談深厚軟土地基條件下塔吊基礎的設計和施工

鄭 剛

0 引言

近年來塔吊事故頻發(fā),究其原因,主要為塔吊基礎設計不合理和施工存在問題。塔吊基礎的設計和施工必須從實際出發(fā),充分考慮工程特點及所在區(qū)域特征。該文結(jié)合工程實例,介紹本人在該工程深厚軟土地基條件下進行塔吊基礎設計和施工的方法。

1 工程概況

該工程位于上海外高橋保稅物流園區(qū),由兩層丙類倉庫(現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、輕鋼屋面)、單層戊類倉庫(輕鋼結(jié)構(gòu))組成,總建筑面積 29 400m2,考慮到丙類倉庫占地面積大(長×寬= 100m×96m),上部結(jié)構(gòu)特點及該塔吊主要為吊運材料(其中單件鋼構(gòu)件重小于 2 t)等,選兩臺JT5613型自升塔式起重機可滿足施工需要。

2 塔吊基礎設計

2.1 設計方案的確定

塔吊基礎設計前,應研究建筑、結(jié)構(gòu)圖紙,綜合考慮工程實際,按施工組織設計進行選型、優(yōu)化布置,既能滿足施工要求,又要經(jīng)濟。塔吊基礎可分為天然地基上的擴展基礎、軟土換填后的擴展基礎及樁承臺基礎。據(jù)本工程地質(zhì)報告知屬深厚軟土地基(見表 1):選天然地基上的擴展基礎,承載力不滿足;選軟土換填后的擴展基礎,換填深度達 15.9m,造價高;而選樁承臺基礎,可解決上述問題。地表下土層為粘性土、粉土、淤泥層等,淤泥層較厚,而第⑥層為粉土或砂土,土質(zhì)較好,土層較厚(7.7m),端阻力、側(cè)阻力較大,結(jié)合本工程基礎的持力層承載力、標高等,選該土層為持力層,基礎樁擬采用PHC-400-85型管樁,樁長28 m,樁端置于第⑥層土上。

表1 各土層厚度及阻力標準值

2.2 塔吊資料

塔吊JL5613最大幅度56m,最小幅度2m,最大起重量6 t,本工程起重高度28m,工作起升速度80m/m in,全起自重53.97 t,額定起重力矩950 kN?m,截面尺寸1.51m×1.51m,所處城市:上海,基本風壓Wo=0.55 kN/m2,風荷載高度變化系數(shù)μz=1.226?；A荷載:垂直壓力P1:工作狀況540 kN,非工作狀況480 kN;水平壓力P2:工作狀況50 kN,非工作狀況80 kN;彎矩M:工作狀況1 720 kN?m,非工作狀況 1 930 kN?m;扭矩Mk:工作狀況260 kN?m,非工作狀況0 kN?m。

2.3 塔吊基礎設計計算

塔吊基礎設計是一項專業(yè)工作,其設計荷載取值應考慮塔吊自重、吊重、風荷載等因素,且與其型號、構(gòu)造有關,取不同工況下的最不利組合作為設計荷載。

認真研究塔吊使用說明書,基礎設計應滿足塔吊工況下的抗傾覆、豎向荷載、水平力、扭矩的要求。如果說明書中僅有重力式塔吊基礎圖紙時,應據(jù)該圖紙及地基承載力要求,按同類工況塔吊的技術(shù)參數(shù)作相應換算,然后進行設計。

據(jù)塔吊 JL5613使用說明書及現(xiàn)場實際,確定混凝土承臺平面尺寸:5.5m×5.5m,承臺高1.4m,承臺混凝土采用C30,鋼筋采用HRB335,保護層:底層為70mm,其余均為40mm(見圖1)。

2.3.1 單樁樁頂豎向力設計值計算

對單樁受力而言,一般塔吊在非工作狀態(tài)下最大自由高度時,作用在承臺頂面的彎矩最大(為受力最不利狀態(tài)),注意對同一型號的塔吊,若生產(chǎn)廠家不同,其荷載參數(shù)也可能不同,所以塔吊荷載應以生產(chǎn)廠家提供的為準。

單樁樁頂豎向力按塔臂與承臺邊成 45°夾角時,傾覆力矩 M產(chǎn)生的壓力或拔力由一樁承擔計算:

最大壓力:Ni=(480+1 059)/4+(1 930+80×1.4)×2.55/ (2.552+1.272×2)=919.9 kN。

最大拔力:Ni=(480+1 059)/4-(1 930+80×1.4)×2.55/ (2.552+1.272×2)=-150.41 kN。

2.3.2 樁長驗算

設樁長28m,據(jù)JGJ 94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范第5.3.5條及地質(zhì)報告(見表2),取qpk=3 000 kPa,qs1k=15 kPa,qs2k=15 kPa, 6m以下qs3k=15 kPa或6m以上qs3k=50 kPa,qs4k=30 kPa,qs5k= 25 kPa,qs6k=35 kPa。

由QUK=QSK+QPK=U∑qsikli+qpkAp得單樁豎向極限承載力標準值N=1 722 kN＞919.9 kN(滿足)。

表2 樁基承載力設計參數(shù)表

2.3.3 塔機抗傾覆驗算

(1 930+0.55×1.51×28×15.4×0.8+80×1.4)/(480+ 1 059)=1.51≤5.5/3=1.83(滿足)。

注:上海50m以下風荷載平均值為0.55 kN/m2;塔吊迎風面面積(1.51×28)m2,其有效面積系數(shù)取 0.8;重心到基礎地面有效距離取15.4m。

