谈深厚软土地基条件下塔吊基础的设计和施工

郑 刚

0 引言

近年来塔吊事故频发,究其原因,主要为塔吊基础设计不合理和施工存在问题。塔吊基础的设计和施工必须从实际出发,充分考虑工程特点及所在区域特征。该文结合工程实例,介绍本人在该工程深厚软土地基条件下进行塔吊基础设计和施工的方法。

1 工程概况

该工程位于上海外高桥保税物流园区,由两层丙类仓库(现浇钢筋混凝土框架结构、轻钢屋面)、单层戊类仓库(轻钢结构)组成,总建筑面积 29 400m2,考虑到丙类仓库占地面积大(长×宽= 100m×96m),上部结构特点及该塔吊主要为吊运材料(其中单件钢构件重小于 2 t)等,选两台JT5613型自升塔式起重机可满足施工需要。

2 塔吊基础设计

2.1 设计方案的确定

塔吊基础设计前,应研究建筑、结构图纸,综合考虑工程实际,按施工组织设计进行选型、优化布置,既能满足施工要求,又要经济。塔吊基础可分为天然地基上的扩展基础、软土换填后的扩展基础及桩承台基础。据本工程地质报告知属深厚软土地基(见表 1):选天然地基上的扩展基础,承载力不满足;选软土换填后的扩展基础,换填深度达 15.9m,造价高;而选桩承台基础,可解决上述问题。地表下土层为粘性土、粉土、淤泥层等,淤泥层较厚,而第⑥层为粉土或砂土,土质较好,土层较厚(7.7m),端阻力、侧阻力较大,结合本工程基础的持力层承载力、标高等,选该土层为持力层,基础桩拟采用PHC-400-85型管桩,桩长28 m,桩端置于第⑥层土上。

表1 各土层厚度及阻力标准值

2.2 塔吊资料

塔吊JL5613最大幅度56m,最小幅度2m,最大起重量6 t,本工程起重高度28m,工作起升速度80m/m in,全起自重53.97 t,额定起重力矩950 kN◦m,截面尺寸1.51m×1.51m,所处城市:上海,基本风压Wo=0.55 kN/m2,风荷载高度变化系数μz=1.226。基础荷载:垂直压力P1:工作状况540 kN,非工作状况480 kN;水平压力P2:工作状况50 kN,非工作状况80 kN;弯矩M:工作状况1 720 kN◦m,非工作状况 1 930 kN◦m;扭矩Mk:工作状况260 kN◦m,非工作状况0 kN◦m。

2.3 塔吊基础设计计算

塔吊基础设计是一项专业工作,其设计荷载取值应考虑塔吊自重、吊重、风荷载等因素,且与其型号、构造有关,取不同工况下的最不利组合作为设计荷载。

认真研究塔吊使用说明书,基础设计应满足塔吊工况下的抗倾覆、竖向荷载、水平力、扭矩的要求。如果说明书中仅有重力式塔吊基础图纸时,应据该图纸及地基承载力要求,按同类工况塔吊的技术参数作相应换算,然后进行设计。

据塔吊 JL5613使用说明书及现场实际,确定混凝土承台平面尺寸:5.5m×5.5m,承台高1.4m,承台混凝土采用C30,钢筋采用HRB335,保护层:底层为70mm,其余均为40mm(见图1)。

2.3.1 单桩桩顶竖向力设计值计算

对单桩受力而言,一般塔吊在非工作状态下最大自由高度时,作用在承台顶面的弯矩最大(为受力最不利状态),注意对同一型号的塔吊,若生产厂家不同,其荷载参数也可能不同,所以塔吊荷载应以生产厂家提供的为准。

单桩桩顶竖向力按塔臂与承台边成 45°夹角时,倾覆力矩 M产生的压力或拔力由一桩承担计算:

最大压力:Ni=(480+1 059)/4+(1 930+80×1.4)×2.55/ (2.552+1.272×2)=919.9 kN。

最大拔力:Ni=(480+1 059)/4-(1 930+80×1.4)×2.55/ (2.552+1.272×2)=-150.41 kN。

2.3.2 桩长验算

设桩长28m,据JGJ 94-2008建筑桩基技术规范第5.3.5条及地质报告(见表2),取qpk=3 000 kPa,qs1k=15 kPa,qs2k=15 kPa, 6m以下qs3k=15 kPa或6m以上qs3k=50 kPa,qs4k=30 kPa,qs5k= 25 kPa,qs6k=35 kPa。

由QUK=QSK+QPK=U∑qsikli+qpkAp得单桩竖向极限承载力标准值N=1 722 kN＞919.9 kN(满足)。

表2 桩基承载力设计参数表

2.3.3 塔机抗倾覆验算

(1 930+0.55×1.51×28×15.4×0.8+80×1.4)/(480+ 1 059)=1.51≤5.5/3=1.83(满足)。

注:上海50m以下风荷载平均值为0.55 kN/m2;塔吊迎风面面积(1.51×28)m2,其有效面积系数取 0.8;重心到基础地面有效距离取15.4m。

2.3.4 桩抗拔验算

150.41 kN(满足)。

2.3.5 矩形承台弯矩及截面主筋计算

按塔臂与承台边平行时,倾覆力矩M产生的压力或拔力由两根桩承担计算:

