廣州地鐵某融資項目塔機組合式基礎設計與施工

金雪峰

(廣州市天作建筑規劃設計有限公司,廣州 510623)

0 引 言

隨著我國建筑業的蓬勃發展,塔吊在施工中的應用已經非常普遍,特別是在高層、超高層建筑的建設中,塔吊已成為必不可少的垂直和水平運輸工具。而城市高層、超高層建筑一般都有大面積、多層的地下空間,若將塔吊放置于基坑周邊,則必然存在有部分工作區域浪費而又有部分沒有塔吊工作面的問題,同時塔吊基礎荷載對基坑、特別是深基坑支護產生不利影響。此時若將塔機基礎放置于基坑內,則可大大提高塔吊的工作區域利用率[1],同時將塔吊基礎的荷載傳遞到基坑底的巖土體中,對基坑支護的影響大大減小。組合式基礎[2]是一種高承臺、懸空塔機基礎,鋼格構柱下端錨固于灌注樁內,上端錨入混凝土承臺,塔吊標準節通過預埋于承臺內的地腳錨栓或支腿進行安裝,塔吊自重及上部荷載通過承臺傳遞給下部鋼格構柱和混凝土灌注樁。該種組合式基礎可與基坑圍護結構同步施工,塔吊可以提前安裝,有效利用塔吊在水平和垂直運輸方面的優越性,提高施工效率,大大縮短工期,因而成為深基坑塔吊基礎最優選方案,應用越來越廣泛[3-4],研究也越來越深入[5-6]。

目前,關于塔機組合式基礎的設計主要是基于《塔式起重機混凝土基礎工程技術規程》(JGJ/T 187—2009)[2](以下簡稱塔機基礎規程)公式進行單個構件理論計算并采取相關加強措施的,對該組合式基礎整體共同工作的研究相對較少。本文結合廣州地鐵某融資項目塔機組合式基礎工程的設計、施工與監測,運用Midas Gen有限元程序對其進行了數值計算分析,該分析方法由于能考慮混凝土承臺(暗梁)、鋼格構柱、型鋼支撐系統在塔機荷載作用下共同工作等因素,已成為復雜組合式基礎分析的最有效方法之一。

1 工程及地質概況

廣州地鐵某融資綜合樞紐工程項目,位于廣州市荔灣區地鐵一號線坑口站站前,該工程為超大型公建項目,集辦公、商場于一體。項目總建筑面積180 051.0 m2,其中地上建筑面積125 211.3 m2,地下建筑面積54 839.7 m2。7層以上為南北雙塔辦公樓,北塔為33層,結構總高度為144.6 m;南塔為29層,結構總高度129 m;裙房6層,主要有商場、超市、電影院;共設置5層地下室,主要用作車庫、設備用房、水池等?；悠矫骖愃朴诰匦?開挖深度18.5 m,南北長約175 m,東西長約72 m。支護形式主要采用800 mm厚的地下連續墻加混凝土內支撐或預應力錨索;其中南側采用三道混凝土內支撐,中段和北段采用兩道混凝土內支撐和一道預應力錨索的支護形式。地勘報告顯示,場地中段至北側地質條件較好,均為埋深較淺的中微風化泥質粉砂巖,南側巖層裂隙較發育,有大面積的軟弱夾層,局部巖層發現有溶洞,且南側靠河涌部分地下水來源豐富,通過巖層裂隙不斷滲入基坑內部,對支護結構和基礎不利。

2 塔吊的選用與布置

根據施工吊裝量及建筑物的體形特征,本工程選用長沙中聯重工QTZ160 (TC7013-10E)型塔機,為水平超重臂,小車變幅,上回轉自升多用途塔機,該機工作方式多,適用范圍廣,其性能參數及技術指標國內領先,最大工作幅度70 m,最大起升高度200 m?？紤]到主要吊裝設備的選擇既要滿足全部構件的吊裝要求,還要保證較高的作業效率、可操作性及經濟合理性,綜合確定塔機平面布置如圖1所示。

圖1 塔機平面布置圖Fig.1 Layout of tower cranes

3 組合式基礎設計

3.1 基礎荷載

塔機處于獨立狀態(無附墻)時,其受力為最不利狀態,因此取塔機獨立計算高度60 m時進行分析,分工作狀態和非工作狀態兩種工況分別進行荷載組合,豎向荷載計算簡圖如圖2所示?，F場地面粗糙度類別為C類,根據《塔機基礎規程》規定,計算塔機在工作狀態和非工作狀態下傳遞到基礎頂面的荷載,非工作狀態下的基本風壓取0.5 kN/m2,計算結果如表1所示。

