十字钢梁-钢管桩独立固定式塔机基础设计

郭志亚 叶晓平 广东建星建造集团有限公司技术质量中心，珠海 519000

现有的塔机多采用现浇式钢筋混凝土基础，主要形式有十字交叉梁式、十字交叉与正方形组合式、正方形板块式和四角墩式等。该基础形式体积尺寸较大，混凝土用量和配筋均很可观，且无重复利用价值，并且由于对原有结构的影响，一般需要在工程结束后凿除这些基础，造成费工费时及各种环境污染。

谭英辉为方便施工设计了一种考虑施工偏差且整体抗倾覆稳定性和构件自身抗扭性较好的变截面箱型装配式钢结构塔吊基础；利用MIDAS Civil软件对钢结构塔吊基础进行了整体分析计算，并按照相关规范规定对钢结构塔吊基础的节点、焊缝强度等进行了计算验证，计算结果均能够满足相关规范要求。本文提出了一种钢梁和钢管桩搭配的新型钢结构塔机基础，按照规范计算荷载设计值，利用Midas Gen钢结构设计功能对钢梁进行了设计，同时采用ABAQUS/CAE有限元建模进行了钢连接节点的设计和验算，本设计塔机基础不需要浇筑混凝土，现场安装工期短，施工方便。

1 钢结构塔机基础设计

十字钢梁-钢管桩基础通过十字交叉钢梁和钢管桩组合拼接而成，钢梁和钢管桩连接处采用锚栓连接和钢板焊接。十字形基础与塔式起重机之间采用高强螺栓摩擦型连接，从而形成全钢结构塔机基础并与塔机共同工作，可用于各种型号塔机的基础。

2 设计案例

2.1 设计资料

型号TC6513-6塔式起重机，臂长60m，最大吊重为6吨，最大吊高46m，距塔身中心距离为20.53m，塔身为型钢桁架，塔身桁架结构宽度为1.8m×1.8m，无加强节，结构充实率为0.35。塔机工作地点为珠海市，地面粗糙度为A类。基础设计的结构重要性系数取1.0。

参照规范，本塔机独立状态下的计算高度取下式计算所得数值：

2.2 基础荷载设计值计算

塔机基础的设计应按独立状态下的工作状态和非工作状态的荷载分别计算。塔机基础工作状态的荷载应包括塔机和基础自重（永久荷载）及覆土荷载、起重荷载（可变荷载）、风荷载（可变荷载），并应计入可变荷载的组合系数。其中起重荷载可不计入动力系数；非工作状态下的荷载应包括塔机和基础的自重及覆土荷载、风荷载。本塔机设计无覆土荷载。

2.3 基础形式

TC6513-6型塔式起重机基础由十字钢梁和四根钢管桩构成。钢梁采用H700×700×40×50型钢（每根钢梁由三块钢板焊接而成），交叉角为90°。钢管桩采用4根φ800×14mm螺旋钢管（Q345），4根呈正方形布置，钢管桩实际长度应根据具体工程地质条件确定。相邻桩中心距为4米。钢管桩顶焊900×900×40mm的方形钢板。基础平面布置简图见图1。

图1 塔机基础平面布置简图

2.4 加载工况

塔机弯矩和剪力沿对角线方向，扭矩等效为作用在支座a、b、c、d上的剪力，方向为与作用点到塔机中心的连线垂直，以下分别计算在工作状态和非工作状态下的塔基底支座a、b、c、d的反力。

2.4.1 工作状态

图2 （a） 工作-塔机倾覆力矩和弯矩引起的钢梁荷载示意图（竖直平面）

图2 （b） 工作-塔机风荷载 和扭矩引起的钢梁荷载 示意图（水平面）

2.4.2 非工作状态

图3 （a） 非工-塔机倾覆力矩和弯矩引起的钢梁荷载示意图（竖直平面）

图3 （b） 非工-塔机基底风 荷载引起的钢梁荷载 示意图（水平面）

2.5 十字钢梁验算与支座反力

水平力和扭矩不可忽略，钢梁受力较复杂，使用Midas Gen辅助设计，分别计算了把钢梁与桩基础连接视为不动铰支座和固定支座两种不同约束条件下，十字钢梁自重（组合时分项系数取1.3）和工作、非工作两种工况组合时十字钢梁的内力、应力、变形和支座反力。同时，使用钢结构设计功能对钢梁进行验算，均满足规范要求。

