格構(gòu)柱式組合塔吊基礎(chǔ)承臺與格構(gòu)柱連接方式研究

焦?？?簡 立

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格構(gòu)柱式組合塔吊基礎(chǔ)廣泛應(yīng)用于塔吊基礎(chǔ)中，主要由鉆孔灌注樁、格構(gòu)柱、承臺3部分組成。格構(gòu)柱式組合塔吊基礎(chǔ)承臺基本構(gòu)造要求如圖1所示[1]。格構(gòu)柱錨入承臺需考慮兩方面的需求：格構(gòu)柱對承臺的豎向壓力，格構(gòu)柱對承臺的豎向拉力。JGJ/T 187—2019《塔式起重機(jī)混凝土基礎(chǔ)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求“格構(gòu)式鋼柱上端深入混凝土承臺的錨固長度應(yīng)滿足抗拔要求”，并在相應(yīng)條文說明中給出一種常見構(gòu)造做法：格構(gòu)式鋼柱上端深入混凝土承臺處可采用焊接豎向錨固鋼筋的連接構(gòu)造，錨固鋼筋的長度不小于35d（d為錨筋直徑）；格構(gòu)式鋼柱的錨固鋼筋不得少于4φ25 mm，即鋼柱每分肢的錨固鋼筋不少于1φ25 mm。

圖1 格構(gòu)柱式組合塔吊基礎(chǔ)承臺基本構(gòu)造

常見的剪力連接件包括栓釘、槽鋼、錨筋等，并且在土木工程結(jié)構(gòu)中廣泛使用。在格構(gòu)柱的法線方向上設(shè)置抗剪措施，即可將格構(gòu)柱的軸向力轉(zhuǎn)換為承臺與柱身之間的剪力。橋梁工程中鋼-混凝土結(jié)合部的PBL（perfobond rib shear connector）剪力連接件可連續(xù)布置，通過在剪力傳遞路徑方向設(shè)置帶孔鋼板，并在每個孔內(nèi)設(shè)置1根沿剪力傳遞路徑法線方向的鋼筋，基本布置如圖2所示。該方案具有抗剪剛度大、承載力高的優(yōu)點，在使用階段的抗剪剛度大，破壞階段的延性好[2]。大量試驗研究表明，PBL剪力連接件在受力性能和施工方便性等方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)剪力連接件，其良好的延性性能有利于PBL剪力連接件群的協(xié)同受力[3-5]，因此，PBL剪力連接件在鋼-混凝土結(jié)合梁橋中應(yīng)用較廣。在此基礎(chǔ)上，出現(xiàn)一些改進(jìn)的PBL剪力連接件，如Kim等[6]提出一種Y形抗剪連接件用于鋼-混凝土結(jié)合橋梁中的抗剪，通過在抗剪鋼板邊緣縱向等間距設(shè)置交叉傾斜的齒板，齒板間設(shè)置鋼筋，具有承載力高的特點。Zou等[7]試驗對比研究了標(biāo)準(zhǔn)圓孔PBL連接件、扁孔雙鋼筋PBL連接件、長圓孔雙鋼筋PBL連接件的抗剪性能。

圖2 格構(gòu)柱式組合塔吊基礎(chǔ)承臺與PBL連接件基本布置

本文從格構(gòu)柱與基礎(chǔ)承臺軸向傳力路徑的角度出發(fā)，將橋梁工程中的PBL剪力連接件做法引入格構(gòu)柱與基礎(chǔ)承臺之間的錨固，建立有限元分析模型對比簡化計算方法與既有文獻(xiàn)中試驗結(jié)果。根據(jù)現(xiàn)行國內(nèi)規(guī)范計算，對比PBL剪力連接件、栓釘、錨筋三者錨固措施的效果，給出角鋼格構(gòu)柱柱頂PBL剪力連接件的建議構(gòu)造做法。

1 格構(gòu)柱柱頂錨固措施

根據(jù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，格構(gòu)柱式組合塔吊基礎(chǔ)柱頂錨固措施包括柱頂嵌固鋼板、栓釘、槽鋼、錨固樁頭等方式。

1.1 柱頂錨筋

錨固鋼筋的主要作用是給格構(gòu)柱提供抗拔承載力儲備；格構(gòu)柱對承臺的上沖切作用主要由格構(gòu)柱與鋼筋混凝土承臺的錨固承擔(dān)。該方案具有構(gòu)造簡單的特點，錨筋與格構(gòu)柱分肢角鋼側(cè)面焊接的質(zhì)量控制尤為重要。

1.2 柱頂嵌固鋼板

在格構(gòu)柱分肢上設(shè)置獨立或整體式錨固鋼板，與格構(gòu)柱分肢角鋼焊接，可以同時提高格構(gòu)柱的抗拔承載力和格構(gòu)柱對承臺的上沖切承載力。該方案質(zhì)量控制要點在于錨固鋼板與格構(gòu)柱分肢角鋼垂直焊接。

