可周轉(zhuǎn)格構(gòu)式鋼平臺(tái)塔吊基礎(chǔ)施工技術(shù)

章海彬

（南通新華建筑集團(tuán)有限公司，江蘇 南通 226300）

0 引言

隨著公共建筑基坑開(kāi)挖深度普遍越來(lái)越大，格構(gòu)式塔吊基礎(chǔ)施工技術(shù)應(yīng)用日趨成熟，所帶來(lái)的問(wèn)題是傳統(tǒng)的“格構(gòu)式+混凝土承臺(tái)”塔吊基礎(chǔ)施工周期長(zhǎng)，混凝土承臺(tái)拆除過(guò)程中對(duì)環(huán)境影響大，不符合國(guó)家倡導(dǎo)綠色環(huán)保的趨勢(shì)。江蘇省供銷(xiāo)合作經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目工期緊，環(huán)保要求高，傳統(tǒng)的混凝土承臺(tái)塔吊基礎(chǔ)無(wú)法滿足施工要求，通過(guò)多方論證，將混凝土承臺(tái)優(yōu)化為鋼平臺(tái)，裝配化程度高，可多次周轉(zhuǎn)使用，施工便捷。本文就該項(xiàng)目可周轉(zhuǎn)格構(gòu)式鋼平臺(tái)塔吊基礎(chǔ)施工應(yīng)用作具體闡述。

1 工程概況

江蘇省供銷(xiāo)合作經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園位于南京市雨花臺(tái)區(qū)夢(mèng)都大街以南、鳳臺(tái)南路以西，工程南北方向呈狹長(zhǎng)形，是由 A 棟、B 棟及裙房組成的現(xiàn)代化商務(wù)辦公樓，總建筑面積 10 8217.6 m2，地下 3 層，地上 A 棟 28 層，B 棟 19 層，工程為雨花臺(tái)區(qū)標(biāo)志性建筑，緊鄰高架橋，環(huán)保要求高；施工現(xiàn)場(chǎng)擬布置 4 臺(tái)塔吊，其中 2 臺(tái)塔吊布置于基坑中間，考慮到基坑深、土方開(kāi)挖量大、地下室工期緊，傳統(tǒng)的“格構(gòu)式+混凝土承臺(tái)”塔吊基礎(chǔ)施工和養(yǎng)護(hù)周期長(zhǎng)，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求；綜合權(quán)衡環(huán)保、施工工期、拆除等多方面因素，坑內(nèi) 2 臺(tái)塔吊基礎(chǔ)選用“鉆孔灌注樁基礎(chǔ)＋鋼格構(gòu)柱＋鋼梁平臺(tái)”形式，安全環(huán)保無(wú)污染。

2 格構(gòu)式鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 鋼平臺(tái)塔吊基礎(chǔ)整體構(gòu)造設(shè)計(jì)

采用在灌注樁內(nèi)插格構(gòu)式鋼柱，格構(gòu)式鋼柱頂部支撐鋼梁承臺(tái)，托起塔吊基礎(chǔ)的方式安裝塔吊。

2）塔吊承臺(tái)采用 4 根格構(gòu)柱（截面尺寸 500 mm× 500 mm），單根格構(gòu)式鋼柱由 4L160×14（Q235）加 450 mm×200 mm×12 mm@500（Q235）綴板組成，角焊縫焊角尺寸 8 mm，格構(gòu)柱下端伸入灌注樁的錨固長(zhǎng)度 3 m。

3）各格構(gòu)式鋼柱間，隨著基坑土方的分層開(kāi)挖，在格構(gòu)式鋼柱外側(cè)四周及水平面設(shè)置［22a 槽鋼支撐。沿豎向按照間距 2.0 m 設(shè)置水平支撐，如圖 1 所示；每個(gè)側(cè)面在水平支撐間設(shè)置單向斜撐。槽鋼支撐與格構(gòu)柱間加設(shè)節(jié)點(diǎn)板焊接，節(jié)點(diǎn)板與格構(gòu)柱肢角焊縫焊角尺寸 8 mm，型鋼支撐與節(jié)點(diǎn)板角焊縫焊角尺寸 14 mm。

