水中构造柱型钢组合式塔吊基础的设计与施工

■黄华杰

(中交一公局厦门工程有限公司，厦门 361104)

1 工程概况

白沙快速出口路位于儋州、白沙境内，是海南省重大基础设施建设项目， 是白沙县的高速连接线，是白沙县城至儋州市区的快速通道，也是海南中西部区域的快捷旅游通道。 其中牙炳2# 大桥附近的地表水主要为一条河流， 位于K32＋150 处，河面宽约5～10 m，水深约0.6 m，流量约300 LS，由山间溪水及季节性降雨补给。K31+960～K31+995 m 处分布一山塘， 人工截水形成， 水深4～5 m， 淤积深1.5～2.5 m。

塔吊基础位于大桥左右幅9# 墩两承台之间，两承台边各设置2 根1.1 m×1.1 m×2.5 m C35 水下混凝土基础构造柱， 构造柱内设置矩形钢筋笼及锚筋，钢筋笼深入承台1 m。 基础采用钢平台+地脚螺栓形式，钢平台采用2HN700×300 mm 型钢（HN700×300×13×24 mm 加劲）焊接制作成“十”字梁，“十”字梁中间连接部除工字钢相互焊接外，底部和顶部各用1 块（800×800×30）mm 矩形钢板，中间连接后单面加3 块（200×200×30）mm 三角形劲板， 混凝土基础预埋钢板与 “十” 字梁用直径52 mm 的高强度螺栓满焊连接，钢平台结构如图1所示。

图1 塔吊基础钢平台结构

“十”字梁由双拼H 型钢（腹板加劲）并排焊接制作而成，根据塔吊地脚螺栓孔位，在“十”字梁上穿孔[1]，4 个可拆卸地脚与“十”字梁通过直径52 mm的高强螺栓连接， 且每个地脚用16 个七型板进行焊接加强（图2）。

图2 塔吊基础钢平台三维图

2 塔吊基础施工过程及其特点

塔吊基础的施工需先对已进场的高强螺栓、螺母、型钢、钢板进行验收、分类；再测量放样出4 个构造柱的边点， 并对构造柱预留钢筋进行调直；此外，构造柱预埋钢板和高强螺栓需提前加工，节约安装时间。

2.1 混凝土构造柱施工

2.1.1 混凝土构造柱钢筋笼安装

根据测量放样的边点对该区域进行凿毛处理，使凿毛区露出新鲜混凝土。 在施工承台时预埋混凝土构造柱钢筋，预埋深度1 m，并预埋带弯钩的锚筋以保证混凝土构造柱的抗倾覆能力。

2.1.2 混凝土构造柱模板安装

根据设计坐标放样出4 个混凝土构造柱的各个角点， 采用竹胶板及方木作为构造柱模板支撑，方木竖向25 cm 布置1 道， 横向50 cm 布置1 道（图3）。 构造柱混凝土采用C50 水下混凝土以保证构造柱的抗压能力。

图3 构造柱钢筋及模板安装

2.1.3 预埋件安装

预埋件为（1000×1000×20）mm 钢板+直径52 mm的高强螺栓（带弯钩）组合件，安装时需严格控制高强螺栓的间距、线性及高度，保证预埋钢板组合件在同一水平面上，以确保组合型钢梁能够顺利安装，保障塔机施工安全。 预埋钢板中心预留10×10 cm 的混凝土卸落孔（混凝土卸落孔如图4 所示），构造柱混凝土应振捣密实，保障基础施工质量[2]。

图4 预埋件安装

2.1.4 混凝土浇筑

构造柱模板安装加固后进行C35 混凝土浇筑，要求快插慢拔，以混凝土不在下沉表面泛浆为混凝土振捣完成的标准。 浇筑过程中需保护预埋高强螺栓丝口，防止混凝土污染丝口影响后期使用[3]。

2.2 水下塔吊施工地脚安装

此基础为水中施工环境，故先在栈桥上将4 个地脚安装在组合型钢上， 采用地脚螺栓进行固定（图5），再对基础节进行试装，若基础节顺利安装完成，则卸下基础节；若无法顺利安装，说明组合型钢梁没有放平或地脚与基础节不配套，应重新调整钢梁直至水平或检查地脚与基础节型号。

