复杂边界条件下异形塔式起重机基础设计施工

文秋实

(中建科工集团有限公司 广东深圳 518054)

0 引言

塔机基础主要根据塔式起重机混凝土基础工程技术规程(JGJ/T 187-2019)[1]设计计算，规范给出了板式、十字形及组合式基础的构造要求和计算方法，但对于更多异形的塔机基础形式，规范并无相关规定，需按照混凝土结构设计规范(GB 50010-2010)[2]和建筑地基基础设计规范(GB 50007-2011)[3]进行专项设计。

本文所指的塔机基础，是新建于地下室内的旧塔机基础之上，采用的一种“缺角”异形塔机基础设计。基此，本文主要探讨复杂边界条件下异形塔式起重机基础设计施工，期为类似施工提供借鉴。

1 工程概况

该工程塔机基础在主体结构施工至十层时，受钢结构变更影响，旧塔机运力不足，需更换新塔机。因新塔机基础节和预埋件规格与旧塔机不同，需重做新塔机基础。根据一般工程经验，新增的塔机基础可设置在地下室顶板上，采用钢格构柱高桩承台基础形式。但考虑到该工程新塔机基础的位置不便调整，又受限于各层地下室顶板预留孔洞的混凝土后浇工艺间歇时间，因此考虑将新塔机基础设于已建成的塔楼东南侧负三层地下室内的旧塔机基础之上。

旧塔机基础是利用负三层地下室底板作为基础，与地下室底板共同浇筑混凝土，地下室底板厚0.70m。旧塔机基础规格7.00×7.00×1.60m，C40混凝土强度等级，配C25@150双层双向钢筋、C16@450拉结上下两层钢筋，基础持力层为粉质粘土层，承载力特征值180kPa，基础底部有1根Φ1.2m人工挖孔灌注桩，桩长22.9m(-17.6m～-40.5m)，桩端持力层为微风化粉砂质泥岩，单桩竖向承载力特征值30 000kN，如图1～图2所示。

图1为新旧塔基立面位置关系示意图，图2为新塔基平面为位置示意图。

图1 新旧塔基立面位置关系示意图

图2 新塔基平面位置示意图

2 塔基载荷

新更换的新塔机型号为中联重科T600-25U，臂长70m，独立工作至第10个标准节、高度61.4m后转为附着式工作，最大工作高度约220m，此后塔吊顶升悬出自由段高度为31.15m，其弯矩小于61.4m自由端安装工况时的弯矩，塔吊最不利工况选取为61.4m自由端时工况，如表1所示。

表1 T600-25U型塔机70m臂长基础载荷[4]

3 初步设计与优化

根据使用情况，新塔机中心位置须与旧塔机重合。因新塔机基础四周有结构柱，其中塔机基础东南侧有1根0.7×0.7m的地下室结构柱，塔身与柱间距1.2m，柱中心与塔机中心仅2800m，因此新塔机基础规格不宜过大。塔基初步设计采用7.00×7.00×1.60m方形规格，结构柱与塔基冲突位置采用“缺角”设计，缺角处面积A=2.15×1.15=2.47m2，如图3所示。为保证塔基自身平衡，有必要对塔基“缺角”部位进行配重补强，对塔基基础尺寸进行优化：将临近结构柱的两条塔基基础边各增大0.5m，塔基调整为7.50×7.50×1.60m方形规格，结构柱与塔基冲突位置仍采用“缺角”设计，缺角处面积不变，如图3所示。

图3 塔基优化前后尺寸示意图

4 塔基受力验算及配筋计算

4.1 塔基冲击验算

塔机基础冲切力Fl不仅来自塔吊轴心向下的压力，也来自转动弯矩。当基础底面短边尺寸小于或等于柱宽加两倍基础或有效高度时，应按公式验算柱与基础交接处截面受剪承载力：

Vs=0.7βhpftA0

=0.7×0.84×1710×7.75

=7802.5kN

其中,h0=1.6m,

βhp=(800/h0)1/4h0=0.84,

ft=1710kPa,

A0取塔基缺角处最小截面面积4.85×1.6=7.76m2。

此时塔基所受冲切力不仅来自塔吊轴心向下的压力，也来自塔吊自身的转动弯矩,即61.4m高度工作工况下，塔基所受冲切力:

V=7170.1/(7/2)+2104.2

=4152.8kN<7802.5kN

61.4m高度非工作工况下，塔基所受冲切力:

V=5520.7/(7/2)+1719.4

=3296.74kN<7802.5kN

220m高度非工作工况下，塔基所受冲切力:

V=3638.8kN<7802.5kN。

故,1.6m厚度塔基满足冲切要求。

4.2 塔基配筋计算

选取塔基不同截面进行弯矩计算，如图4所示。

图4 塔基配筋计算示意图

MⅠ=(1/12)a12[(2l+a′)(pmax+p-2G/A)+(pmax-p)l]=1042kN·m,

MⅡ=(1/48)(l-a′)2(pmax+pmin-2G/A)=608kN·m,

其中W=7.5×7.5×7.5÷6=70.3m3,

Mk=7170kN·m,Fk=2104.2kN,

Gk=7.5×7.5×1.6×2=2250kN,

A=7.5×7.5=56.25m2,l=7.5m,a=3.75m,

a1=1.65m,a′=3.2m,b=5.85m,b′=4.2m。

对于一般混凝土基础，在受弯矩作用下，基础底部一般承受弯矩作用，基础底板钢筋计算公式：As=M1/0.9fyh0。

取最大弯矩进行钢筋截面积计算：

As=(7500-2650)×1600×0.15%=11 640mm2

另一方向的钢筋截面积计算：

按最小配筋率0.15%计算：

As=(7500-1650)×1600×0.15%=14 040mm2

《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)[2]和《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)[3]规定：扩展基础受力钢筋最小配筋率不应小于0.15%，底板受力钢筋的最小直径不应小于10mm，间距不应大于200mm，也不应小于100mm。墙下钢筋混凝土条形基础纵向分布钢筋的直径不应小于8mm，间距不应大于300mm；每延米分布钢筋的面积不应小于受力钢筋面积的15%。当有垫层时钢筋保护层的厚度不应小于40mm，无垫层时不应小于70mm。综合以上考虑，新塔机基础拟配C25@143双层双向钢筋、C12@286拉结上下两层钢筋。

4.3 塔基抗倾覆验算

基本荷载组合下塔机作用与基础底面倾覆力矩值计算公式：

M=1.4(Mk+Fh·h)；

塔基抗倾覆稳定性应符合：MD≥k1M。

其中：Mk为标准组合下塔机作用于基础顶面的力矩标准值；

Fh为标准组合下塔机作用于基础顶面的水平荷载标准值；

h为基础高度，取1.6m；

MD为塔基抗倾覆力矩；

k1为安全系数，取1.2。

61.4m高度工作工况下，塔基倾覆力矩k1M=1.2×1.4×(7170.1+51.1×1.6)=12183kN·m<塔基抗倾覆力矩MD=(7×7×1.6×25+2104.2)×7×0.5=14224.7kN·m，满足要求。

61.4m高度非工作工况下，塔基倾覆力矩k1M=1.2×1.4×(5520.7+200.6×1.6)=9814kN·m<塔基抗倾覆力矩MD=(7×7×1.6×25+1719.4)×7×0.5=12866.9kN·m，满足要求。

4.4 塔基抗扭转验算

塔吊扭转力相对于冲切、倾覆等作用力较小，但由于新塔基基础于原结构底板没有充分粘结，可能出现摩擦转动，故需对塔基抗扭转复核。计算时，新旧混凝土间的摩擦系数参照土体0.30取值。塔吊在非工作状态下扭转力为：