圖1 鋼平臺(tái)塔吊基礎(chǔ)立面圖（單位：mm）

4）為進(jìn)一步增強(qiáng)格構(gòu)柱支撐的穩(wěn)定性與整體性，采取以下加強(qiáng)措施：①由于格構(gòu)柱長(zhǎng)度與綴板間距的限制，格構(gòu)柱頂部截?cái)嗵幙赡軣o(wú)綴板，此情況下需增設(shè) 1 道綴板，其頂面標(biāo)高與承臺(tái)底標(biāo)高一致，具體視施工現(xiàn)場(chǎng)情況確定；②格構(gòu)柱頂部設(shè)置 500 mm×500 mm 格構(gòu)式鋼梁進(jìn)行拉結(jié)，如圖 2 所示，鋼梁頂面標(biāo)高與鋼承臺(tái)底標(biāo)高一致，格構(gòu)式鋼梁由 4L160×14（Q235）加 450× 300×12@500（Q235）綴板組成，角焊縫焊角尺寸8 m m；③在橫向水平支撐及頂部拉結(jié)鋼梁處增設(shè)［22a 型鋼水平剪刀撐，如圖 2 所示，共計(jì) 4 道。

圖2 格構(gòu)式鋼梁及水平剪刀撐平面圖（單位：mm）

2.2 鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)

鋼平臺(tái)由 4 根 700 mm×400 mm 鋼梁分兩層疊接，形成井字型承臺(tái)，如圖 3 所示。鋼梁由 20 mm 厚 Q235 鋼 板焊接而成，采用雙腹板工字形截面。底層鋼梁與格構(gòu)柱交界處四周滿焊，焊縫（墊板與格構(gòu)柱、墊板與底層鋼梁下翼緣）均采用角焊縫，焊腳尺寸 14 mm；底層鋼梁與格構(gòu)柱連接的朝外兩側(cè)面分別增設(shè) 4 道 16 mm 厚加勁肋，如圖 4 所示，底層鋼梁、格構(gòu)柱與加勁肋之間兩側(cè)均采用角焊縫滿焊，焊縫焊腳尺寸 14 mm；兩層鋼梁間通過(guò) M36 高強(qiáng)度螺栓連接（螺紋強(qiáng)度 5.6 級(jí)，螺帽全部為雙螺帽），并施加 1 050 N·m 預(yù)緊力矩；塔吊與上層鋼梁間通過(guò) M36 高強(qiáng)度螺栓連接。

圖3 底層鋼梁與頂層鋼梁接合圖（單位：mm）

圖4 底層鋼梁與格構(gòu)柱接合圖（單位：mm）

3 施工工藝技術(shù)

3.1 施工流程

塔吊樁基定位放線→塔吊樁基施工（插入格構(gòu)柱）→塔吊基礎(chǔ)定位放線→塔吊承臺(tái)挖土→鋼承臺(tái)安裝→塔吊安裝→格構(gòu)柱間鋼支撐安裝（基坑挖土到位及時(shí)安裝）→格構(gòu)柱表面刷防銹漆→驗(yàn)收→合格使用。

3.2 塔吊鋼梁承臺(tái)施工

3.2.1 鋼承臺(tái)施工工藝流程

墊板焊接→格構(gòu)柱與底層鋼梁焊接→加勁肋焊接→水平連接鋼梁焊接→頂層鋼梁連接。

3.2.2 鋼承臺(tái)施工

1）格構(gòu)柱頂部采用機(jī)械切割，切割面應(yīng)平整、光滑，高度一致。

2）鋼梁、高強(qiáng)螺栓等材料應(yīng)符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，質(zhì)保資料齊全。

