復(fù)雜邊界條件下異形塔式起重機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)施工

文秋實(shí)

(中建科工集團(tuán)有限公司 廣東深圳 518054)

0 引言

塔機(jī)基礎(chǔ)主要根據(jù)塔式起重機(jī)混凝土基礎(chǔ)工程技術(shù)規(guī)程(JGJ/T 187-2019)[1]設(shè)計(jì)計(jì)算，規(guī)范給出了板式、十字形及組合式基礎(chǔ)的構(gòu)造要求和計(jì)算方法，但對(duì)于更多異形的塔機(jī)基礎(chǔ)形式，規(guī)范并無相關(guān)規(guī)定，需按照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50010-2010)[2]和建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50007-2011)[3]進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

本文所指的塔機(jī)基礎(chǔ)，是新建于地下室內(nèi)的舊塔機(jī)基礎(chǔ)之上，采用的一種“缺角”異形塔機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。基此，本文主要探討復(fù)雜邊界條件下異形塔式起重機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)施工，期為類似施工提供借鑒。

1 工程概況

該工程塔機(jī)基礎(chǔ)在主體結(jié)構(gòu)施工至十層時(shí)，受鋼結(jié)構(gòu)變更影響，舊塔機(jī)運(yùn)力不足，需更換新塔機(jī)。因新塔機(jī)基礎(chǔ)節(jié)和預(yù)埋件規(guī)格與舊塔機(jī)不同，需重做新塔機(jī)基礎(chǔ)。根據(jù)一般工程經(jīng)驗(yàn)，新增的塔機(jī)基礎(chǔ)可設(shè)置在地下室頂板上，采用鋼格構(gòu)柱高樁承臺(tái)基礎(chǔ)形式。但考慮到該工程新塔機(jī)基礎(chǔ)的位置不便調(diào)整，又受限于各層地下室頂板預(yù)留孔洞的混凝土后澆工藝間歇時(shí)間，因此考慮將新塔機(jī)基礎(chǔ)設(shè)于已建成的塔樓東南側(cè)負(fù)三層地下室內(nèi)的舊塔機(jī)基礎(chǔ)之上。

舊塔機(jī)基礎(chǔ)是利用負(fù)三層地下室底板作為基礎(chǔ)，與地下室底板共同澆筑混凝土，地下室底板厚0.70m。舊塔機(jī)基礎(chǔ)規(guī)格7.00×7.00×1.60m，C40混凝土強(qiáng)度等級(jí)，配C25@150雙層雙向鋼筋、C16@450拉結(jié)上下兩層鋼筋，基礎(chǔ)持力層為粉質(zhì)粘土層，承載力特征值180kPa，基礎(chǔ)底部有1根Φ1.2m人工挖孔灌注樁，樁長22.9m(-17.6m～-40.5m)，樁端持力層為微風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，單樁豎向承載力特征值30 000kN，如圖1～圖2所示。

圖1為新舊塔基立面位置關(guān)系示意圖，圖2為新塔基平面為位置示意圖。

圖1 新舊塔基立面位置關(guān)系示意圖

圖2 新塔基平面位置示意圖

2 塔基載荷

新更換的新塔機(jī)型號(hào)為中聯(lián)重科T600-25U，臂長70m，獨(dú)立工作至第10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、高度61.4m后轉(zhuǎn)為附著式工作，最大工作高度約220m，此后塔吊頂升懸出自由段高度為31.15m，其彎矩小于61.4m自由端安裝工況時(shí)的彎矩，塔吊最不利工況選取為61.4m自由端時(shí)工況，如表1所示。

表1 T600-25U型塔機(jī)70m臂長基礎(chǔ)載荷[4]

3 初步設(shè)計(jì)與優(yōu)化

根據(jù)使用情況，新塔機(jī)中心位置須與舊塔機(jī)重合。因新塔機(jī)基礎(chǔ)四周有結(jié)構(gòu)柱，其中塔機(jī)基礎(chǔ)東南側(cè)有1根0.7×0.7m的地下室結(jié)構(gòu)柱，塔身與柱間距1.2m，柱中心與塔機(jī)中心僅2800m，因此新塔機(jī)基礎(chǔ)規(guī)格不宜過大。塔基初步設(shè)計(jì)采用7.00×7.00×1.60m方形規(guī)格，結(jié)構(gòu)柱與塔基沖突位置采用“缺角”設(shè)計(jì)，缺角處面積A=2.15×1.15=2.47m2，如圖3所示。為保證塔基自身平衡，有必要對(duì)塔基“缺角”部位進(jìn)行配重補(bǔ)強(qiáng)，對(duì)塔基基礎(chǔ)尺寸進(jìn)行優(yōu)化：將臨近結(jié)構(gòu)柱的兩條塔基基礎(chǔ)邊各增大0.5m，塔基調(diào)整為7.50×7.50×1.60m方形規(guī)格，結(jié)構(gòu)柱與塔基沖突位置仍采用“缺角”設(shè)計(jì)，缺角處面積不變，如圖3所示。

