復雜邊界條件下異形塔式起重機基礎設計施工

文秋實

(中建科工集團有限公司 廣東深圳 518054)

0 引言

塔機基礎主要根據塔式起重機混凝土基礎工程技術規(guī)程(JGJ/T 187-2019)[1]設計計算，規(guī)范給出了板式、十字形及組合式基礎的構造要求和計算方法，但對于更多異形的塔機基礎形式，規(guī)范并無相關規(guī)定，需按照混凝土結構設計規(guī)范(GB 50010-2010)[2]和建筑地基基礎設計規(guī)范(GB 50007-2011)[3]進行專項設計。

本文所指的塔機基礎，是新建于地下室內的舊塔機基礎之上，采用的一種“缺角”異形塔機基礎設計。基此，本文主要探討復雜邊界條件下異形塔式起重機基礎設計施工，期為類似施工提供借鑒。

1 工程概況

該工程塔機基礎在主體結構施工至十層時，受鋼結構變更影響，舊塔機運力不足，需更換新塔機。因新塔機基礎節(jié)和預埋件規(guī)格與舊塔機不同，需重做新塔機基礎。根據一般工程經驗，新增的塔機基礎可設置在地下室頂板上，采用鋼格構柱高樁承臺基礎形式。但考慮到該工程新塔機基礎的位置不便調整，又受限于各層地下室頂板預留孔洞的混凝土后澆工藝間歇時間，因此考慮將新塔機基礎設于已建成的塔樓東南側負三層地下室內的舊塔機基礎之上。

舊塔機基礎是利用負三層地下室底板作為基礎，與地下室底板共同澆筑混凝土，地下室底板厚0.70m。舊塔機基礎規(guī)格7.00×7.00×1.60m，C40混凝土強度等級，配C25@150雙層雙向鋼筋、C16@450拉結上下兩層鋼筋，基礎持力層為粉質粘土層，承載力特征值180kPa，基礎底部有1根Φ1.2m人工挖孔灌注樁，樁長22.9m(-17.6m～-40.5m)，樁端持力層為微風化粉砂質泥巖，單樁豎向承載力特征值30 000kN，如圖1～圖2所示。

圖1為新舊塔基立面位置關系示意圖，圖2為新塔基平面為位置示意圖。

圖1 新舊塔基立面位置關系示意圖

圖2 新塔基平面位置示意圖

2 塔基載荷

新更換的新塔機型號為中聯(lián)重科T600-25U，臂長70m，獨立工作至第10個標準節(jié)、高度61.4m后轉為附著式工作，最大工作高度約220m，此后塔吊頂升懸出自由段高度為31.15m，其彎矩小于61.4m自由端安裝工況時的彎矩，塔吊最不利工況選取為61.4m自由端時工況，如表1所示。

表1 T600-25U型塔機70m臂長基礎載荷[4]

3 初步設計與優(yōu)化

根據使用情況，新塔機中心位置須與舊塔機重合。因新塔機基礎四周有結構柱，其中塔機基礎東南側有1根0.7×0.7m的地下室結構柱，塔身與柱間距1.2m，柱中心與塔機中心僅2800m，因此新塔機基礎規(guī)格不宜過大。塔基初步設計采用7.00×7.00×1.60m方形規(guī)格，結構柱與塔基沖突位置采用“缺角”設計，缺角處面積A=2.15×1.15=2.47m2，如圖3所示。為保證塔基自身平衡，有必要對塔基“缺角”部位進行配重補強，對塔基基礎尺寸進行優(yōu)化：將臨近結構柱的兩條塔基基礎邊各增大0.5m，塔基調整為7.50×7.50×1.60m方形規(guī)格，結構柱與塔基沖突位置仍采用“缺角”設計，缺角處面積不變，如圖3所示。

圖3 塔基優(yōu)化前后尺寸示意圖

4 塔基受力驗算及配筋計算

4.1 塔基沖擊驗算

塔機基礎沖切力Fl不僅來自塔吊軸心向下的壓力，也來自轉動彎矩。當基礎底面短邊尺寸小于或等于柱寬加兩倍基礎或有效高度時，應按公式驗算柱與基礎交接處截面受剪承載力：

Vs=0.7βhpftA0

=0.7×0.84×1710×7.75

=7802.5kN

其中,h0=1.6m,

βhp=(800/h0)1/4h0=0.84,

ft=1710kPa,

A0取塔基缺角處最小截面面積4.85×1.6=7.76m2。

此時塔基所受沖切力不僅來自塔吊軸心向下的壓力，也來自塔吊自身的轉動彎矩,即61.4m高度工作工況下，塔基所受沖切力:

