塔吊基礎格構柱穩定性計算及影響因素分析

郭銀龍

上海建工一建集團有限公司 上海 200120

1 工程概況及塔吊選型分析

南京世茂G11項目商辦分期酒店式公寓總承包工程位于南京市建鄴區，為1棟超高層酒店公寓，占地面積約3 500 m2，總建筑面積約138 000 m2。本工程結構形式為鋼筋混凝土框架核心筒結構，外框為鋼立柱。塔樓地上66層，總建筑高度約260 m，主體區域地下4層，局部有地下夾層。

工程前期地下室一柱一樁鋼柱已經施工完成，均為方管柱和圓管柱，布置于－19.00～－0.15 m標高范圍；我公司進場施工的上部結構鋼立柱共分30個吊裝分段，1～9層分1層一段，10～25層分2層一段，26層及以上分3層一段。根據分段，其中1～9層的鋼柱質量最大，為9.5～17.2 t。

針對南京世茂G11工程的地質及水文條件，為滿足前期現場施工進度及質量較大鋼構件的吊裝需要，在塔吊施工的前期策劃中擬采用高樁承臺塔吊基礎，采用的塔吊型號為ZSC600-30T塔吊，其30 m作業半徑能夠覆蓋現場質量較大的鋼構件堆場，額定起重量20.5 t，滿足施工吊裝要求。

2 高樁承臺塔吊基礎概述

高樁承臺塔吊基礎一般采用樁基礎，通過混凝土承臺把上部荷載傳遞到承臺下部的格構柱上，再通過格構柱把荷載傳遞到樁基礎上。樁基礎一般采用混凝土灌注樁，內插鋼筋籠及格構柱。隨著基坑土方開挖的進行，格構柱的獨立懸臂高度增加，在格構柱外側設置豎向及橫向剪刀撐，將格構柱分肢連接為整體（圖1）。

圖1 塔吊基礎剖面示意

高樁承臺塔吊基礎結構采用4根φ1 000 mm的混凝土灌注樁，灌注樁中心距為3.5 m，有效樁長度為42.73 m，樁底標高為－65.33 m。樁身混凝土強度等級為C30，在灌注樁內配置的主筋為14φ25 mm，鋼筋型號為HRB400；螺旋筋為φ8 mm@200 mm，鋼筋型號為HRB335；樁混凝土保護層厚度為50 mm。在4根混凝土灌注樁中均插入格構柱，將格構柱與灌注樁的主筋進行焊接。

格構柱截面邊長為550 m，分肢材料為200 mm×20 mm等邊角鋼，綴件材料為500 mm×400 mm×14 mm，綴板間凈距為400 mm，分肢材料利用綴板進行焊接連接。格構式鋼柱長度為21.2 m，自重為110 kN，下部錨入灌注樁的長度為3 m，上部錨入混凝土承臺，承臺高度為1.8 m，其錨入深度為900 mm。

3 格構式鋼柱受壓穩定性計算

在高樁承臺的塔吊基礎受力計算中，塔吊承臺、灌注樁的受力比較容易滿足要求，主要問題是格構式鋼柱的受壓穩定性驗算。當基礎底板施工時，格構式鋼柱獨立懸臂高度最大，此時是最不利的塔吊受力情況，只要該情況下的格構式鋼柱受壓驗算滿足要求即可。

3.1 設計標準值取定

1）計算中采用的塔吊型號為ZSC600，考慮工作狀態下塔吊的豎向荷載設計值、水平荷載設計值、傾覆力矩設計值、承臺及其上土的自重荷載設計值后，荷載效應基本組合偏心豎向力作用下的Qmax=3 370.034 kN。

2）格構柱分肢材料200 mm×20 mm等邊角鋼，其截面積A0=76.5 cm2，對最小剛度軸的回轉半徑iy0=3.93 cm，分肢平行于對稱軸的慣性矩I0=2 867.3 cm4，分肢形心軸距分肢外邊緣距離Z0=5.69 cm，分肢材料屈服強度fy=235 MPa，抗拉、壓強度設計值f=215 MPa。

3.2 格構式鋼柱換算長細比驗算

整個格構柱截面對x、y軸慣性矩I=4[I0＋A0(a/2－Z0)2]=157 026.087 cm4。

整個構件長細比λx=λy=H0/[I/(4A0)]0.5=93.586。分肢長細比λ1=l01/iy0=10.178。

分肢毛截面積之和A=4A0=30 600 mm2。

格構式鋼柱繞兩主軸的換算長細比λ0max=(λ2x＋λ21)0.5=94.138，λ0max=94.138≤[λ]=150，滿足要求。

3.3 格構式鋼柱分肢的長細比驗算

λ1=10.178≤min（0.5λ0max，40）=40，滿足要求。

3.4 格構式鋼柱受壓穩定性驗算

λ0max(fy/235)0.5=94.138。查GB 50017—2017《鋼結構設計規范》中的附錄C“b類截面軸心受壓構件的穩定系數”，得φ=0.594，Qmax/(φA)=185.407 MPa≤f=215 MPa，滿足要求。