3）格構(gòu)柱與底層鋼梁先行焊接，然后焊接加勁肋和格構(gòu)式拉結(jié)鋼梁。

4）現(xiàn)場(chǎng)焊接焊工必須持證上崗，且在有效期內(nèi)。鋼梁與格構(gòu)柱間焊縫采用角焊縫，焊腳尺寸 14 mm；加勁肋兩側(cè)與格構(gòu)柱、底層鋼梁間焊縫均采用角焊縫，雙面滿焊，焊腳尺寸 14 mm；焊縫應(yīng)飽滿、波紋順直，焊道與焊道、焊道與基本金屬間過(guò)度平滑，焊渣與飛濺物清除干凈，不得有裂紋、焊瘤、表面氣孔等缺陷。

5）高強(qiáng)螺栓連接摩擦面應(yīng)保持干燥、整潔，不應(yīng)有飛邊、毛刺、焊接飛濺物、焊疤、污垢等；高強(qiáng)螺栓應(yīng)自由穿入螺栓孔，現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)禁出現(xiàn)擴(kuò)孔現(xiàn)象［1］。

6）未盡事宜按照鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范施工。

3.3 土方大開(kāi)挖及水平橫撐、斜撐等焊接

1）基坑大面積開(kāi)挖時(shí)，塔吊格構(gòu)柱周?chē)耐练綉?yīng)對(duì)稱分層開(kāi)挖，嚴(yán)禁在塔吊一側(cè)過(guò)度超挖造成塔吊基礎(chǔ)兩側(cè)土壓力差過(guò)大，影響塔吊安全。嚴(yán)禁挖機(jī)碰撞格構(gòu)柱，挖機(jī)無(wú)法操作區(qū)域人工清土。

2）格構(gòu)柱之間的水平與斜撐桿、剪刀撐等構(gòu)件，必須隨挖土深度及時(shí)設(shè)置并焊接。格構(gòu)柱的剪刀撐和水平撐加設(shè)、焊接和挖土必須緊密配合。焊接必須對(duì)稱進(jìn)行，焊接時(shí)，塔臂必須與其垂直放置；焊接必須達(dá)到焊接規(guī)范要求，保證其焊縫質(zhì)量和厚度及長(zhǎng)度，經(jīng)驗(yàn)收合格，有書(shū)面資料記錄。開(kāi)挖土層過(guò)程中，要注意對(duì)格構(gòu)柱及塔基基礎(chǔ)的質(zhì)量觀察，遇到格構(gòu)柱焊縫開(kāi)裂、偏位、扭轉(zhuǎn)或者基礎(chǔ)承臺(tái)開(kāi)裂等質(zhì)量問(wèn)題，及時(shí)上報(bào)進(jìn)行處理。

3）焊接完成后鋼構(gòu)件表面及時(shí)涂刷紅丹防銹漆，防止鋼構(gòu)件生銹。

3.4 其他事項(xiàng)

1）為了避免塔吊格構(gòu)柱區(qū)域底板漏水引起格構(gòu)柱銹蝕，塔吊穿越基礎(chǔ)底板時(shí)采取如下做法：塔吊格構(gòu)柱區(qū)域基礎(chǔ)底板墊層由 100 mm 厚素混凝土改為 300 mm 厚鋼筋混凝土（土方見(jiàn)底即突擊施工），內(nèi)配 Φ14@200 雙層雙向鋼筋，塔吊格構(gòu)柱在新增板中間焊接一道止水環(huán)。塔吊格構(gòu)柱穿基礎(chǔ)底板區(qū)域焊接 2 道止水環(huán)，與基礎(chǔ)底板同時(shí) 澆筑。

4 計(jì)算書(shū)

4.1 鋼梁承臺(tái)承載力驗(yàn)算［3］

4.1.1 計(jì)算簡(jiǎn)化

1）計(jì)算荷載簡(jiǎn)化。塔吊對(duì)承臺(tái)將產(chǎn)生豎向力、水平力及彎矩，其中，其控制作用的應(yīng)該是豎向力與彎矩。為計(jì)算簡(jiǎn)便同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)安全，將承臺(tái)鋼梁荷載進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。與樁基承載力驗(yàn)算時(shí)對(duì)作用效應(yīng)的處理方式相同，將考慮彎矩效應(yīng)的最大豎向力作為計(jì)算荷載。