比較上述兩種工況的計算,可知塔機在非工作狀態下對基礎傳遞的傾覆力矩最大,故應該按非工作狀態下的荷載組合進行地基基礎設計。控制工況(非工作狀態)的傾覆力矩小于塔機制造商的《塔機使用說明書》中所提供的值,原因是塔機制造商的提供值是按現行國家標準《塔式起重機設計規范》(GB/T 13752—92)規定的基本風壓0.8 kN/m2(離地面高度20 m以下)、1.1 kN/m2(離地面高度20 m以上)計算的。為安全起見,本次設計按《塔機使用說明書》中所提供的荷載值進行設計。

圖2 塔機豎向荷載簡圖Fig.2 Vertical load of tower crane

表1混凝土基礎荷載標準值對比表

Table 1Comparison table of standard value of concrete foundation load

注:上述按塔機基礎規程計算時豎向荷載已經包括了基礎自重,而按《塔機使用說明書》時未包括基礎自重

3.2 樁基礎設計

塔機可以在平面360°范圍內任意角度轉動,采用四樁計算模型,樁最不利工況是吊車吊臂垂直于承臺對角線方向,這時只有兩樁抵抗彎矩,此時單樁受力最大,以該工況時樁所受豎向力作為樁基設計的承載力。根據地勘報告,設計取基樁直徑1 000 mm,按進入中風化泥質粉砂巖5 m,計算得基樁單樁豎向承載力特征值Ra=2 280 kN,單樁抗拔承載力特征值Rta=1 235 kN,均大于組合式基礎在偏心豎向荷載作用下的對基樁壓力1 521 kN及拉力521 kN,經驗算,樁基承載力及樁身強度均滿足要求。

3.3 承臺設計

混凝土強度等級取 C30,計算承臺受彎、受剪及受沖切時,不計承臺及其上土自重。經計算,承臺暗梁截面1 000 mm×1 500 mm,底面筋均采用三級鋼筋,面筋實配8根25,底筋實配10根25,箍筋φ10@200(6),腰筋每側6根18,滿足要求;承臺基礎頂、底面按最小配筋率0.15%取直徑25@150構造鋼筋網,同時承臺底、面筋間設置架立鋼筋12@300×300,滿足要求。

3.4 鋼格構柱設計

1) 單個格構柱受壓穩定性計算

根據塔機基礎規程規定:格構式鋼柱應按軸心受壓構件設計。本工程格構柱均采用綴板式,格構柱截面為500 mm×500 mm,單肢角鋼L200×18,選用綴板480(寬)×300(高)×14(厚),間距700 mm。4根格構式鋼柱間采用角鋼L100×10水平及豎向支撐,水平剪刀撐沿豎向4.2 m一道。根據塔機基礎規程第7.3.3條的條文說明:格構式鋼柱構件的長細比計算公式中的計算長度(H0)規定為承臺中心至格構式鋼柱底(插入灌注樁的底端)的高度,因此H0=19.4+3=22.4 m,格構式鋼柱截面為方形:λ0x=λ0y=110.7<[λ]=150,格構式鋼柱的換算長細比滿足要求;格構式鋼柱的分肢長細比λ1=10.1<0.5λ0x=0.5×110.7=55.4,滿足要求。鋼材抗壓強度f=205 N/mm2,屈服強度f=235 N/mm2,根據構件的換算長細比及和屈服強度,按現行國家標準《鋼結構設計規范》(GB 50017—2003)的規定“按b類截面查表C-2”取用,查表得φ=0.489,格構式鋼柱受壓整體穩定性:

即鋼格構柱的受壓整體穩定性滿足要求。

2)焊縫計算

lw=300-2×8=284 mm

側面角焊縫(剪力平行于焊縫長度方向):

lw=2×(190-2×8)=348 mm

在σf,τf共同作用處的綜合應力應滿足:

焊縫計算滿足要求。

3) 抗拔計算

由之前計算可知,荷載效應基本組合下格構柱頂軸向拉力設計值Nmax=703 kN,由《鋼結構設計規范》(GB 50017—2003)第5.1.1條可知:

滿足抗拉要求。

由設計可知格構柱錨入承臺900 mm,每分肢焊接2根25的三級鋼筋,共8根25錨入承臺內900 mm,滿足在混凝土內錨固要求,且8根鋼筋極限拉力N=360×3 927=1 413 kN,大于最大拉力703 kN,滿足抗拔要求。

格構柱埋入樁基礎3 m且各分肢與樁內縱筋焊接,其在樁內的錨固滿足要求,抗拔滿足要求。

塔機組合式基礎設計圖如圖3所示。

圖3 組合式基礎設計圖(單位:mm)Fig.3 Design of combined foundation (Unit:mm)