2.3.4 樁抗拔驗算

150.41 kN(滿足)。

2.3.5 矩形承臺彎矩及截面主筋計算

按塔臂與承臺邊平行時,傾覆力矩M產(chǎn)生的壓力或拔力由兩根樁承擔計算:

據(jù)KM=0.9h0fyAs,得As=KM/(0.9h0fy)(fy=300 N/mm2,K取1.4)。

2.3.6 承臺受沖切承載力驗算

承臺邊沖切,roF1≤[βox(bc+aoy)+βoy(hc+aox)]ftho。

ft=1.5N/mm2,aoy=aox=0.805mm,λ=aox/ho=0.805/1.3= 0.619,βox=0.72/(λ+0.2)=0.879,即2×2×0.879×(1.51+ 0.805)×1 500×1.3=15 872 kN＞F=4×[480/4+(1 930+80× 1.4)/(2×1.8)]×1.4=3 849 kN(滿足)。

角樁向上沖切,roN1≤2[β1x(C2+a1y/2)+β1y(C1+a1x/2)]ftho。

β1x=β1y=0.805,βox=0.48/(λ+0.2)=0.586,C1=C2= 0.95+0.24=1.19,即2×2×0.586×(1.19+0.805/2)×1 500× 1.3=7 279 kN＞Nmax=919.9 kN(滿足)。

2.4 矩形承臺截面抗剪切計算

斜截面受剪承載力滿足:Y0V≤βfcb0h0+1.25fyAsvh0/s。

其中,Y0=1.0;β=0.05;fc=15 N/mm2;fy=300 N/mm2;箍筋間距 s取400mm,梅花放置;經(jīng)計算,承臺滿足抗剪要求,只需配箍筋 φ12@400,內(nèi)部抗裂構(gòu)造筋φ8@300(水平)。

3 塔吊基礎施工

3.1 樁基施工應注意的問題

1)依據(jù)施工方案、施工圖紙,先對塔吊基礎樁準確定位,沉樁時應注意樁帽、樁身和送樁中心應重合,插入樁身的垂直度偏差不超過0.5%,沉樁時速度一般不宜超過2m/m in。

2)電焊接樁:當下節(jié)樁離地面0.8m～1.5m時吊上節(jié)樁,上下節(jié)樁須校正樁身垂直度,中心對準后方可焊接。焊接前,法蘭盤表面清除干凈,焊接時兩人對角同時對稱焊接(減小變形和殘余應力)。采用CO2保護焊,焊縫要連續(xù)飽滿。

3.2 基礎預埋螺栓安裝應注意的問題

1)塔吊基礎見圖 2,由 16個 φ48的螺栓組成,預埋螺栓定位須準確,螺栓中心位置偏差應控制在 5 mm以內(nèi),定位后 4個角、上部須固定牢固,底部須穿兩根鋼筋連接成整體。

2)因塔吊屬較高設備,必須防雷接地,要求從樁帽上預留兩根-40mm×4mm扁鋼成對角布置(保證螺栓與樁帽連接),待塔吊安裝后再與塔身連接。

3.3 鋼筋安裝

嚴格按設計、規(guī)范要求施工,尤其內(nèi)部防裂鋼筋安裝要到位(拉鉤、對拉桿等均能防止混凝土內(nèi)部受力破壞);樁上部鋼筋用于抗拔的錨固,必須焊接牢固;樁芯內(nèi)鋼筋籠按圖集施工。

3.4 混凝土澆筑及養(yǎng)護

基礎隱蔽工程經(jīng)驗收合格后澆混凝土,在澆筑過程中必須采取措施避免預埋螺栓移動,澆筑混凝土必須振搗密實,嚴格按塔吊使用說明書控制基礎表面的平整度(其直接影響塔吊垂直度),為保證中間不積水,中間向周圍設 1.5/1 000的坡度,混凝土澆筑完畢后須加強養(yǎng)護。

本塔吊基礎設計和施工為工程實例,整個施工工期運行良好。

4 結(jié)語

1)在進行塔吊基礎設計時,應結(jié)合工程實際及土層地質(zhì)特點、當?shù)貧夂蛱卣鞯冗x擇設計方案,應以正規(guī)塔吊廠家提供的塔吊資料為依據(jù),認真研究使用說明書,基礎設計須滿足塔吊工況下的抗傾覆、豎向荷載、水平力、扭矩等要求;2)一般而言,在土層地質(zhì)條件較差,特別是深厚軟土地基中的塔吊基礎設計,宜優(yōu)先采用樁承臺基礎;3)嚴格按施工方案、塔吊廠家及現(xiàn)行規(guī)范要求進行施工,確保工程安全。

[1] GB 50007-2002,建筑地基基礎設計規(guī)范[S].

[2] GB 50202-2002,地基與基礎工程施工驗收規(guī)范[S].

[3] GB 50204-2002,混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].

[4] GB 50204-2002,混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范[S].

[5] JGJ 94-2008,建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[6] GB/T 13752-92,塔式起重機設計規(guī)范[S].

[7] JGJ 33-2001,建筑機械使用安全技術(shù)規(guī)程[S].

[8] JG/T 100-1999,塔式起重機操作使用規(guī)程[S].