V=7170.1/(7/2)+2104.2

=4152.8kN<7802.5kN

61.4m高度非工作工況下，塔基所受沖切力:

V=5520.7/(7/2)+1719.4

=3296.74kN<7802.5kN

220m高度非工作工況下，塔基所受沖切力:

V=3638.8kN<7802.5kN。

故,1.6m厚度塔基滿足沖切要求。

4.2 塔基配筋計算

選取塔基不同截面進行彎矩計算，如圖4所示。

圖4 塔基配筋計算示意圖

MⅠ=(1/12)a12[(2l+a′)(pmax+p-2G/A)+(pmax-p)l]=1042kN·m,

MⅡ=(1/48)(l-a′)2(pmax+pmin-2G/A)=608kN·m,

其中W=7.5×7.5×7.5÷6=70.3m3,

Mk=7170kN·m,Fk=2104.2kN,

Gk=7.5×7.5×1.6×2=2250kN,

A=7.5×7.5=56.25m2,l=7.5m,a=3.75m,

a1=1.65m,a′=3.2m,b=5.85m,b′=4.2m。

對于一般混凝土基礎，在受彎矩作用下，基礎底部一般承受彎矩作用，基礎底板鋼筋計算公式：As=M1/0.9fyh0。

取最大彎矩進行鋼筋截面積計算：

As=(7500-2650)×1600×0.15%=11 640mm2

另一方向的鋼筋截面積計算：

按最小配筋率0.15%計算：

As=(7500-1650)×1600×0.15%=14 040mm2

《混凝土結構設計規(guī)范》(GB 50010-2010)[2]和《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB 50007-2011)[3]規(guī)定：擴展基礎受力鋼筋最小配筋率不應小于0.15%，底板受力鋼筋的最小直徑不應小于10mm，間距不應大于200mm，也不應小于100mm。墻下鋼筋混凝土條形基礎縱向分布鋼筋的直徑不應小于8mm，間距不應大于300mm；每延米分布鋼筋的面積不應小于受力鋼筋面積的15%。當有墊層時鋼筋保護層的厚度不應小于40mm，無墊層時不應小于70mm。綜合以上考慮，新塔機基礎擬配C25@143雙層雙向鋼筋、C12@286拉結上下兩層鋼筋。

4.3 塔基抗傾覆驗算

基本荷載組合下塔機作用與基礎底面傾覆力矩值計算公式：

M=1.4(Mk+Fh·h)；

塔基抗傾覆穩(wěn)定性應符合：MD≥k1M。

其中：Mk為標準組合下塔機作用于基礎頂面的力矩標準值；

Fh為標準組合下塔機作用于基礎頂面的水平荷載標準值；

h為基礎高度，取1.6m；

MD為塔基抗傾覆力矩；

k1為安全系數，取1.2。

61.4m高度工作工況下，塔基傾覆力矩k1M=1.2×1.4×(7170.1+51.1×1.6)=12183kN·m<塔基抗傾覆力矩MD=(7×7×1.6×25+2104.2)×7×0.5=14224.7kN·m，滿足要求。

61.4m高度非工作工況下，塔基傾覆力矩k1M=1.2×1.4×(5520.7+200.6×1.6)=9814kN·m<塔基抗傾覆力矩MD=(7×7×1.6×25+1719.4)×7×0.5=12866.9kN·m，滿足要求。

4.4 塔基抗扭轉驗算

塔吊扭轉力相對于沖切、傾覆等作用力較小，但由于新塔基基礎于原結構底板沒有充分粘結，可能出現摩擦轉動，故需對塔基抗扭轉復核。計算時，新舊混凝土間的摩擦系數參照土體0.30取值。塔吊在非工作狀態(tài)下扭轉力為：