2）計(jì)算模型簡(jiǎn)化。承臺(tái)由頂、底層焊接鋼梁疊制而成，底層鋼梁與格構(gòu)柱焊接，兩層鋼梁間通過(guò) M36 高強(qiáng)螺栓連接。為計(jì)算簡(jiǎn)便并偏于安全，底層鋼梁按固支邊界條件考慮，支座點(diǎn)位于格構(gòu)柱截面形心，其上承受由頂層鋼梁傳遞的豎向集中力，集中力作用點(diǎn)位于兩層鋼梁軸線投影交點(diǎn)處；頂層鋼梁按鉸支邊界條件考慮，支座點(diǎn)位于兩層鋼梁軸線投影交點(diǎn)處，其上承受由塔吊傳遞的豎向集中力，集中力作用點(diǎn)位于塔吊基座與頂層鋼梁連接孔的中心。

4.1.2 鋼梁抗彎承載力驗(yàn)算

式中：Mx為彎矩設(shè)計(jì)值，N·mm；γx為截面塑性發(fā)展系數(shù)；Wnx為凈截面模量，mm3；［f］為鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。

4.1.3 鋼梁抗剪承載力驗(yàn)算

式中：V 為計(jì)算截面沿腹板平面作用的剪力設(shè)計(jì)值，N； S 為計(jì)算剪應(yīng)力處以上毛截面對(duì)中和軸的面積矩，mm3；I 為構(gòu)件的毛截面慣性矩，mm4；tw為構(gòu)件的腹板厚度，mm；［fv］為鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。

首先，法律借力科技促進(jìn)自身發(fā)展?？萍及l(fā)展可以為法律研究和法律適用提供新的、更科學(xué)的工具，因而我國(guó)的法律研究者、立法者和執(zhí)法者，對(duì)于科技應(yīng)當(dāng)持更加開(kāi)放的心態(tài)和積極的態(tài)度，主動(dòng)吸收和接納新的技術(shù)，以改善立法、司法和執(zhí)法。比如，近年來(lái)，部分地方進(jìn)行的互聯(lián)網(wǎng)法院的試點(diǎn)，就是法律借力科技進(jìn)步促進(jìn)自身發(fā)展的典型例子。未來(lái)，法律工作者應(yīng)當(dāng)注重法律更多地吸納科技進(jìn)步的成果，通過(guò)科技促進(jìn)法律的進(jìn)步。

4.1.4 鋼梁腹板局部承壓驗(yàn)算

式中：σc為鋼梁腹板局部承壓強(qiáng)度，N/mm2；ψ 為集中荷載的增大系數(shù)；F 為集中荷載設(shè)計(jì)值，N；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，mm。

4.1.5 鋼梁整體穩(wěn)定驗(yàn)算

式中：Mx為繞強(qiáng)軸作用的最大彎矩設(shè)計(jì)值，N·mm；Wx為按受壓最大纖維確定的梁毛截面模量，mm3；ψb為梁的整體穩(wěn)定性系數(shù)。

4.1.6 鋼梁翼緣與腹板角焊縫驗(yàn)算滿足要求。

式中：he為角焊縫的計(jì)算厚度，mm；Sf為所計(jì)算翼緣毛截面對(duì)梁中和軸的面積矩，mm3；βf為正面角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值增大系數(shù)；ftw為角焊縫的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。

4.1.7 底層鋼梁與格構(gòu)柱連接驗(yàn)算

1）焊縫整體驗(yàn)算。

根據(jù)設(shè)計(jì)，底層鋼梁與格構(gòu)柱之間通過(guò)三邊圍焊角焊縫進(jìn)行連接，焊角尺寸 14 mm，且沿鋼梁方向增設(shè) 4 道 16 mm 厚加勁肋，進(jìn)行連接加強(qiáng)。

為簡(jiǎn)化計(jì)算并偏于安全，僅考慮加勁肋水平向焊縫承載力。對(duì)于焊縫所受荷載同樣進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，認(rèn)為焊縫整體承受拉力，且拉力值N取鋼梁設(shè)計(jì)剪力 V=758 kN。

