水中構(gòu)造柱型鋼組合式塔吊基礎(chǔ)的設(shè)計與施工

■黃華杰

(中交一公局廈門工程有限公司，廈門 361104)

1 工程概況

白沙快速出口路位于儋州、白沙境內(nèi)，是海南省重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目， 是白沙縣的高速連接線，是白沙縣城至儋州市區(qū)的快速通道，也是海南中西部區(qū)域的快捷旅游通道。 其中牙炳2# 大橋附近的地表水主要為一條河流， 位于K32＋150 處，河面寬約5～10 m，水深約0.6 m，流量約300 LS，由山間溪水及季節(jié)性降雨補給。K31+960～K31+995 m 處分布一山塘， 人工截水形成， 水深4～5 m， 淤積深1.5～2.5 m。

塔吊基礎(chǔ)位于大橋左右幅9# 墩兩承臺之間，兩承臺邊各設(shè)置2 根1.1 m×1.1 m×2.5 m C35 水下混凝土基礎(chǔ)構(gòu)造柱， 構(gòu)造柱內(nèi)設(shè)置矩形鋼筋籠及錨筋，鋼筋籠深入承臺1 m。 基礎(chǔ)采用鋼平臺+地腳螺栓形式，鋼平臺采用2HN700×300 mm 型鋼（HN700×300×13×24 mm 加勁）焊接制作成“十”字梁，“十”字梁中間連接部除工字鋼相互焊接外，底部和頂部各用1 塊（800×800×30）mm 矩形鋼板，中間連接后單面加3 塊（200×200×30）mm 三角形勁板， 混凝土基礎(chǔ)預埋鋼板與 “十” 字梁用直徑52 mm 的高強度螺栓滿焊連接，鋼平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 塔吊基礎(chǔ)鋼平臺結(jié)構(gòu)

“十”字梁由雙拼H 型鋼（腹板加勁）并排焊接制作而成，根據(jù)塔吊地腳螺栓孔位，在“十”字梁上穿孔[1]，4 個可拆卸地腳與“十”字梁通過直徑52 mm的高強螺栓連接， 且每個地腳用16 個七型板進行焊接加強（圖2）。

圖2 塔吊基礎(chǔ)鋼平臺三維圖

2 塔吊基礎(chǔ)施工過程及其特點

塔吊基礎(chǔ)的施工需先對已進場的高強螺栓、螺母、型鋼、鋼板進行驗收、分類；再測量放樣出4 個構(gòu)造柱的邊點， 并對構(gòu)造柱預留鋼筋進行調(diào)直；此外，構(gòu)造柱預埋鋼板和高強螺栓需提前加工，節(jié)約安裝時間。

2.1 混凝土構(gòu)造柱施工

2.1.1 混凝土構(gòu)造柱鋼筋籠安裝

根據(jù)測量放樣的邊點對該區(qū)域進行鑿毛處理，使鑿毛區(qū)露出新鮮混凝土。 在施工承臺時預埋混凝土構(gòu)造柱鋼筋，預埋深度1 m，并預埋帶彎鉤的錨筋以保證混凝土構(gòu)造柱的抗傾覆能力。

2.1.2 混凝土構(gòu)造柱模板安裝

根據(jù)設(shè)計坐標放樣出4 個混凝土構(gòu)造柱的各個角點， 采用竹膠板及方木作為構(gòu)造柱模板支撐，方木豎向25 cm 布置1 道， 橫向50 cm 布置1 道（圖3）。 構(gòu)造柱混凝土采用C50 水下混凝土以保證構(gòu)造柱的抗壓能力。

圖3 構(gòu)造柱鋼筋及模板安裝

2.1.3 預埋件安裝

預埋件為（1000×1000×20）mm 鋼板+直徑52 mm的高強螺栓（帶彎鉤）組合件，安裝時需嚴格控制高強螺栓的間距、線性及高度，保證預埋鋼板組合件在同一水平面上，以確保組合型鋼梁能夠順利安裝，保障塔機施工安全。 預埋鋼板中心預留10×10 cm 的混凝土卸落孔（混凝土卸落孔如圖4 所示），構(gòu)造柱混凝土應(yīng)振搗密實，保障基礎(chǔ)施工質(zhì)量[2]。

圖4 預埋件安裝

2.1.4 混凝土澆筑

構(gòu)造柱模板安裝加固后進行C35 混凝土澆筑，要求快插慢拔，以混凝土不在下沉表面泛漿為混凝土振搗完成的標準。 澆筑過程中需保護預埋高強螺栓絲口，防止混凝土污染絲口影響后期使用[3]。

2.2 水下塔吊施工地腳安裝

此基礎(chǔ)為水中施工環(huán)境，故先在棧橋上將4 個地腳安裝在組合型鋼上， 采用地腳螺栓進行固定（圖5），再對基礎(chǔ)節(jié)進行試裝，若基礎(chǔ)節(jié)順利安裝完成，則卸下基礎(chǔ)節(jié)；若無法順利安裝，說明組合型鋼梁沒有放平或地腳與基礎(chǔ)節(jié)不配套，應(yīng)重新調(diào)整鋼梁直至水平或檢查地腳與基礎(chǔ)節(jié)型號。