F=(7×7×1.6×25+1719.4)×0.3=1103.82kN

抗扭力矩為：

T=1103.82×[7.5/(2×2)]=1931.69kN·m>1034kN·m，滿足要求。

4.5 塔基補強部位驗算

對塔基形狀優(yōu)化補強后，應對塔基補強部位進行強度驗算。

短邊補強部位面積A1=2.425m2，可產生的抵抗彎矩MA1=(7.5/2-0.5/2)×A1×ρ×h×g=8.49phg>塔基缺角處面積A=2.4725m2可產生的抵抗彎矩MA=(7.5/2-1.15/2)×A×ρ×h×g=7.85phg；長邊補強處面積A2=2.925m2，可產生抵抗彎矩MA2=(7.5/2-0.5/2)×A2×ρ×h×g=10.24phg>7.85phg；故,抗彎滿足要求。

補強部位面積為A1+A2=5.35m2>A=2.4725m2，補強部位可產生的抗扭力矩大于原初步設計塔基，故抗扭滿足要求。

5 原有結構受力復核

5.1 受力模型分析

基于新塔吊基礎在原有混凝土底板上澆筑，支承面積遠大于新塔吊基礎面積，因此僅分析底板所受作用。底板一端受灌注樁非均勻支撐，偏于安全的角度，假設該區(qū)域土體與上部基礎脫空，新澆筑基礎及塔吊荷載完全由底板承擔，底板遠離灌注樁側將受到較大剪切力作用，受力分析如圖5所示。

圖5 底板受灌注樁非均勻支承計算示意圖

5.2 底板抗剪驗算

新塔基重力G1=1960kN，舊塔基重力G2=2384kN。

220m高度工作工況下塔基彎矩為0，作用于原有結構底板上的作用力F=1.2×(1960+2384+3638.8)=9579.36kN；

滿足要求。

61.4m高度工作工況下塔基彎矩7170.1kN·m，作用于原有結構底板上的作用力F=1.2×(1960+2384+2104.2)=7737.84kN；

彎矩M=7737.84×(7/2)=27 082.44kN·m；

滿足要求。

61.4m非高度工作工況下塔基彎矩5520.7kN·m，作用于原有結構底板上作用力F=1.2×(1960+2384+1719.4)=7276.08kN；

彎矩M=7276.08×(7/2)=25 466.28kN·m；

滿足要求。

5.3 灌注樁軸向力驗算

原有結構的灌注樁基本僅承受軸向力作用，220m高度工作工況下作用于原有結構底板上的作用力F=1.2×(1960+2384+3638.8)=9579.36kN<雙ZH6型單樁豎向承載力特征值30 000×2=60 000kN。

5.4 灌注樁處底板沖切驗算

采用柱邊沖切計算公式驗算：

其中，c1=hc+h0/2,c2=bc+h0；

6 塔基施工

(1)施工前放樣定位，確保塔基中心與舊塔基的重合。

(2)將舊塔基鑿除面層混凝土，露出主筋與新塔基鋼筋拉結，并將混凝土鑿毛，清除塵土。

(3)充分利用舊塔基預埋件，將新塔基底部主筋與預埋件雙面焊接，增強新舊塔基整體性。

(4)在塔基與相鄰地下室結構柱間設厚度50mm的擠塑板，用于隔離塔基與既有結構柱。

(5)嚴格按設計圖紙進行鋼筋綁扎，綁扎完底部鋼筋后及時安放馬凳及預埋件；預埋件位置偏差不得超5mm，扭轉偏差不得超0.5度。

(6)預埋件周圍鋼筋數量不得減少和切斷，主筋通過預埋件確有困難時，允許主筋避讓。

(7)混凝土振搗時盡可能避開預埋件，防止偏位，并安排專人全程采用全站儀監(jiān)測，確保預埋件定位準確。

(8)為防止基礎內外溫差過大導致混凝土開裂，采取預埋冷卻管、灑水養(yǎng)護及薄膜覆蓋等措施進行溫度控制，專人定期養(yǎng)護時間不少于14d。

7 結語

在工程實踐中，起重機械的基礎工程對起重機械的整體穩(wěn)定性至關重要。由于施工現場環(huán)境條件及工程地質的復雜性，部分起重機械基礎設計與制作制造商的基礎設計有可能存在差異，需要根據塔機制造商提供的《塔基使用說明書》及現場工程地質等要求，綜合考慮塔基基礎形式并進行必要的計算復核。