F=(7×7×1.6×25+1719.4)×0.3=1103.82kN

抗扭力矩为：

T=1103.82×[7.5/(2×2)]=1931.69kN·m>1034kN·m，满足要求。

4.5 塔基补强部位验算

对塔基形状优化补强后，应对塔基补强部位进行强度验算。

短边补强部位面积A1=2.425m2，可产生的抵抗弯矩MA1=(7.5/2-0.5/2)×A1×ρ×h×g=8.49phg>塔基缺角处面积A=2.4725m2可产生的抵抗弯矩MA=(7.5/2-1.15/2)×A×ρ×h×g=7.85phg；长边补强处面积A2=2.925m2，可产生抵抗弯矩MA2=(7.5/2-0.5/2)×A2×ρ×h×g=10.24phg>7.85phg；故,抗弯满足要求。

补强部位面积为A1+A2=5.35m2>A=2.4725m2，补强部位可产生的抗扭力矩大于原初步设计塔基，故抗扭满足要求。

5 原有结构受力复核

5.1 受力模型分析

基于新塔吊基础在原有混凝土底板上浇筑，支承面积远大于新塔吊基础面积，因此仅分析底板所受作用。底板一端受灌注桩非均匀支撑，偏于安全的角度，假设该区域土体与上部基础脱空，新浇筑基础及塔吊荷载完全由底板承担，底板远离灌注桩侧将受到较大剪切力作用，受力分析如图5所示。

图5 底板受灌注桩非均匀支承计算示意图

5.2 底板抗剪验算

新塔基重力G1=1960kN，旧塔基重力G2=2384kN。

220m高度工作工况下塔基弯矩为0，作用于原有结构底板上的作用力F=1.2×(1960+2384+3638.8)=9579.36kN；

满足要求。

61.4m高度工作工况下塔基弯矩7170.1kN·m，作用于原有结构底板上的作用力F=1.2×(1960+2384+2104.2)=7737.84kN；

弯矩M=7737.84×(7/2)=27 082.44kN·m；

满足要求。

61.4m非高度工作工况下塔基弯矩5520.7kN·m，作用于原有结构底板上作用力F=1.2×(1960+2384+1719.4)=7276.08kN；

弯矩M=7276.08×(7/2)=25 466.28kN·m；

满足要求。

5.3 灌注桩轴向力验算

原有结构的灌注桩基本仅承受轴向力作用，220m高度工作工况下作用于原有结构底板上的作用力F=1.2×(1960+2384+3638.8)=9579.36kN<双ZH6型单桩竖向承载力特征值30 000×2=60 000kN。

5.4 灌注桩处底板冲切验算

采用柱边冲切计算公式验算：

其中，c1=hc+h0/2,c2=bc+h0；

6 塔基施工

(1)施工前放样定位，确保塔基中心与旧塔基的重合。

(2)将旧塔基凿除面层混凝土，露出主筋与新塔基钢筋拉结，并将混凝土凿毛，清除尘土。

(3)充分利用旧塔基预埋件，将新塔基底部主筋与预埋件双面焊接，增强新旧塔基整体性。

(4)在塔基与相邻地下室结构柱间设厚度50mm的挤塑板，用于隔离塔基与既有结构柱。

(5)严格按设计图纸进行钢筋绑扎，绑扎完底部钢筋后及时安放马凳及预埋件；预埋件位置偏差不得超5mm，扭转偏差不得超0.5度。

(6)预埋件周围钢筋数量不得减少和切断，主筋通过预埋件确有困难时，允许主筋避让。

(7)混凝土振捣时尽可能避开预埋件，防止偏位，并安排专人全程采用全站仪监测，确保预埋件定位准确。

(8)为防止基础内外温差过大导致混凝土开裂，采取预埋冷却管、洒水养护及薄膜覆盖等措施进行温度控制，专人定期养护时间不少于14d。

7 结语

在工程实践中，起重机械的基础工程对起重机械的整体稳定性至关重要。由于施工现场环境条件及工程地质的复杂性，部分起重机械基础设计与制作制造商的基础设计有可能存在差异，需要根据塔机制造商提供的《塔基使用说明书》及现场工程地质等要求，综合考虑塔基基础形式并进行必要的计算复核。