据KM=0.9h0fyAs,得As=KM/(0.9h0fy)(fy=300 N/mm2,K取1.4)。

2.3.6 承台受冲切承载力验算

承台边冲切,roF1≤[βox(bc+aoy)+βoy(hc+aox)]ftho。

ft=1.5N/mm2,aoy=aox=0.805mm,λ=aox/ho=0.805/1.3= 0.619,βox=0.72/(λ+0.2)=0.879,即2×2×0.879×(1.51+ 0.805)×1 500×1.3=15 872 kN＞F=4×[480/4+(1 930+80× 1.4)/(2×1.8)]×1.4=3 849 kN(满足)。

角桩向上冲切,roN1≤2[β1x(C2+a1y/2)+β1y(C1+a1x/2)]ftho。

β1x=β1y=0.805,βox=0.48/(λ+0.2)=0.586,C1=C2= 0.95+0.24=1.19,即2×2×0.586×(1.19+0.805/2)×1 500× 1.3=7 279 kN＞Nmax=919.9 kN(满足)。

2.4 矩形承台截面抗剪切计算

斜截面受剪承载力满足:Y0V≤βfcb0h0+1.25fyAsvh0/s。

其中,Y0=1.0;β=0.05;fc=15 N/mm2;fy=300 N/mm2;箍筋间距 s取400mm,梅花放置;经计算,承台满足抗剪要求,只需配箍筋 φ12@400,内部抗裂构造筋φ8@300(水平)。

3 塔吊基础施工

3.1 桩基施工应注意的问题

1)依据施工方案、施工图纸,先对塔吊基础桩准确定位,沉桩时应注意桩帽、桩身和送桩中心应重合,插入桩身的垂直度偏差不超过0.5%,沉桩时速度一般不宜超过2m/m in。

2)电焊接桩:当下节桩离地面0.8m～1.5m时吊上节桩,上下节桩须校正桩身垂直度,中心对准后方可焊接。焊接前,法兰盘表面清除干净,焊接时两人对角同时对称焊接(减小变形和残余应力)。采用CO2保护焊,焊缝要连续饱满。

3.2 基础预埋螺栓安装应注意的问题

1)塔吊基础见图 2,由 16个 φ48的螺栓组成,预埋螺栓定位须准确,螺栓中心位置偏差应控制在 5 mm以内,定位后 4个角、上部须固定牢固,底部须穿两根钢筋连接成整体。

2)因塔吊属较高设备,必须防雷接地,要求从桩帽上预留两根-40mm×4mm扁钢成对角布置(保证螺栓与桩帽连接),待塔吊安装后再与塔身连接。

3.3 钢筋安装

严格按设计、规范要求施工,尤其内部防裂钢筋安装要到位(拉钩、对拉杆等均能防止混凝土内部受力破坏);桩上部钢筋用于抗拔的锚固,必须焊接牢固;桩芯内钢筋笼按图集施工。

3.4 混凝土浇筑及养护

基础隐蔽工程经验收合格后浇混凝土,在浇筑过程中必须采取措施避免预埋螺栓移动,浇筑混凝土必须振捣密实,严格按塔吊使用说明书控制基础表面的平整度(其直接影响塔吊垂直度),为保证中间不积水,中间向周围设 1.5/1 000的坡度,混凝土浇筑完毕后须加强养护。

本塔吊基础设计和施工为工程实例,整个施工工期运行良好。

4 结语

1)在进行塔吊基础设计时,应结合工程实际及土层地质特点、当地气候特征等选择设计方案,应以正规塔吊厂家提供的塔吊资料为依据,认真研究使用说明书,基础设计须满足塔吊工况下的抗倾覆、竖向荷载、水平力、扭矩等要求;2)一般而言,在土层地质条件较差,特别是深厚软土地基中的塔吊基础设计,宜优先采用桩承台基础;3)严格按施工方案、塔吊厂家及现行规范要求进行施工,确保工程安全。

[1] GB 50007-2002,建筑地基基础设计规范[S].

[2] GB 50202-2002,地基与基础工程施工验收规范[S].

[3] GB 50204-2002,混凝土结构设计规范[S].

[4] GB 50204-2002,混凝土结构工程施工及验收规范[S].

[5] JGJ 94-2008,建筑桩基技术规范[S].

[6] GB/T 13752-92,塔式起重机设计规范[S].

[7] JGJ 33-2001,建筑机械使用安全技术规程[S].

[8] JG/T 100-1999,塔式起重机操作使用规程[S].