高墩施工懸挑式塔吊基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

摘要：本文主要介紹廣樂(lè)高速公路深水河大橋5號(hào)墩塔吊基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、計(jì)算及施工過(guò)程。由于周邊地形的影響，采取了特殊的懸挑式塔吊基礎(chǔ)，并對(duì)該基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案的制定、設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程及懸挑鋼架的施工等進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，為同類(lèi)工程提供有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：高墩；懸挑式塔吊基礎(chǔ)；設(shè)計(jì)；施工

1 前言

隨著高速公路的大發(fā)展，越來(lái)越多的公路穿越崇山峻嶺，難免有許多高墩位于陡峭的山坡之上。如何解決高墩施工中的垂直運(yùn)輸問(wèn)題，逐漸成為橋梁工作者們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。筆者結(jié)合實(shí)際工程，對(duì)此作出了嘗試，希望為同類(lèi)工程提供有益的參考和借鑒。

2 工程背景

廣樂(lè)高速公路為京珠高速的復(fù)線，穿越粵北著名的大瑤山。其中的深水河大橋?yàn)橹骺?20m的三跨連續(xù)剛構(gòu)橋，跨越深谷，其右線5號(hào)主墩高87m，處于65o的陡坡上，承臺(tái)尺寸12.4×12.2×4.0m，墩身為8.0m×8.5m壁厚0.6m的空心墩，橋面寬度16.75m，承臺(tái)頂距離深溝底部35.0m。其地形情況詳見(jiàn)圖1和圖2所示。

圖1 深水河大橋5號(hào)墩地形平面圖

圖2 深水河大橋5號(hào)墩實(shí)際地形圖

由于地形的原因，高墩施工塔吊的設(shè)置位置受到了很大的限制。橋墩的C側(cè)被高山占據(jù)，若要在此設(shè)置塔吊，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致大量山體開(kāi)挖，極易造成山體垮塌。為防止垮塌則需增加巨額的防護(hù)費(fèi)用。若設(shè)置于橋墩D、B側(cè)，則塔吊將和連續(xù)剛構(gòu)處于同一軸線上，導(dǎo)致連續(xù)剛構(gòu)無(wú)法施工。因此塔吊設(shè)置最適宜的位置在橋墩的A側(cè)。但橋墩A側(cè)面臨深谷，此方向承臺(tái)尺寸又不足以設(shè)置塔吊基礎(chǔ)，而如果將塔吊基礎(chǔ)置于承臺(tái)底部山坡上，則同樣會(huì)面臨大量山體被挖，且會(huì)造成樁基外露，給基礎(chǔ)帶來(lái)較大的山體側(cè)壓力，影響基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)安全。

3.懸挑式塔吊基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

在上述情形下，筆者結(jié)合實(shí)際地形及工程經(jīng)驗(yàn)，提出了為塔吊設(shè)置懸挑式基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方案。該方案將塔吊設(shè)置于懸挑式三角鋼架上，三角鋼架與承臺(tái)內(nèi)的預(yù)埋件進(jìn)行焊接連接，最終將塔吊荷載傳遞到承臺(tái)。

為滿足上部掛籃的吊裝的需要，該工程選用了中聯(lián)TC6015型塔吊，塔機(jī)高度103.5m。塔吊基礎(chǔ)采用懸挑式三角鋼架與承臺(tái)預(yù)埋件相連接。懸挑式基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖3～4。

a）側(cè)面圖 b）平面圖

圖3 懸挑式塔吊基礎(chǔ)（懸挑鋼架）設(shè)計(jì)圖

圖4 懸挑式塔吊基礎(chǔ)預(yù)埋件布置圖（立面）

懸挑鋼架主要由主要受力桿、連接桿及預(yù)埋件組成。其中主要受力桿分為：水平桿、斜桿及短撐桿。水平桿及斜桿為400×408×21×21的雙拼H型鋼，材質(zhì)為Q345。短撐桿為20b雙槽鋼，材質(zhì)為Q345。連接桿由水平向斜桿和短桿組成，均為400×408×21×21的H型鋼，材質(zhì)為Q235。預(yù)埋件由鋼板和鋼筋焊接而成，預(yù)埋在承臺(tái)混凝土內(nèi)，位置如圖3和4所示。

4.懸挑式塔吊基礎(chǔ)鋼架受力檢算

受力檢算總體思路為：根據(jù)塔吊設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)中提供的各項(xiàng)參數(shù)，分別按工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)兩種情況考慮，并選取其中較為不利的荷載，對(duì)鋼架主要受力構(gòu)件：水平桿、斜桿和短撐桿進(jìn)行檢算。

4.1 塔吊設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)塔吊設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，塔吊在工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)兩種工況下，支腿上支腳上存在壓力F2，拉力F3。相應(yīng)地，可得到塔吊支腿處的各項(xiàng)反力，如表1及圖5所示。

4.2 懸挑鋼架桿件檢算

根據(jù)上述塔吊設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)懸挑鋼架的檢算分為工作狀態(tài)檢算和非工作狀態(tài)檢算。檢算采用容許應(yīng)力法，使用MIDAS軟件進(jìn)行計(jì)算。首先根據(jù)懸挑鋼架設(shè)計(jì)方案建立基本模型，然后分別對(duì)兩種工況進(jìn)行檢算。