4 分析影響格構式鋼柱穩定性的因素

在塔吊基礎的格構柱長度、材質一定的情況下，利用品茗安全計算軟件對不同情況下的塔吊基礎的格構式鋼柱進行計算，分析影響其穩定性的因素[1-3]。

4.1 灌注樁的樁徑

在塔吊基礎的4根混凝土灌注樁中插入格構柱，灌注樁的樁徑大小將影響格構柱的允許最大截面尺寸，從而影響截面慣性矩和長細比。如直徑為1 100 mm的灌注樁允許格構柱的最大截面尺寸為600 mm，而1 000 mm的灌注樁允許格構柱的最大截面尺寸為550 mm。故灌注樁的樁徑是影響格構柱穩定性計算的因素。

4.2 樁心距

在其他條件不變的前提下，通過調整灌注樁之間的樁心間距，如將3.5 m的樁心距調整為3.0 m之后，格構柱受壓臨界應力由185.407 MPa增大至205.879 MPa，穩定性降低。因此，灌注樁的樁心距對格構柱的穩定性影響較大。

4.3 格構柱分肢材料

格構柱分肢截面大小的變化，將影響格構柱的分肢毛截面積之和，從而影響格構柱的長細比及受壓截面積，對其穩定性造成影響。如將分肢截面由200 mm×200 mm×20 mm改為200 mm×200 mm×24 mm，格構柱的受壓臨界應力由185.407 MPa減小到158.045 MPa，格構柱的穩定性提高。因此，格構柱分肢截面對格構柱穩定性影響較大。

4.4 格構柱截面尺寸

格構柱截面尺寸的變化，導致整個格構柱截面對x、y軸慣性矩發生變化，影響格構柱長細比和穩定性。將格構柱截面尺寸由500 mm改為550 mm，格構柱的受壓臨界應力由210.577 MPa減小到185.407 MPa，格構柱的穩定性提高。因此，格構柱截面尺寸對格構柱的穩定性影響較大。

4.5 承臺尺寸

根據規范規定，塔吊基礎的灌注樁宜均勻對稱布置，且不宜少于4根，邊樁中心至承臺邊緣的距離不應小于樁的直徑或截面邊長，且樁的外邊緣至承臺邊緣的距離不應小于200 mm。在灌注樁樁心距保持不變的情況下，承臺尺寸的大小直接影響灌注樁中心至承臺外端的距離。承臺尺寸由5.5 m×5.5 m×1.8 m增大至6.0 m×6.0 m×1.8 m后，格構柱的受壓臨界應力由185.407 MPa增大至189.678 MPa，受壓臨界應力的增幅并不明顯。因此，承臺尺寸對格構柱的穩定性影響一般。

4.6 格構柱錨入灌注樁的長度

在本文格構柱穩定性計算中，格構柱下部錨入灌注樁的長度為3 m。根據規范要求，格構式鋼柱下端伸人灌注樁的錨固長度不宜小于2.0 m，且應與基樁的縱筋焊接。調整格構柱錨入灌注樁長度為2.0 m后，進行格構柱穩定性的計算，格構柱的受壓臨界應力從185.407 MPa增加至186.307 MPa，增幅不明顯，說明格構柱錨入灌注樁的長度對格構柱的穩定性影響一般。

4.7 綴板凈間距

在本文格構柱穩定性計算中，綴板規格為500 mm×400 mm×14 mm，凈間距為400 mm。綴板間距l=800 mm≤2b（分肢型鋼形心軸之間距離）=872 mm，滿足構造要求。調整綴件凈間距為300 mm后，綴板間距l=700 mm≤2b=872 mm，同樣滿足構造要求。格構柱的受壓臨界應力未發生變化，說明綴板凈間距的調整不影響格構柱穩定性。

4.8 格構柱剪刀撐

隨著基坑土方的分層開挖，應在格構式鋼柱外側四周及時設置豎向剪刀撐，將各格構式鋼柱連接為整體。根據JGJ/T 187—2009《塔式起重機混凝土基礎工程技術規程》的規定，只要剪刀撐的截面積不小于格構式鋼柱分肢的截面積，與鋼柱分肢及綴件的連接焊縫厚度、長度滿足規范要求即可。故格構柱剪刀撐屬于構造措施，不會影響格構柱的穩定性。

4.9 影響因素綜合分析

綜上4.1～4.8的分析可知，影響高樁承臺塔吊基礎格構柱穩定性的因素分析如表1所示。

影響格構柱的穩定性因素比較多，對一般或者無影響的因素，要按照規范或構造要求進行施工，盡量向有利于安全的方面取值；對于較大的影響因素，則需對其進行認真分析，嚴格按計算結果的參數取值進行現場施工。

表1 格構柱受壓穩定性因素的綜合分析

5 結語

在逆作法、深基坑類工程中，選取高樁承臺塔吊基礎，可解決塔吊樁基埋深較大、前期土方開挖階段不能利用塔吊的難題，其施工方便，安全可靠，在工程中的應用將越來越廣泛。而塔吊基礎的格構柱穩定性驗算是其中相對復雜的部分，應著重注意其影響因素，根據實際情況合理取值，指導現場施工，保證塔吊的安全施工與使用。