圖3 塔基優(yōu)化前后尺寸示意圖

4 塔基受力驗(yàn)算及配筋計(jì)算

4.1 塔基沖擊驗(yàn)算

塔機(jī)基礎(chǔ)沖切力Fl不僅來自塔吊軸心向下的壓力，也來自轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩。當(dāng)基礎(chǔ)底面短邊尺寸小于或等于柱寬加兩倍基礎(chǔ)或有效高度時(shí)，應(yīng)按公式驗(yàn)算柱與基礎(chǔ)交接處截面受剪承載力：

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取塔基缺角處最小截面面積4.85×1.6=7.76m2。

此時(shí)塔基所受沖切力不僅來自塔吊軸心向下的壓力，也來自塔吊自身的轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩,即61.4m高度工作工況下，塔基所受沖切力:

V=7170.1/(7/2)+2104.2

=4152.8kN<7802.5kN

61.4m高度非工作工況下，塔基所受沖切力:

V=5520.7/(7/2)+1719.4

=3296.74kN<7802.5kN

220m高度非工作工況下，塔基所受沖切力:

V=3638.8kN<7802.5kN。

故,1.6m厚度塔基滿足沖切要求。

4.2 塔基配筋計(jì)算

選取塔基不同截面進(jìn)行彎矩計(jì)算，如圖4所示。

圖4 塔基配筋計(jì)算示意圖

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。

對(duì)于一般混凝土基礎(chǔ)，在受彎矩作用下，基礎(chǔ)底部一般承受彎矩作用，基礎(chǔ)底板鋼筋計(jì)算公式：As=M1/0.9fyh0。

取最大彎矩進(jìn)行鋼筋截面積計(jì)算：

As=(7500-2650)×1600×0.15%=11 640mm2

另一方向的鋼筋截面積計(jì)算：

按最小配筋率0.15%計(jì)算：

As=(7500-1650)×1600×0.15%=14 040mm2

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010-2010)[2]和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007-2011)[3]規(guī)定：擴(kuò)展基礎(chǔ)受力鋼筋最小配筋率不應(yīng)小于0.15%，底板受力鋼筋的最小直徑不應(yīng)小于10mm，間距不應(yīng)大于200mm，也不應(yīng)小于100mm。墻下鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)縱向分布鋼筋的直徑不應(yīng)小于8mm，間距不應(yīng)大于300mm；每延米分布鋼筋的面積不應(yīng)小于受力鋼筋面積的15%。當(dāng)有墊層時(shí)鋼筋保護(hù)層的厚度不應(yīng)小于40mm，無墊層時(shí)不應(yīng)小于70mm。綜合以上考慮，新塔機(jī)基礎(chǔ)擬配C25@143雙層雙向鋼筋、C12@286拉結(jié)上下兩層鋼筋。

4.3 塔基抗傾覆驗(yàn)算

基本荷載組合下塔機(jī)作用與基礎(chǔ)底面傾覆力矩值計(jì)算公式：

M=1.4(Mk+Fh·h)；

塔基抗傾覆穩(wěn)定性應(yīng)符合：MD≥k1M。

其中：Mk為標(biāo)準(zhǔn)組合下塔機(jī)作用于基礎(chǔ)頂面的力矩標(biāo)準(zhǔn)值；

Fh為標(biāo)準(zhǔn)組合下塔機(jī)作用于基礎(chǔ)頂面的水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值；

h為基礎(chǔ)高度，取1.6m；

MD為塔基抗傾覆力矩；

k1為安全系數(shù)，取1.2。

61.4m高度工作工況下，塔基傾覆力矩k1M=1.2×1.4×(7170.1+51.1×1.6)=12183kN·m<塔基抗傾覆力矩MD=(7×7×1.6×25+2104.2)×7×0.5=14224.7kN·m，滿足要求。

61.4m高度非工作工況下，塔基傾覆力矩k1M=1.2×1.4×(5520.7+200.6×1.6)=9814kN·m<塔基抗傾覆力矩MD=(7×7×1.6×25+1719.4)×7×0.5=12866.9kN·m，滿足要求。

4.4 塔基抗扭轉(zhuǎn)驗(yàn)算

塔吊扭轉(zhuǎn)力相對(duì)于沖切、傾覆等作用力較小，但由于新塔基基礎(chǔ)于原結(jié)構(gòu)底板沒有充分粘結(jié)，可能出現(xiàn)摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)，故需對(duì)塔基抗扭轉(zhuǎn)復(fù)核。計(jì)算時(shí)，新舊混凝土間的摩擦系數(shù)參照土體0.30取值。塔吊在非工作狀態(tài)下扭轉(zhuǎn)力為：

F=(7×7×1.6×25+1719.4)×0.3=1103.82kN

抗扭力矩為：

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

4.5 塔基補(bǔ)強(qiáng)部位驗(yàn)算

對(duì)塔基形狀優(yōu)化補(bǔ)強(qiáng)后，應(yīng)對(duì)塔基補(bǔ)強(qiáng)部位進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。