4 有限元分析

4.1 模型建立

本文采用Midas Gen有限元軟件進行整體建模模擬,將塔機所受荷載全部傳至組合式基礎進行分析。組合式基礎中鋼格構柱均采用方鋼管柱模擬,根據截面面積、剛度等效原則,等效方鋼管截面取為500 mm×14 mm。鋼格構柱、承臺暗梁、水平鋼支撐采用梁單元模擬,豎向鋼斜支撐采用桁架單元模擬,柱底約束為全約束,建立的有限元模型如圖4所示。

圖4 組合式基礎有限元模型Fig.4 Finite element model of combined foundation

4.2 應力分析

組合式基礎梁單元及桁架單元的應力云圖如圖5所示,由圖可見:鋼格構柱最大壓應力為112.8 N/mm2,拉應力為29.9 N/mm2,鋼支撐最大壓應力為26 N/mm2,均小于Q235鋼材的抗壓、抗拉強度205 N/mm2,滿足要求。模型通過對所有構件的長細比、軸向應力、彎曲應力、整體穩定及剪切強度進行驗算,均滿足要求。

4.3 位移分析

相對于鋼格構柱而言,當基礎為混凝土承臺時,可以認為混凝土承臺的抗彎剛度為無限大,則各柱上下端都不發生角位移,且水平位移相同。組合式基礎水平位移變形計算云圖如圖6所示,由圖可見:基礎最大位移出現在承臺處且承臺各節點水平位移均相同,最大位移為15.08 mm。承臺面離基底20.1 m,根據《高聳結構設計規范》(GB 50135—2006)[7]第3.0.10條第6款規定,在以風為主的荷載標準組合下自立塔架按線性分析的結構水平位移限值為Δμ/H=1/75,式中,Δμ為水平位移,H為總高度,將總高度H=20.1 m代入計算可得水平位移限值Δμ=268 mm,本工程組合式基礎在荷載作用下的最大水平位移遠小于該限值,滿足要求。

圖5 組合式基礎應力云圖Fig.5 Stress contour of combined foundation

圖6 組合式基礎水平位移云圖Fig.6 Horizontal displacement contour of combined foundation

參考《固定式塔式起重機基礎技術規程》(DB/T 1053—2008)[8]第5.3.9 條:格構柱在水平風荷載作用下的柱頂水平位移s應滿足s≤HZ/500,式中,HZ為格構柱的總高度,取塔基底與工程基礎墊層底凈高的2倍。將相關數據代入后可得水平位移限值s=74.4 mm,可見,本工程組合式基礎在荷載作用下的最大水平位移也遠小于該限值,滿足要求。

4.4 屈曲分析

可通過結構的整體屈曲穩定分析確定豎向構件的計算長度系數,把屈曲分析應用于結構的承載力設計[9]。單一構件的屈曲穩定必然會受到其他構件的約束作用,豎向構件計算長度系數應根據結構的整體屈曲穩定分析結果才能合理確定。采用Midas Gen軟件,對組合式基礎鋼格構柱進行屈曲穩定分析,圖7為該格構柱的第一階及第九階屈曲模態,最下層豎向斜支撐最先發生屈曲,對應的屈曲臨界荷載17 500 kN,繼續查詢后續屈曲模態,鋼格構柱直到第九階屈曲模態發生屈曲,對應的屈曲臨界荷載70 670 kN。根據歐拉公式Pcr=π2EI/(μl)2,式中,EI為相應構件發生屈曲方向的彈性抗彎剛度,Pcr為構件在該方向屈曲臨界荷載,l為構件的幾何長度,代入相關數據后可求得計算長度系數μ=0.555。而按塔機基礎規程計算時,鋼格構柱的計算長度系數偏于保守,約為1.25,鋼格構柱在塔機荷載作用下的最大軸力標準值為1 521 kN,鋼支撐屈曲臨界荷載為其11.5倍,鋼格構柱屈曲臨界荷載為其46.5倍,因此鋼格構柱及支撐在塔機荷載作用下均不會發生屈曲失穩。

圖7 組合式基礎屈曲模態圖Fig.7 Buckling mode diagram of combined foundation

5 組合式基礎施工

5.1 樁基施工

因詳勘報告及內撐支護立柱超前鉆均揭示基坑底有洞穴存在,因此在塔機基礎施工前在樁位進行超前鉆探。本工程樁基礎均為鉆孔灌注樁,樁孔成型后必須清除孔底沉渣,清孔后沉渣厚度不得大于50 mm,并應立即采用導管灌注水下混凝土。為確保水下混凝土的質量,向導管灌注混凝土時采用混凝土輸送泵或采用其他有效措施。水下混凝土施工前后均須復測深度及標高。泥漿中澆注混凝土時,導管應始終埋在混凝土中,嚴禁導管提出混凝土面,導管埋入深度以2～6 m為宜,不得小于1 m,一次提管不得超過4.5 m,應防止鋼筋籠上浮,導管在提升時不得碰撞鋼筋籠?？紤]到水下灌注混凝土的質量,泥漿中澆注的混凝土應采用商品混凝土。鉆孔樁樁頂設計標高處的混凝土強度必須滿足設計要求,不得出現浮渣。澆注底板前應將頂部浮渣及超高部分混凝土鑿除。由于樁頂部分混凝土與泥漿混雜,質量受到影響,混凝土實際灌注應比設計樁頂標高高出800 mm。