4.2.1 工作狀態(tài)檢算

工作狀態(tài)時(shí)懸挑鋼架計(jì)算模型如圖6所示，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖7所示，變形計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

由圖8，工作狀態(tài)時(shí)最大豎向變形僅1mm，小于容許值1500/400=3.8mm，剛度滿足要求。

4.2.2 非工作狀態(tài)檢算

非工作狀態(tài)計(jì)算模型如圖9所示，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖10所示，變形計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

圖9 懸挑鋼架非工作狀態(tài)計(jì)算模型（單位：kN）

圖10 懸挑鋼架非工作狀態(tài)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（單位：kPa）

由圖10，非工作狀態(tài)時(shí)最大應(yīng)力僅107.2MPa，小于Q235及Q345鋼材的較小容許應(yīng)力140MPa，強(qiáng)度滿足要求。

圖11 懸挑鋼架非工作狀態(tài)變形計(jì)算結(jié)果（單位：m）

由圖11，非工作狀態(tài)時(shí)最大豎向變形僅1.2mm，小于容許值3.8mm，剛度滿足要求。

綜上，懸挑鋼架桿件安全。

4.3 鋼架與基礎(chǔ)的連接及預(yù)埋件檢算

限于篇幅，僅列出反力較大處的計(jì)算結(jié)果，其余各處計(jì)算與此相同（計(jì)算結(jié)果均通過(guò)）。

水平桿承受的反力計(jì)算結(jié)果如圖12所示。

a）工作狀態(tài)

b）非工作狀態(tài)

圖12 懸挑鋼架水平桿反力計(jì)算結(jié)果（單位：kN）

工作狀態(tài)時(shí)1根水平桿處的豎向反力共146kN，非工作狀態(tài)時(shí)共158kN。取后者計(jì)算。

4.3.1 鋼架與基礎(chǔ)的連接檢算

鋼架與基礎(chǔ)的連接采用焊接?，F(xiàn)場(chǎng)施工焊接形式為連續(xù)焊接。

根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，兩根水平桿與基礎(chǔ)連接處的焊縫總長(zhǎng)度不小于750×2=1500mm，焊高不小于10mm，則焊縫應(yīng)力為

即使考慮焊縫的應(yīng)力不均勻性，取應(yīng)力不均勻系數(shù)0.7，焊縫應(yīng)力也僅有21.5MPa，遠(yuǎn)小于Q345B焊接強(qiáng)度容許值120MPa，故連接安全。

4.3.2 預(yù)埋件檢算

單個(gè)預(yù)埋件承受豎向反力316/2=158kN。該拉力由15根Ф25的HRB335鋼筋與混凝土的粘結(jié)力承受。每根鋼筋長(zhǎng)度為650mm。變形鋼筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度約為1.38MPa，15根鋼筋的總粘結(jié)力不小于15×650×3.14×25×1.38/1000=1056.2kN，遠(yuǎn)大于158kN，故預(yù)埋件安全。

5.懸挑式鋼架施工過(guò)程簡(jiǎn)述

鋼架各部位在鋼構(gòu)件廠內(nèi)放大樣準(zhǔn)確切割下料，用小型平板車(chē)分批運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，采用一臺(tái)16噸吊車(chē)逐件吊裝，現(xiàn)場(chǎng)焊接成型，焊接完成后，每條焊縫經(jīng)過(guò)超聲波檢測(cè)合格后投入使用。

6.懸挑鋼架基礎(chǔ)與鋼筋混凝土基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)比較

采用混凝土基礎(chǔ)需鋼筋2.1t，混凝土50m3（5m×5m×2m），需2.1T×4800元/t+50m3×390m3/元=29580元。

一個(gè)懸挑鋼架需要鋼材7411kg鋼材，按5000元/t計(jì)算（含安裝費(fèi)），花費(fèi)37055元，殘值7.4t×2000元/t=14800元?？紤]安全因素需要在鋼架下方增加支撐，需要φ1.5m樁基處3m，3m×2000元/m=5400元，20工字鋼12m，計(jì)0.37t，花費(fèi)1295元。合計(jì)29550元。

懸挑鋼架的成本與混凝土基礎(chǔ)成本基本持平。

7.結(jié)論

根據(jù)上述計(jì)算及比較，懸挑式塔吊基礎(chǔ)安全可靠，費(fèi)用合理，且能有效滿足地形及施工中的各項(xiàng)要求。本工程從2012年3月15日開(kāi)始，到2013年5月10日年結(jié)束，施工期間塔吊運(yùn)轉(zhuǎn)順利，沒(méi)有出現(xiàn)任何安全及使用問(wèn)題，反映出該設(shè)計(jì)的合理性。該塔吊基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)可為同類(lèi)工程提供有益的參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1] GB50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.[S]

[2] JGJ81-2002 鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程.[S]

[3] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三版）

[4] 預(yù)埋件設(shè)計(jì)手冊(cè)

作者簡(jiǎn)介：

孟雪俊，1980年 男 工程師 主要從事橋梁工程施工及管理工作。