短邊補(bǔ)強(qiáng)部位面積A1=2.425m2，可產(chǎn)生的抵抗彎矩MA1=(7.5/2-0.5/2)×A1×ρ×h×g=8.49phg>塔基缺角處面積A=2.4725m2可產(chǎn)生的抵抗彎矩MA=(7.5/2-1.15/2)×A×ρ×h×g=7.85phg；長邊補(bǔ)強(qiáng)處面積A2=2.925m2，可產(chǎn)生抵抗彎矩MA2=(7.5/2-0.5/2)×A2×ρ×h×g=10.24phg>7.85phg；故,抗彎滿足要求。

補(bǔ)強(qiáng)部位面積為A1+A2=5.35m2>A=2.4725m2，補(bǔ)強(qiáng)部位可產(chǎn)生的抗扭力矩大于原初步設(shè)計(jì)塔基，故抗扭滿足要求。

5 原有結(jié)構(gòu)受力復(fù)核

5.1 受力模型分析

基于新塔吊基礎(chǔ)在原有混凝土底板上澆筑，支承面積遠(yuǎn)大于新塔吊基礎(chǔ)面積，因此僅分析底板所受作用。底板一端受灌注樁非均勻支撐，偏于安全的角度，假設(shè)該區(qū)域土體與上部基礎(chǔ)脫空，新澆筑基礎(chǔ)及塔吊荷載完全由底板承擔(dān)，底板遠(yuǎn)離灌注樁側(cè)將受到較大剪切力作用，受力分析如圖5所示。

圖5 底板受灌注樁非均勻支承計(jì)算示意圖

5.2 底板抗剪驗(yàn)算

新塔基重力G1=1960kN，舊塔基重力G2=2384kN。

220m高度工作工況下塔基彎矩為0，作用于原有結(jié)構(gòu)底板上的作用力F=1.2×(1960+2384+3638.8)=9579.36kN；

滿足要求。

61.4m高度工作工況下塔基彎矩7170.1kN·m，作用于原有結(jié)構(gòu)底板上的作用力F=1.2×(1960+2384+2104.2)=7737.84kN；

彎矩M=7737.84×(7/2)=27 082.44kN·m；

滿足要求。

61.4m非高度工作工況下塔基彎矩5520.7kN·m，作用于原有結(jié)構(gòu)底板上作用力F=1.2×(1960+2384+1719.4)=7276.08kN；

彎矩M=7276.08×(7/2)=25 466.28kN·m；

滿足要求。

5.3 灌注樁軸向力驗(yàn)算

原有結(jié)構(gòu)的灌注樁基本僅承受軸向力作用，220m高度工作工況下作用于原有結(jié)構(gòu)底板上的作用力F=1.2×(1960+2384+3638.8)=9579.36kN<雙ZH6型單樁豎向承載力特征值30 000×2=60 000kN。

5.4 灌注樁處底板沖切驗(yàn)算

采用柱邊沖切計(jì)算公式驗(yàn)算：

其中，c1=hc+h0/2,c2=bc+h0；

6 塔基施工

(1)施工前放樣定位，確保塔基中心與舊塔基的重合。

(2)將舊塔基鑿除面層混凝土，露出主筋與新塔基鋼筋拉結(jié)，并將混凝土鑿毛，清除塵土。

(3)充分利用舊塔基預(yù)埋件，將新塔基底部主筋與預(yù)埋件雙面焊接，增強(qiáng)新舊塔基整體性。

(4)在塔基與相鄰地下室結(jié)構(gòu)柱間設(shè)厚度50mm的擠塑板，用于隔離塔基與既有結(jié)構(gòu)柱。

(5)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行鋼筋綁扎，綁扎完底部鋼筋后及時(shí)安放馬凳及預(yù)埋件；預(yù)埋件位置偏差不得超5mm，扭轉(zhuǎn)偏差不得超0.5度。

(6)預(yù)埋件周圍鋼筋數(shù)量不得減少和切斷，主筋通過預(yù)埋件確有困難時(shí)，允許主筋避讓。

(7)混凝土振搗時(shí)盡可能避開預(yù)埋件，防止偏位，并安排專人全程采用全站儀監(jiān)測(cè)，確保預(yù)埋件定位準(zhǔn)確。

(8)為防止基礎(chǔ)內(nèi)外溫差過大導(dǎo)致混凝土開裂，采取預(yù)埋冷卻管、灑水養(yǎng)護(hù)及薄膜覆蓋等措施進(jìn)行溫度控制，專人定期養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14d。

7 結(jié)語

在工程實(shí)踐中，起重機(jī)械的基礎(chǔ)工程對(duì)起重機(jī)械的整體穩(wěn)定性至關(guān)重要。由于施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件及工程地質(zhì)的復(fù)雜性，部分起重機(jī)械基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與制作制造商的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)有可能存在差異，需要根據(jù)塔機(jī)制造商提供的《塔基使用說明書》及現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)等要求，綜合考慮塔基基礎(chǔ)形式并進(jìn)行必要的計(jì)算復(fù)核。