鋼筋籠縱向鋼筋的接長采用焊接,接頭位置應相互錯開,且在35d或500 mm (取大值)的同一接頭連接區段范圍內鋼筋接頭不得超過鋼筋數量的50%,縱橫鋼筋交接處均應焊牢。鋼筋籠外側需設混凝土墊塊或采用其他有效措施,以保障鋼筋保護層厚度的準確性。鋼筋籠在制作、運輸、吊裝過程中應采用有效措施確保施工安全、防止鋼筋籠變形,鋼筋籠入孔后應及時澆注混凝土。

5.2 鋼格構柱吊裝施工

樁基鋼筋籠采用汽車吊吊放入孔,可采用分段吊裝,露出地面長1.5 m,將其固定在H型鋼支撐架上,起吊鋼格構柱,將格構柱放入鋼筋籠內3 m后,將鋼筋籠主筋焊接在格構柱上,然后將鋼筋籠和格構柱下放至設計標高。鋼格構柱安裝誤差應符合塔機基礎規程表8.5.5的規定。

5.3 基坑開挖及混凝土承臺施工

根據塔機基礎設計,塔機基礎先行開挖,開挖坡度可為1∶2,一次開挖到塔機基礎底標高,墊層200 mm,采用C15混凝土并摻入早強劑,墊層上鋪塑料薄膜,便于土方大開挖后墊層和基礎承臺自動分離。承臺的鋼筋綁扎和預埋件安裝后,應按要求檢查驗收,合格后方可澆搗混凝土,澆搗中不得碰撞、移位鋼筋或預埋件,混凝土澆注后應及時養護?；A承臺混凝土施工中,在承臺頂面的四角應做好沉降及位移觀測點,并做好原始記錄,塔機安裝后應定期觀測并記錄,沉降和傾斜率不應超過塔機基礎規程第4.2.4條的要求。安裝塔機時基礎混凝土應達到80%以上設計強度,塔機運行使用時混凝土應達到100%設計強度。由于混凝土承臺暗梁鋼筋密集,按常規鋼筋布置方法則不可避免會與鋼格構柱各分肢型鋼沖突,因此為方便施工,暗梁與鋼格構柱交接處鋼筋布置規則可按圖8進行處理,取得良好效果。

圖8 承臺暗梁鋼筋布置圖(單位:mm)Fig.8 Layout of reinforcement of pile cap beam (Unit:mm)

5.4 焊接支撐及結構底板施工

隨著土方分層開挖,塔吊承臺開始逐步漂浮在空中,應采用逆作法在格構式鋼柱外側四周及時設置角鋼水平支撐和斜撐,將各鋼格構柱連接為整體?；娱_挖過程中應該保護好組合式基礎的鋼格構柱,隨著土方開挖至基底后,采用人工將灌注樁樁頂混凝土鑿除到底板墊層面標高,在鑿除過程中嚴禁傷害到格構柱,并立即澆注結構底板墊層,同時先行施工塔吊灌注樁區域底板結構,并將灌注樁主筋錨入底板結構不小于35 d,進一步將格構柱連接為一個整體。鋼格構柱在結構底板厚度中央位置,應在分肢型鋼上焊接止水鋼板。

5.5 現場施工效果

施工現場情況如圖9所示,實踐證明,本工程塔機采用組合式基礎取得滿意效果。

6 結 論

(1) 高層、超高層建筑的基坑深且體量大,塔機采用組合式基礎,可以提前投入使用,提高工作效率及塔機覆蓋率,節省工期及成本,取得良好效益。

(2) 采用現行規程規定的方法對塔機組合式基礎進行理論分析計算,結果滿足要求,設計合理。

圖9 組合式基礎現場實際施工照片Fig.9 Actual construction photos of combined foundation

(3) 運用Midas Gen有限元程序對組合式基礎整體進行了數值模擬計算分析,以此來驗證設計的合理性與安全性。分析結果表明:組合式基礎整體共同工作良好,各構件強度、整體位移、穩定性均滿足要求。

(4) 目前本項目主體結構已竣工,塔機已拆除,兩年多來塔機運行正常、安全。現場施工實踐證明了本工程塔機組合式基礎設計、施工工藝是合理可靠的,所采取的施工質量控制措施是行之有效的。本工程的順利實施可為塔機組合式基礎推廣應用提供實際案例參考。