要求。

2.5.1 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及驗(yàn)算有關(guān)參數(shù)說明

1）十字鋼梁采用2組H700×700×40×50型鋼（焊接），交叉角為90°。

2）結(jié)構(gòu)安全等級為二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0取1.0。

3）鋼材使用Q235。

4）鋼梁驗(yàn)算流程：按純彎和拉/壓彎驗(yàn)算結(jié)果取包絡(luò)。

5）梁的撓度允許值取L/1000。

6）梁整體穩(wěn)定的等效彎矩系數(shù)查鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：βb=1.75。

2.5.2 鋼梁變形以及塔機(jī)傾角

圖4 鋼梁變形圖

鋼梁在荷載作用下發(fā)生變形，豎直方向上變形最大，水平面的變形很小，可以忽略不計(jì)。鋼梁上塔機(jī)的支撐點(diǎn)（a、b、c、d）處的豎直方向上變形最大。為了保證塔機(jī)能夠平穩(wěn)地工作，不發(fā)生過大的傾斜和側(cè)移，塔機(jī)的豎向變形不能太大，本設(shè)計(jì)控制在1/1000以內(nèi)。

鋼梁在不動鉸和固定兩種支座形式下的鋼梁最大變形以及塔機(jī)與水平面的傾角α的正切值tanα見下表。

鋼梁變形與塔機(jī)傾角

2.5.3 鋼梁加固

鋼梁制作過程中存在的缺陷和實(shí)際荷載可能存在微小偏心，為防止鋼梁發(fā)生局部失穩(wěn)，鋼梁適當(dāng)采用加勁板加固，在a、b、c、d處采用橫向和縱向加勁板加固，同時(shí)鋼梁全長采用橫向加勁板加固。

2.5.4 支座反力

塔機(jī)在工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)中，當(dāng)塔機(jī)起重臂方向轉(zhuǎn)至標(biāo)準(zhǔn)節(jié)對角線方向時(shí)，塔機(jī)基礎(chǔ)支腳此時(shí)承受最大支反力，其中一支腳承受最大向下壓力，另一支腳承受最大向上拉力。十字鋼梁與樁基礎(chǔ)連接視為不動鉸支座和固定支座兩種不同約束條件下的支座反力。

2.6 鋼梁與鋼管樁頂連接設(shè)計(jì)與驗(yàn)算

考慮工程實(shí)際，鋼管樁與鋼梁按更不利狀態(tài)設(shè)計(jì)，即按固定連接設(shè)計(jì)，即視基樁為固定支座來進(jìn)行連接設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。非工作條件下，塔機(jī)基礎(chǔ)受力更加不利。

鋼管樁頂焊鋼梁與鋼管樁主要通過4根φ32mm精軋螺紋鋼和4塊“凹”字形加勁板（十字鋼梁兩側(cè)各2塊）和4塊“7”字形加勁板（十字鋼梁前后各2塊）進(jìn)行連接；“凹”字型加勁板通過焊腳高度為10mm，長度為0.5米的焊縫分別與鋼梁和鋼管連接；“7”字型加勁板通過焊腳高度為10mm，長度為0.5米的焊縫分別與鋼梁和鋼管連接。

2.6.1 連接處加勁板焊縫驗(yàn)算

連接處焊縫荷載主要為抗拔力（豎向拉力和彎矩引起）。

焊縫最大應(yīng)力：

焊縫滿足要求，僅考慮加勁板加固基本滿足抗拔力作用下受力要求，精軋螺紋鋼錨栓作為安全儲備設(shè)置。

2.6.2 鋼連接節(jié)點(diǎn)有限元分析

隨著有限元理論不斷完善，有限元法成為最成熟和有效的數(shù)值分析方法。有限元分析是塔機(jī)結(jié)構(gòu)分析的重要手段，其計(jì)算結(jié)果不僅詳盡，而且更具可靠性。鋼梁和鋼管樁的連接實(shí)際上是處于三向復(fù)雜應(yīng)力作用下的，為確保連接在最不利工況下能夠正常工作、受力安全，使用ABAQUS/CAE有限元分析軟件對連接處受力進(jìn)一步分析。

圖5 ABAQUS連接受力分析結(jié)果（單位：MPa）

在ABAQUS/CAE軟件中，建立鋼連接節(jié)點(diǎn)三維幾何模型，除錨栓外（錨栓作為安全儲備，建模時(shí)不考慮），其余部件幾何均為一體，使用Tie命令模擬部件之間的焊縫鏈接。導(dǎo)入Midas的鋼梁內(nèi)力分析結(jié)果，分析計(jì)算連接在固定支座非工作條件下連接的應(yīng)力。其中，受拉支座連接處應(yīng)力最大，為127.2MPa，出現(xiàn)在鋼管內(nèi)側(cè)上邊緣，連接強(qiáng)度滿足要求。