塔式起重機(jī)基礎(chǔ)配筋優(yōu)化分析

高俊峰，陳 青，劉欣璐

(遠(yuǎn)洋國際建設(shè)有限公司，北京 100020)

0 引言

塔式起重機(jī)是現(xiàn)代建筑施工中主要的大型施工機(jī)械之一，塔式起重機(jī)基礎(chǔ)是為確保塔式起重機(jī)安全正常運(yùn)行工作設(shè)置的臨時專用基礎(chǔ)。

在建筑施工現(xiàn)場平面布置中，塔式起重機(jī)既可布置于建筑基坑外，也可布置于建筑基坑內(nèi)。根據(jù)塔式起重機(jī)基礎(chǔ)位置土質(zhì)及其他條件，塔式起重機(jī)基礎(chǔ)可采用天然地基基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)。

塔式起重機(jī)廠家給出的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)一般是以天然地基承載力滿足一定條件設(shè)計的基礎(chǔ)，通常為邊長6m左右、厚>1m的鋼筋混凝土實心體。

1 決定塔式起重機(jī)基礎(chǔ)尺寸因素分析

塔式起重機(jī)對基礎(chǔ)產(chǎn)生的作用有豎向荷載(塔式起重機(jī)自重及吊重)、水平荷載(風(fēng)荷載)、傾覆力矩和扭矩，如圖1所示。決定塔式起重機(jī)基礎(chǔ)尺寸的因素主要有以下3個。

1)地基承載力

塔式起重機(jī)基礎(chǔ)在豎向荷載、水平荷載、傾覆力矩和扭矩及基礎(chǔ)自重共同作用下，屬于偏心荷載受力狀態(tài)。

采用天然地基時，塔式起重機(jī)基礎(chǔ)所受的地基反力分布情況多如圖2所示，塔式起重機(jī)基礎(chǔ)對地基產(chǎn)生的作用應(yīng)符合GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》第5.2.1條要求，即：

pk≤fa

(1)

pkmax≤1.2fa

(2)

式中：pk為軸心荷載作用下，相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時，基礎(chǔ)底面處的平均壓力值；fa為修正后的地基承載力特征值；pkmax為偏心荷載作用下，相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時，基礎(chǔ)底面邊緣的最大壓力值。

2)塔式起重機(jī)的抗傾覆驗算

塔式起重機(jī)處于附著/未附著或工作/非工作狀態(tài)時，其對基礎(chǔ)的作用除豎向力、水平力外，還有較大的傾覆力矩。

因此，塔式起重機(jī)基礎(chǔ)需有足夠的尺寸和質(zhì)量，以滿足其在豎向荷載、水平荷載、傾覆力矩和扭矩及基礎(chǔ)自重共同作用下的抗傾覆驗算。

由于塔式起重機(jī)傾覆力矩是任意方向的，因此，應(yīng)進(jìn)行x，y向及45°方向抗傾覆驗算。

抗傾覆驗算應(yīng)滿足：

Mk/Mq≥1.6

(3)

Mk=(Fv+G)×0.45b

(4)

Mq=M+Fnh

(5)

3)塔式起重機(jī)基礎(chǔ)在地基反力作用下的承載力驗算(抗彎、抗剪)

理論上講，塔式起重機(jī)基礎(chǔ)在地基反力作用下的承載力驗算(抗彎、抗剪)也是決定其尺寸的影響因素。但根據(jù)常用塔式起重機(jī)基礎(chǔ)配筋圖可知，配筋率一般為0.2%左右，遠(yuǎn)小于最大配筋率2.5%，這說明影響塔式起重機(jī)基礎(chǔ)尺寸的關(guān)鍵因素是地基承載力和抗傾覆驗算。

2 現(xiàn)行塔式起重機(jī)基礎(chǔ)配筋及存在的問題分析

如前所述，采用天然地基時，塔式起重機(jī)基礎(chǔ)尺寸主要是由地基承載力和抗傾覆驗算決定的。圖3所示為建筑工程施工常用的W6015(中聯(lián))塔式起重機(jī)在地耐力為140kN/m2條件下的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)尺寸和配筋圖。

由圖3可知，塔式起重機(jī)基礎(chǔ)上、下層鋼筋采用了完全相同的配筋?？v觀塔式起重機(jī)基礎(chǔ)受力，其所受外力主要來自于塔式起重機(jī)豎向荷載、水平荷載、傾覆力矩及地基土給予的反力，此受力狀態(tài)與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中柱下獨(dú)立基礎(chǔ)受力完全等同，如圖4所示，常用的獨(dú)立基礎(chǔ)(臺階式和斜坡式)標(biāo)準(zhǔn)配筋形式如圖5，6所示。

獨(dú)立基礎(chǔ)受力狀態(tài)決定了獨(dú)立基礎(chǔ)作為周邊自由的受彎、剪構(gòu)件不會產(chǎn)生負(fù)彎矩。因此，常用的臺階式或斜坡式獨(dú)立基礎(chǔ)均未在基礎(chǔ)上側(cè)配置水平鋼筋，這與基礎(chǔ)受力是完全吻合的。同理，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，板類構(gòu)件上層鋼筋采用分離式配筋，即板類構(gòu)件受壓區(qū)不配置受力鋼筋，如圖7所示。

目前塔式起重機(jī)廠家給出的天然地基條件下標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)配筋圖中，受壓區(qū)(上側(cè))均采用與受拉區(qū)(下側(cè))相同的鋼筋，造成了浪費(fèi)。

實際上，塔式起重機(jī)基礎(chǔ)作為大截面受彎構(gòu)件，無須在受壓區(qū)配置與受拉區(qū)相同的鋼筋，雖然多配筋對于安全是有利的，但造成了不必要的浪費(fèi)，是不合理的配筋設(shè)計。