1.3 樁頂側(cè)面角鋼、槽鋼、栓釘或其他剪力鍵

在相鄰格構(gòu)柱分肢角鋼側(cè)面焊接角鋼、槽鋼、栓釘或其他抗剪鍵，作為格構(gòu)柱的抗剪鍵，可以有效將格構(gòu)柱對承臺的抗壓或抗拉荷載傳遞至承臺，抗剪鍵的焊縫設(shè)置應(yīng)按計算確定，錨固樁頭的剪力鍵抗剪承載力和剛度均最強(qiáng)，但相應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)加工量較其他錨固措施明顯復(fù)雜。

2 PBL剪力連接件

PBL剪力連接件利用混凝土榫和貫通于孔中的鋼筋共同承擔(dān)剪力，其受力模式如圖3所示。該方案具有承載力高、抗疲勞性能好的特點。國內(nèi)學(xué)者對PBL剪力鍵的力學(xué)性能進(jìn)行了大量的試驗研究，如胡建華等[8]通過15組44個構(gòu)件試驗研究表明，其承載力與鋼板孔洞大小、貫通鋼筋的大小和強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度和箍筋強(qiáng)弱有關(guān)，并根據(jù)試驗結(jié)果提出簡化計算公式。張清華等[9]將PBL剪力連接件的荷載-滑移曲線作為鋼構(gòu)件和混凝土構(gòu)件的荷載及變形協(xié)調(diào)條件，建立了PBL剪力連接件群的荷載-滑移變形協(xié)調(diào)理論模型，并以該理論模型為基礎(chǔ)，提出了適用于PBL剪力連接件群傳力機(jī)理及其極限承載力研究的新方法。由于PBL剪力鍵承載力涉及的因素較多，相應(yīng)的各類計算公式也較為豐富，本文采用JTG D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》中PBL剪力鍵承載力公式進(jìn)行計算[10]。錨筋、端頭板、栓釘、槽鋼剪力鍵和PBL剪力鍵承載力計算規(guī)范公式分別如式（1）～式（5）所示。

圖3 PBL剪力鍵受力模式

計算時，端頭板錨固承載力尚需考慮端板剛度、尺寸等其他參數(shù)的影響，栓釘和槽鋼抗剪承載力公式見GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，PBL剪力鍵承載力公式見JTG D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》。

以文獻(xiàn)[5]中無端部承壓的PBL抗剪試驗為例，建立非線性有限元分析模型，以估算PBL剪力連接件的承載力。試驗?zāi)Ｐ偷膸缀螀?shù)如圖4（a）所示，厚度15 mm鋼板上設(shè)置單個直徑50 mm的穿孔，穿孔鋼筋直徑14 mm，混凝土等級為C45。試驗結(jié)果表明，其抗剪承載力極限值為235 kN。

根據(jù)式（5）計算得到其設(shè)計承載力為143.7 kN。建立有限元分析模型如圖4（b）所示，混凝土與穿孔鋼板均采用8節(jié)點實體單元模擬，穿孔鋼筋采用2節(jié)點桿單元模擬。穿孔鋼板和鋼筋材料均采用彈塑性模型，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4（c）所示，相關(guān)參數(shù)取值分別為E0＝200 GPa，b＝0.1，fy＝335 MPa。混凝土材料為塑性損傷本構(gòu)模型，材料的單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4（d）所示。穿孔鋼板與混凝土之間的接觸面均設(shè)置接觸對，接觸類型為硬接觸，摩擦因數(shù)取0.2。

圖4 試驗?zāi)Ｐ蛶缀螀?shù)與有限元分析模型

簡化起見，穿孔鋼筋與混凝土單元在對應(yīng)位置處共用節(jié)點，不考慮兩者之間的黏結(jié)滑移錯動效應(yīng)。試件混凝土的底部設(shè)置三向固定約束；穿孔鋼板單側(cè)節(jié)點耦合至截面形心節(jié)點，對該中心節(jié)點施加豎向位移邊界條件，以模擬穿孔鋼板相對混凝土的錯動。將穿孔鋼板下端承壓混凝土設(shè)置為線彈性材料并且相應(yīng)的彈性模量取值為規(guī)范值的1/10，以忽略PBL剪力鍵的端部承壓作用。

PBL剪力連接件的荷載-位移曲線如圖5所示。根據(jù)文獻(xiàn)[11]以相對滑移0.2 mm作為對應(yīng)的割線斜率為開孔板連接件抗剪剛度的取值方法，文中以0.2 mm位移對應(yīng)位置處荷載作為該PBL剪力鍵的抗剪承載力。由此計算得抗剪承載力為190.6 kN，位于試驗值（235 kN）與規(guī)范公式計算值（143.7 kN）之間。在一般情況下，規(guī)范公式的計算值往往偏于保守并且考慮一定的安全系數(shù)；上述有限元簡化模擬方法可以近似估算其承載力。在獲取單個PBL剪力連接件的荷載-位移曲線之后，建立整體結(jié)構(gòu)分析的有限元模型時，可以采用零長度的非線性彈簧進(jìn)行模擬；非線性彈簧的2個節(jié)點分別與鋼和混凝土交界面的對應(yīng)節(jié)點連接；該彈簧僅僅在選定的方向上發(fā)揮作用，而在其他方向上均釋放約束[12]。