式中：lw為焊縫長(zhǎng)度，mm。

2）加勁肋承載力驗(yàn)算。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，加勁肋按懸臂梁進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，其懸臂端承受豎向荷載設(shè)計(jì)值為758/4=189.5kN。因此， 加勁肋內(nèi)力設(shè)計(jì)值 V=189.5kN、M=189.5×0.25= 47.4 kN·m。

τr=1.5 V/Ar=59.2 N/mm2＜［fv］=125 N/mm2，滿足要求。

σr=M/Wr=197.5 N/mm2＜［f］=215 N/mm2，滿足要求。

3）加勁肋根部焊縫驗(yàn)算。

σwf=M/Ww=68.0 N/mm2＜1.22［ftw］=195.2N/mm2，滿足要求。

τwf=V/Aw=20.9 N/mm2＜［ftw］=160 N/mm2，滿足要求。

滿足要求。

式中：σwf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，N/mm2；τw?為按焊縫有效截面計(jì)算，沿焊縫長(zhǎng)度方向的剪應(yīng)力，N/mm2；ftw為角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。

圖5 基礎(chǔ)有限元模型

圖6 應(yīng)力圖

圖7 單元應(yīng)力比

4.1.8 螺栓強(qiáng)度驗(yàn)算

由于螺栓受力較為復(fù)雜，其所受內(nèi)力精確值較難確定。鑒于本工程特點(diǎn)，各支點(diǎn)處螺栓群（4個(gè)螺栓）均勻受力，其所受拉力 Nt=758 kN（取鋼梁驗(yàn)算剪力設(shè)計(jì)值）、剪力 Nv=67.2 kN（取格構(gòu)柱驗(yàn)算剪力設(shè)計(jì)值）。

式中：Nv為受剪面數(shù)目；d 為螺栓直徑，mm；ftb為螺栓的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；fv

b為螺栓的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。

4.2 塔吊基礎(chǔ)有限元分析

采用 Midas/Gen 軟件建立塔吊基礎(chǔ)的有限元模型，從整體上驗(yàn)算基礎(chǔ)的承載力與剛度。

建立的有限元模型如圖 5 所示。各桿件均采用梁?jiǎn)卧M，格構(gòu)柱底部為固支邊界條件，并將塔吊傳遞給基礎(chǔ)的豎向力、水平力及彎矩施加在模型上。其中，彎矩考慮沿對(duì)角線方向的最不利情況，模型中則將其對(duì)X、Y 軸分解而共同施加于模型上。

圖8 XY 平面內(nèi)變形圖

圖9 Z 向變形圖

有限元模型梁?jiǎn)卧獞?yīng)力圖和桿件應(yīng)力比分如圖 6～7 所示。各構(gòu)件梁?jiǎn)卧畲罄瓚?yīng)力值 62.5 MPa，最大壓應(yīng)力 -87.3 MPa，最大應(yīng)力比不大于 0.59，說(shuō)明基礎(chǔ)承載力滿足要求。

有限元模型在 X Y 平面內(nèi)及豎向變形分別如圖 8～9 所示。在 XY 平面內(nèi)的最大變形值為 2.18 mm，豎向最大變形 1.24 mm，滿足施工要求。

根據(jù)以上分析結(jié)果，塔吊基礎(chǔ)滿足承載力與剛度要求，可保證施工安全。

5 結(jié)語(yǔ)

可周轉(zhuǎn)格構(gòu)式鋼平臺(tái)塔吊基礎(chǔ)鋼梁通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接固定，可多次周轉(zhuǎn)使用，施工速度快，鋼梁焊接完成即可安裝塔吊，避免了傳統(tǒng)的格構(gòu)式混凝土基礎(chǔ)繁雜的支模、綁扎鋼筋、養(yǎng)護(hù)、混凝土破除等復(fù)雜工序，節(jié)約了成本，減少資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了綠色施工，值得超深地下室施工中大力推廣使用。