2.5.1 钢结构设计以及验算有关参数说明

1）十字钢梁采用2组H700×700×40×50型钢（焊接），交叉角为90°。

2）结构安全等级为二级，结构重要性系数γ0取1.0。

3）钢材使用Q235。

4）钢梁验算流程：按纯弯和拉/压弯验算结果取包络。

5）梁的挠度允许值取L/1000。

6）梁整体稳定的等效弯矩系数查钢结构设计规范：βb=1.75。

2.5.2 钢梁变形以及塔机倾角

图4 钢梁变形图

钢梁在荷载作用下发生变形，竖直方向上变形最大，水平面的变形很小，可以忽略不计。钢梁上塔机的支撑点（a、b、c、d）处的竖直方向上变形最大。为了保证塔机能够平稳地工作，不发生过大的倾斜和侧移，塔机的竖向变形不能太大，本设计控制在1/1000以内。

钢梁在不动铰和固定两种支座形式下的钢梁最大变形以及塔机与水平面的倾角α的正切值tanα见下表。

钢梁变形与塔机倾角

2.5.3 钢梁加固

钢梁制作过程中存在的缺陷和实际荷载可能存在微小偏心，为防止钢梁发生局部失稳，钢梁适当采用加劲板加固，在a、b、c、d处采用横向和纵向加劲板加固，同时钢梁全长采用横向加劲板加固。

2.5.4 支座反力

塔机在工作状态和非工作状态中，当塔机起重臂方向转至标准节对角线方向时，塔机基础支脚此时承受最大支反力，其中一支脚承受最大向下压力，另一支脚承受最大向上拉力。十字钢梁与桩基础连接视为不动铰支座和固定支座两种不同约束条件下的支座反力。

2.6 钢梁与钢管桩顶连接设计与验算

考虑工程实际，钢管桩与钢梁按更不利状态设计，即按固定连接设计，即视基桩为固定支座来进行连接设计和验算。非工作条件下，塔机基础受力更加不利。

钢管桩顶焊钢梁与钢管桩主要通过4根φ32mm精轧螺纹钢和4块“凹”字形加劲板（十字钢梁两侧各2块）和4块“7”字形加劲板（十字钢梁前后各2块）进行连接；“凹”字型加劲板通过焊脚高度为10mm，长度为0.5米的焊缝分别与钢梁和钢管连接；“7”字型加劲板通过焊脚高度为10mm，长度为0.5米的焊缝分别与钢梁和钢管连接。

2.6.1 连接处加劲板焊缝验算

连接处焊缝荷载主要为抗拔力（竖向拉力和弯矩引起）。

焊缝最大应力：

焊缝满足要求，仅考虑加劲板加固基本满足抗拔力作用下受力要求，精轧螺纹钢锚栓作为安全储备设置。

2.6.2 钢连接节点有限元分析

随着有限元理论不断完善，有限元法成为最成熟和有效的数值分析方法。有限元分析是塔机结构分析的重要手段，其计算结果不仅详尽，而且更具可靠性。钢梁和钢管桩的连接实际上是处于三向复杂应力作用下的，为确保连接在最不利工况下能够正常工作、受力安全，使用ABAQUS/CAE有限元分析软件对连接处受力进一步分析。

图5 ABAQUS连接受力分析结果（单位：MPa）

在ABAQUS/CAE软件中，建立钢连接节点三维几何模型，除锚栓外（锚栓作为安全储备，建模时不考虑），其余部件几何均为一体，使用Tie命令模拟部件之间的焊缝链接。导入Midas的钢梁内力分析结果，分析计算连接在固定支座非工作条件下连接的应力。其中，受拉支座连接处应力最大，为127.2MPa，出现在钢管内侧上边缘，连接强度满足要求。