圖5 荷載-位移曲線

錨固鋼板和槽鋼剪力鍵涉及較多的材料和焊接量，在此僅以錨筋、PBL剪力鍵和栓釘為例，對比三者的錨固承載力。假定四角鋼格構(gòu)柱的單肢角鋼上分別設(shè)置2根φ25 mm錨筋、4個φ25 mm栓釘、2根PBL剪力鍵，對應(yīng)的錨固力計算比對如表1所示。表1中，承臺混凝土等級為C35，錨筋與單肢軸線呈30°角，PBL剪力連接件開孔直徑為55 mm?？梢姡谏鲜鲥^固措施配置情況下，栓釘與PBL剪力鍵的錨固承載力基本一致，栓釘與PBL剪力鍵的錨固承載力可以達(dá)到錨筋錨固承載力的2倍。

表1 錨筋、栓釘、PBL剪力鍵承載力計算

根據(jù)角鋼格構(gòu)柱受力特點，在柱頂錯位設(shè)置雙層正交PBL剪力連接件，基本布置如圖6所示，角鋼格構(gòu)柱的單肢角鋼上相當(dāng)于2個PBL剪力連接鍵，分別位于角鋼的2個肢腳上。層間的間距l(xiāng)1及首層PBL剪力連接件鋼筋與角鋼端頭的距離l2建議均大于肢寬b與穿孔直徑dp之和。由于角鋼形心的偏心作用，穿孔鋼筋中心距肢背建議取值為0.4b，如圖6（c）所示。根據(jù)文獻(xiàn)[5]的試驗結(jié)果，端部混凝土對PBL連接件的縱向抗剪承載力具有很大的提高作用，因此在單肢角鋼上設(shè)置PBL剪力鍵后，在格構(gòu)柱受壓時，單肢角鋼端部混凝土局壓與PBL抗剪作用，可以提供很好的抗壓承載力。另一方面，格構(gòu)柱受拉時，單肢角鋼端部混凝土局壓缺失、依靠PBL抗剪作用，為格構(gòu)柱提供抗拉承載力。此外，角鋼格構(gòu)柱柱頂?shù)腜BL剪力連接件做法不涉及焊接作業(yè)，角鋼格構(gòu)柱端頭開孔可以在工廠內(nèi)加工完成，施工質(zhì)量高。建議基本構(gòu)造布置如圖6（d）所示。傳統(tǒng)錨筋做法涉及現(xiàn)場鋼筋焊接作業(yè)，需達(dá)到質(zhì)量控制要求才能提供相應(yīng)的錨固承載力。

圖6 格構(gòu)柱柱頂PBL連接方式示意

格構(gòu)柱與承臺基礎(chǔ)錨固的另一個重要方面是格構(gòu)柱的綴板與角鋼形成有效嵌固錨固作用，形成類似于無穿筋的PBL抗剪連接件。由于缺乏明確的計算方法，目前暫未將該作用計入承載力計算中。JGJ/T 187—2019《塔式起重機(jī)混凝土基礎(chǔ)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中就格構(gòu)柱的綴板是否需要伸入承臺內(nèi)以及數(shù)量均未做明確要求，從施工作業(yè)方便的角度出發(fā)，考慮到伸入承臺內(nèi)的綴板可能與承臺基礎(chǔ)底皮鋼筋沖突而取消該綴板。從構(gòu)造角度來說，至少有1塊綴板伸入承臺基礎(chǔ)內(nèi)。此外綴板不得與承臺基礎(chǔ)底層鋼筋沖突，此時格構(gòu)柱的每個側(cè)面可視為帶孔洞板件，混凝土芯柱穿過后，構(gòu)成PBL抗剪連接件基本要素，由此提供抗剪承載力，并且承臺基礎(chǔ)的底層鋼筋穿過綴板間，進(jìn)一步增強(qiáng)了上述抗剪承載力。因此，伸入承臺基礎(chǔ)內(nèi)的綴板應(yīng)根據(jù)承臺底皮鋼筋的位置及承臺厚度進(jìn)行調(diào)整，并且在施工過程中控制格構(gòu)柱的標(biāo)高。

3 結(jié)語

格構(gòu)柱與承臺錨固對格構(gòu)柱式組合塔吊基礎(chǔ)的安全性至關(guān)重要。本文首先總結(jié)了多種可行的錨固措施并進(jìn)行對比，其次引入橋梁工程中鋼-混凝土結(jié)合部的PBL剪力連接做法，將格構(gòu)柱頂與基礎(chǔ)承臺間的軸向力轉(zhuǎn)換為兩者之間的剪力，并給出一種格構(gòu)柱頂與基礎(chǔ)承臺間PBL錨固構(gòu)造建議做法。建立單孔PBL剪力連接件有限元簡化分析模型，計算結(jié)果位于規(guī)范計算值與試驗值之間。

文中對比算例表明，該PBL剪力連接件可以為格構(gòu)柱與基礎(chǔ)承臺間提供良好的錨固承載力，并且明顯優(yōu)于常規(guī)的焊接錨筋做法。