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)》中第5.2.3條明確規(guī)定上層鋼筋截面面積不宜小于下層鋼筋截面面積的一半。考慮塔式起重機(jī)基礎(chǔ)的重要性，該條文規(guī)定較《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》第8.2節(jié)的規(guī)定略高。塔式起重機(jī)基礎(chǔ)在傾覆力矩作用下，受到塔式起重機(jī)錨栓等的上拔力作用，產(chǎn)生負(fù)彎矩，故規(guī)定基礎(chǔ)架立筋的截面面積不宜小于受力筋截面面積的一半，必要時主筋宜上下對稱配筋。

筆者認(rèn)為塔式起重機(jī)立柱在傾覆力矩的作用下，對基礎(chǔ)產(chǎn)生向上拉力，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的抗拔設(shè)計和驗算，而不應(yīng)通過加大基礎(chǔ)上層鋼筋等非主要影響因素實現(xiàn)，避免增加不必要的成本。

3 塔式起重機(jī)基礎(chǔ)配筋優(yōu)化建議

首先需要說明的是，本文提出的塔式起重機(jī)基礎(chǔ)配筋優(yōu)化建議是針對天然地基條件下的塔式起重機(jī)基礎(chǔ)，因場地條件、地基承載力等因素采用樁基礎(chǔ)或在內(nèi)支撐基坑支護(hù)條件下，塔式起重機(jī)基礎(chǔ)在基坑內(nèi)采用格構(gòu)式柱和樁基礎(chǔ)時，需進(jìn)行專門的受力分析和設(shè)計。

根據(jù)前述天然地基條件下的塔式起重機(jī)基礎(chǔ)受力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計中獨(dú)立基礎(chǔ)配筋，可對目前塔式起重機(jī)廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)配筋進(jìn)行以下優(yōu)化設(shè)計。

1)上層鋼筋優(yōu)化

上層鋼筋按照下層鋼筋配筋間距雙向布置，但上層鋼筋僅按構(gòu)造配筋，鋼筋直徑調(diào)整為12，14mm即可。將上層鋼筋與下層鋼筋采用相同間距布置，是為了方便布設(shè)基礎(chǔ)抗沖切驗算需配置的豎向拉結(jié)筋。

2)下層鋼筋優(yōu)化

由于塔式起重機(jī)基礎(chǔ)是以塔身為中心的懸臂受彎構(gòu)件，因此，基礎(chǔ)下層鋼筋可按彎矩分布進(jìn)行優(yōu)化。地基反力對基礎(chǔ)產(chǎn)生的彎矩在基礎(chǔ)邊緣為0，在基礎(chǔ)中心區(qū)域最大。參考結(jié)構(gòu)設(shè)計中獨(dú)立基礎(chǔ)優(yōu)化配筋做法，將下層鋼筋長度縮減為通長配筋的90%，采用鋸齒形布置方式，如圖8所示，基礎(chǔ)下層鋼筋可減少10%的配筋量。

以W6015(中聯(lián))塔式起重機(jī)在地耐力140kN/m2條件下的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)配筋為準(zhǔn)，將塔式起重機(jī)基礎(chǔ)上層鋼筋由φ25調(diào)減為φ12后，可節(jié)約鋼材912kg，如果下層鋼筋按前述方法進(jìn)行優(yōu)化，可節(jié)約鋼材118kg。以目前的鋼材價格和人工費(fèi)用計算，每臺塔式起重機(jī)基礎(chǔ)可節(jié)約6 500元。

4 塔式起重機(jī)基礎(chǔ)配筋優(yōu)化應(yīng)用實踐及推廣應(yīng)用前景

自2015年開始推進(jìn)塔式起重機(jī)基礎(chǔ)配筋優(yōu)化以來，按上述方法共優(yōu)化了300多臺塔式起重機(jī)基礎(chǔ)配筋，代表性工程優(yōu)化結(jié)果如表1所示，優(yōu)化后的基礎(chǔ)安全可靠。

表1 塔式起重機(jī)基礎(chǔ)配筋優(yōu)化代表性工程

建筑行業(yè)對資源的消耗是巨大的，1臺中小型塔式起重機(jī)基礎(chǔ)配筋優(yōu)化可節(jié)約鋼筋1 030kg，全國每年十幾億m2的建筑竣工交付，如果50%的塔式起重機(jī)基礎(chǔ)采用天然基礎(chǔ)，按2萬m2建筑面積配置1臺塔式起重機(jī)算，可進(jìn)行基礎(chǔ)配筋優(yōu)化的塔式起重機(jī)為30 000～40 000臺，可節(jié)約2.1～2.8億元的費(fèi)用。

5 結(jié)語

1)現(xiàn)行塔式起重機(jī)廠家提供的塔式起重機(jī)基礎(chǔ)配筋圖存在明顯的過度配筋現(xiàn)象，特別是基礎(chǔ)上層鋼筋采用與基礎(chǔ)下層鋼筋相同面積的配筋。

2)本文建議的塔式起重機(jī)基礎(chǔ)配筋優(yōu)化僅適用于天然地基條件下的塔式起重機(jī)基礎(chǔ)，不適用于樁基礎(chǔ)條件下的塔式起重機(jī)基礎(chǔ)。

3)塔式起重機(jī)基礎(chǔ)配筋優(yōu)化包括上、下層鋼筋優(yōu)化。上層鋼筋可按受壓區(qū)構(gòu)造配筋，下層鋼筋可參考結(jié)構(gòu)工程設(shè)計中混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)配筋，按間隔布置方式進(jìn)行鋼筋布置。