格构式塔吊基础的设计
2012-11-05齐延年
齐延年
(山西六建集团有限公司，山西太原 030024)
1 工程概况
太原市某地下车库，地下1层，建筑物采用框架—剪力墙结构，平面呈矩形。建筑物总高8．7 m，±0．00高程为786．65 m，室外标高为－1．050 m，地基采用天然地基，基础采用梁式筏板基础，基底标高－10．170 m。地下水位较高，地下水位在2．7 m～2．8 m之间，基坑支护采用钢筋混凝土灌注桩+内钢支撑。降水工程采用深井降水。
施工中设置一台5013型自升式塔式起重机，为了提高塔吊的利用率(土方开挖、钢支撑施工时使用塔吊)，加快施工进度，塔吊基础采用格构式塔吊基础。
2 设计依据
GB 50009-2001建筑结构荷载规范(2006年版);GB 50010-2002混凝土结构设计规范;JGJ94-2008建筑桩基技术规范;JGJ/T 187-2009塔式起重机混凝土基础技术规程;工程岩土工程勘察报告。5013自升式塔式起重机说明书。
3 计算参数
1)5013塔吊，在标准高度非工作状态下，作用于基础顶面的作用力为:垂直力V=430 kN，力矩M=1 910 kN·m，水平力H=85 kN。要求基础承载力200 kPa。2)塔吊基础设计尺寸为长4m×宽4m×厚1．25 m，C30混凝土，塔基基础顶标高－2．82 m(见图1)。3)塔吊承台下布设4根格构柱，格构柱截面尺寸为400 mm×400 mm，4L100×12，缀板采用360×250×10，间距650 mm。格构柱净长6．00 mm，格构柱锚入灌注桩内 2 400 mm，锚入塔吊基础内700 mm。4)格构柱下设钢筋混凝土灌注桩，C30混凝土，桩径800 mm，桩顶标高 －10．07 m，桩长23．00m，桩距取2．40m。灌注桩纵筋为HRB335级16Φ18，全长贯通，周边均匀配置，螺旋箍筋在格构柱插入部位为φ8@100，其余φ8@200。加强筋为HRB335级Φ16@2 000。5)地质状况。根据该工程岩土工程勘察报告，地质状况见表1。
表1 工程地质状况
4 格构柱验算
1)塔吊基础自重:G=4m×4m×1．25m×25 kN/m3=500 kN。
2)格构柱、基础承台所承受的风荷载标准值为:ωk=0．8βzμsμzω0=0．8 × 1．85 × 1．75 × 0．84 × 0．4 kN/m2=0．87 kN/m2。
图1 塔吊基础设计尺寸
3)格构柱、基础承台所承受的风荷载产生水平力、对格构柱产生的弯矩分别为:
当塔身沿塔基轴线方向倾覆时:
当塔身沿塔基对角线方向倾覆时:
4)当塔身沿塔基轴线方向倾覆时，以塔基底面为受力分析对象，受力简图如图2所示。
M风+M+V ×1．2m+G ×1．2m －2Fb×2．4m+H ×7．25m=0(以A为基点)。
得 Fa= －305 kN，Fb=770 kN。
5)当塔身沿塔基对角线方向倾覆时，竖向力V，G对格构柱产生的压力为F=(V+G)/4=(430 kN+500 kN)/4=232．5 kN。H，M对桩产生的力受力简图如图3所示。
图2 沿轴线倾覆受力简图
图3 沿对角线倾覆受力简图
则:
F1+F2=0。
F1×1．697－F2×1．697+M风+M+7．25 m ×H=0(以 C 为基点)。
F1=766．8 kN，F2= －766．8 kN。
则桩Fa，Fb受力为:
6)格构柱整体稳定性验算:
格构柱截面尺寸为400 mm×400 mm，4L10×12，缀板采用360×250×10，间距按650 mm。
格构柱长度L按6 m考虑。
则 λx=L/i=600/17．36=34．56。
λ1=40/1．95=20．51。
则格构式轴心受压构件 λ0x= √(34．562+20．512)=40．19，查表得:
最大承载力 N=φfA=0．899×9 120×210=1 721．76 kN ＞1 352．52 kN(可以满足设计要求)。
7)格构柱分肢长细比验算:
可以满足要求。
8)格构柱缀件所受剪力:
9)缀板所受弯矩和剪力为:
5 灌注桩承载力验算
根据地质勘察报告，采用钻孔灌注桩时，桩侧阻力、端阻力特征值见表2。
表2 桩侧阻力、端阻力特征值
桩顶标高拟定于－10．17 m，相对于自然地坪约－9 m。
5．1 灌注桩受压竖向极限承载力验算
桩径800 mm，桩长23 m，单桩竖向抗压承载力特征值为:
Quk=u∑qsikli+apskAp=3．14×0．8×(13×1．4+26×13+8．6 ×31)+3．14 ×0．4 ×0．4 ×325=2．512 × (18．2+338+266．6)+163．28=1 564．5+163．28=1 727．8 kN≥1 352．52 kN(可以满足设计要求)。
5．2 灌注桩抗拔竖向极限承载力验算
Tuk=up=3．14×0．8×(13×1．4×0．6+26×13×0．6+8．6 ×31 ×0．75)=1 039．14 kN≥841．02 kN(可以满足设计要求)。
5．3 灌注桩抗拔正截面受拉承载力验算
灌注桩配筋为HRB335级钢筋混凝土16Φ18。
γ0Nd≤fyAy。
γ0Nd=1 × 841．02=841．02 kN ＜ fyAy=300 N/mm2×4 069．44 mm2=1 220．83 kN，满足要求。
6 承台计算
角桩轴线位于塔机塔身柱的冲切破坏锥体以内，且承台高度符合构造要求，不进行承台角柱冲切的承载力验算。
沿塔吊基础对角线设暗梁(见图5)，暗梁配筋计算:暗梁截面800 mm×1 250 mm，混凝土强度为C30，钢筋采用HRB335，混凝土保护层厚度30 mm。
计算简图见图4。
图4 暗梁计算简图
图5 塔吊基础对角线剖面图
塔机对角线上立杆的荷载设计值:
6．1 受弯计算
A，B支座反力为:
最大弯矩在截面2位置:
弯矩设计值 M2=946．67 ×0．565=534．868 kN·m。
6．2 配筋计算(fcm弯曲抗压设计强度16．5 N/mm2)
查表得 γs=0．985 8。
按单筋截面计算。
配 6Φ22 钢筋 As=2 281 mm2＞1 519．81 mm2。
6．3 抗剪计算
最大剪力在B支座截面，剪力设计值V=946．67 kN。
ft=混凝土轴心抗拉强度1．5 N/mm2。
混凝土受剪承载力:
式中计算截面的剪跨比:λ =a/h0=0．565/1．19=0．474 ＜1．5，取 λ =1．5。
箍筋按构造要求配置，φ8@200(四肢箍)。
则暗梁配筋为:顶部钢筋为6Φ22，受力钢筋为6Φ22，箍筋为φ8@200(四肢箍)。
承台上下均配钢筋网，Φ20双向@165。竖向架立钢筋φ14@495。
7 塔吊基础说明
1)5013塔吊基础尺寸为长4 m×宽4 m×厚1．25 m，C30混凝土，塔基基础顶标高－2．82 m，沿基础对角线方向配置800×1 250暗梁，暗梁上部配6Φ22钢筋，下配6Φ22钢筋，箍筋 φ8@200(四肢箍)。承台上下均配钢筋网，Φ20双向@165，竖向架立钢筋φ14@495。
2)塔吊承台下布设4根格构柱，格构柱截面尺寸为400 mm×400 mm，4L100×12，缀板采用360×250×10，间距650 mm。格构柱净长600 mm，格构柱锚入灌注桩内2 400 mm(并与灌注桩主筋焊接)，锚入塔吊基础内700 mm。
格构柱间设水平撑及剪刀撑，均采用L100×12角钢，焊缝不得小于6 mm。
格构柱伸入工程承台内部时应设止水钢板，底部内封闭。
3)格构柱下设钢筋混凝土灌注桩，C30混凝土，桩径800 mm，桩顶标高为 －10．07 m，桩长23．00 m，桩距取为 2．40 m。灌注桩纵筋为HRB335级16Φ18，全长贯通周边均匀配置，螺旋箍筋在格构柱插入部位为φ8@100，其余φ8@200。加强筋为HRB335级Φ16@2 000。
4)土方开挖过程中应保护好组合式基础的格构式钢柱，土方开挖至－10．27时，应立即浇筑200 mm厚C15混凝土垫层(并掺入早强剂)，平面尺寸及位置同承台基础。