圖5 地腳安裝

2.3 組合型鋼梁安裝

（1）將構(gòu)造柱預埋鋼板混凝土殘渣清除并進行打磨，保證預埋鋼板平整光滑，將預埋高強螺栓外露絲口部分清理干凈，保證鋼梁與預埋鋼板焊接質(zhì)量、增強螺母的錨固力。 型鋼梁吊裝至構(gòu)造柱預埋鋼板時， 需注意預埋鋼板位置預埋的高強螺栓群，避免型鋼梁晃動撞擊高強螺栓導致變形而影響受力[4]。 當鋼梁落至構(gòu)造柱預埋鋼板后，采用4 臺焊機同步對鋼梁與預埋鋼板接觸面進行焊接， 連接方式為8 塊（20×70×3）cm 鋼板加勁焊接，避免單點施焊后應(yīng)力集中引起鋼梁變形。 焊接完成后在鋼梁與構(gòu)造柱接觸位置采用3 根雙拼I16 壓梁和1 根3 拼I16 壓梁進行錨固， 增強塔吊基礎(chǔ)整體受力性能（圖6）。

圖6 壓梁安裝

（2）地腳與組合型鋼梁進行滿焊連接，每個地腳采用16 塊七型板加強固定， 七型板接觸點均滿焊連接。

（3）在基礎(chǔ)四周搭設(shè)檢修平臺，用圓鋼及安全綠網(wǎng)設(shè)置臨邊防護，高度1.2 m，保證人員施工安全（圖7）。

圖7 組合型鋼基礎(chǔ)安裝

3 基礎(chǔ)穩(wěn)定性設(shè)計及數(shù)值分析

3.1 塔機傳遞至基礎(chǔ)荷載設(shè)計值

根據(jù)塔機的基本參數(shù)及傳遞至基礎(chǔ)荷載的標準值計算塔機傳遞至基礎(chǔ)荷載的設(shè)計值，結(jié)果見表1。

表1 塔機傳遞至基礎(chǔ)荷載設(shè)計值

3.2 組合型鋼梁強度驗算

針對塔吊基礎(chǔ)建立了MIDAS 有限元模型。 根據(jù)以上荷載設(shè)計值，對組合型鋼梁強度采用MIDAS進行計算，組合型鋼梁的彎應(yīng)力如圖8 所示。 其抗彎及抗剪結(jié)果為： 組合型鋼梁彎應(yīng)力為119 MPa＜205 MPa， 滿足要求； 剪應(yīng)力為71 MPa＜120 MPa（圖9），滿足要求。

圖8 組合型鋼梁彎應(yīng)力計算

圖9 組合型鋼梁剪應(yīng)力計算

3.3 組合型鋼梁剛度驗算

采用MIDAS 軟件計算了組合型鋼梁剛度，如圖10 所示， 可以看出鋼梁的最大撓度為1.83 mm＜L/800=6.43 mm，滿足要求。

圖10 組合型鋼梁撓度計算

3.4 地腳螺栓驗算

當螺栓受到剪應(yīng)力時，根據(jù)荷載設(shè)計值對螺栓進行了驗算：Nv=54.54 kN≤608.38 kN，符合要求。 當螺栓受到拉應(yīng)力時， 對螺栓進行驗算：Nt=345.274 kN≤1119 kN，滿足要求。 當螺栓同時受到剪應(yīng)力及拉應(yīng)力時，對螺栓進行驗算，驗算結(jié)果滿足要求。

3.5 雙拼I16 壓梁驗算

組合型鋼梁雙拼型鋼向上單側(cè)反力q′=965 kN，則單根壓梁承受荷載q=483 kN，壓梁按簡支梁模型計算，計算模型如圖11 所示。

圖11 壓梁計算模型圖

經(jīng)過計算， 得到其最大彎應(yīng)力δ=149 N/mm2＜215 N/mm2， 符合要求； 最大剪應(yīng)力δ =47 N/mm2＜125 N/mm2，符合要求。

通過以上驗算得知：本組合型鋼鋼梁式塔吊基礎(chǔ)各主要構(gòu)件強度、剛度、整體穩(wěn)定性均符合要求，能夠保障現(xiàn)場施工安全。

4 深水組合式塔吊應(yīng)用效果

本組合型鋼梁式塔吊基礎(chǔ)應(yīng)用于大橋1#、2#塔吊，由表2 可知，至今4 個地腳的累計沉降均不大于10 mm， 監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示基礎(chǔ)處于穩(wěn)定狀態(tài)，安全性高，具有較高的推廣意義，尤其能解決深水環(huán)境中基礎(chǔ)構(gòu)造柱施工困難等問題。

表2 地腳累計位移觀測結(jié)果

5 結(jié)語

鋼梁塔吊基礎(chǔ)具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、提高勞動效率、節(jié)約材料成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約生產(chǎn)工期等特點；通過對海南白沙項目的水中構(gòu)造柱型鋼組合式塔吊基礎(chǔ)受力體系和施工過程的分析，得出以下結(jié)論：

（1）對于深水環(huán)境，相比于傳統(tǒng)塔吊基礎(chǔ)，采用大面積混凝土基礎(chǔ)或插打多根鋼管+型鋼梁基礎(chǔ)的操作更為簡單，既能保證施工安全，避免大面積混凝土的使用，以及鋼管柱插打可能遇到的垂直度、入土深度、復雜河床地質(zhì)條件等問題，又能有效利用現(xiàn)有承臺設(shè)置的4 根混凝土立柱， 大大節(jié)約了施工成本，提高了工作效率；同時很好地解決了深水基礎(chǔ)構(gòu)造柱的施工困難、 基礎(chǔ)穩(wěn)定性無法保障等問題。

（2）型鋼梁與混凝土構(gòu)造柱采用“焊接+栓接”雙重加固措施，提高塔吊型鋼與混凝土構(gòu)造柱的整體受力性能，保障塔吊作業(yè)安全。 采用MIDAS 結(jié)構(gòu)計算軟件對該組合結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計驗算，總結(jié)出水中塔吊的受力性能和施工要點，可為同類型水中塔吊的計算提供依據(jù)。