图5 地脚安装

2.3 组合型钢梁安装

（1）将构造柱预埋钢板混凝土残渣清除并进行打磨，保证预埋钢板平整光滑，将预埋高强螺栓外露丝口部分清理干净，保证钢梁与预埋钢板焊接质量、增强螺母的锚固力。 型钢梁吊装至构造柱预埋钢板时， 需注意预埋钢板位置预埋的高强螺栓群，避免型钢梁晃动撞击高强螺栓导致变形而影响受力[4]。 当钢梁落至构造柱预埋钢板后，采用4 台焊机同步对钢梁与预埋钢板接触面进行焊接， 连接方式为8 块（20×70×3）cm 钢板加劲焊接，避免单点施焊后应力集中引起钢梁变形。 焊接完成后在钢梁与构造柱接触位置采用3 根双拼I16 压梁和1 根3 拼I16 压梁进行锚固， 增强塔吊基础整体受力性能（图6）。

图6 压梁安装

（2）地脚与组合型钢梁进行满焊连接，每个地脚采用16 块七型板加强固定， 七型板接触点均满焊连接。

（3）在基础四周搭设检修平台，用圆钢及安全绿网设置临边防护，高度1.2 m，保证人员施工安全（图7）。

图7 组合型钢基础安装

3 基础稳定性设计及数值分析

3.1 塔机传递至基础荷载设计值

根据塔机的基本参数及传递至基础荷载的标准值计算塔机传递至基础荷载的设计值，结果见表1。

表1 塔机传递至基础荷载设计值

3.2 组合型钢梁强度验算

针对塔吊基础建立了MIDAS 有限元模型。 根据以上荷载设计值，对组合型钢梁强度采用MIDAS进行计算，组合型钢梁的弯应力如图8 所示。 其抗弯及抗剪结果为： 组合型钢梁弯应力为119 MPa＜205 MPa， 满足要求； 剪应力为71 MPa＜120 MPa（图9），满足要求。

图8 组合型钢梁弯应力计算

图9 组合型钢梁剪应力计算

3.3 组合型钢梁刚度验算

采用MIDAS 软件计算了组合型钢梁刚度，如图10 所示， 可以看出钢梁的最大挠度为1.83 mm＜L/800=6.43 mm，满足要求。

图10 组合型钢梁挠度计算

3.4 地脚螺栓验算

当螺栓受到剪应力时，根据荷载设计值对螺栓进行了验算：Nv=54.54 kN≤608.38 kN，符合要求。 当螺栓受到拉应力时， 对螺栓进行验算：Nt=345.274 kN≤1119 kN，满足要求。 当螺栓同时受到剪应力及拉应力时，对螺栓进行验算，验算结果满足要求。

3.5 双拼I16 压梁验算

组合型钢梁双拼型钢向上单侧反力q′=965 kN，则单根压梁承受荷载q=483 kN，压梁按简支梁模型计算，计算模型如图11 所示。

图11 压梁计算模型图

经过计算， 得到其最大弯应力δ=149 N/mm2＜215 N/mm2， 符合要求； 最大剪应力δ =47 N/mm2＜125 N/mm2，符合要求。

通过以上验算得知：本组合型钢钢梁式塔吊基础各主要构件强度、刚度、整体稳定性均符合要求，能够保障现场施工安全。

4 深水组合式塔吊应用效果

本组合型钢梁式塔吊基础应用于大桥1#、2#塔吊，由表2 可知，至今4 个地脚的累计沉降均不大于10 mm， 监测数据显示基础处于稳定状态，安全性高，具有较高的推广意义，尤其能解决深水环境中基础构造柱施工困难等问题。

表2 地脚累计位移观测结果

5 结语

钢梁塔吊基础具有结构简单、安装方便、提高劳动效率、节约材料成本、提高产品质量、节约生产工期等特点；通过对海南白沙项目的水中构造柱型钢组合式塔吊基础受力体系和施工过程的分析，得出以下结论：

（1）对于深水环境，相比于传统塔吊基础，采用大面积混凝土基础或插打多根钢管+型钢梁基础的操作更为简单，既能保证施工安全，避免大面积混凝土的使用，以及钢管柱插打可能遇到的垂直度、入土深度、复杂河床地质条件等问题，又能有效利用现有承台设置的4 根混凝土立柱， 大大节约了施工成本，提高了工作效率；同时很好地解决了深水基础构造柱的施工困难、 基础稳定性无法保障等问题。

（2）型钢梁与混凝土构造柱采用“焊接+栓接”双重加固措施，提高塔吊型钢与混凝土构造柱的整体受力性能，保障塔吊作业安全。 采用MIDAS 结构计算软件对该组合结构进行了设计验算，总结出水中塔吊的受力性能和施工要点，可为同类型水中塔吊的计算提供依据。