塔吊钢结构基础设计应用研究

雷志新 李 栋 陈有志

1 概述

现在城市高层建筑施工受施工场地的限制,塔吊常布置在基坑之内,传统的施工方法是在建筑物基坑土方开挖完毕后进行安装,这将占用工期,且安装不便。采用逆作法施工塔吊,可以有效地解决这一问题。逆作法施工塔吊基础,就是事先在基坑范围内塔吊的安装部位施工灌注桩,桩端插入钢格构柱,在土方开挖前施工塔吊基础混凝土承台或钢平台,安装塔吊。本文将对塔吊组合式基础钢平台进行研究,对于保证塔吊的施工安全具有一定意义。

2 钢格构柱设计

2.1 钢格构柱构造

格构式钢柱采用四肢角钢组合柱,角钢为等边角钢,格构柱截面尺寸一般为450×450,缀件通常采用缀板式,以利于格构柱插入基桩钢筋笼内,也可采用缀条式。

2.2 钢格构柱计算

其中,Nmax为格构柱最大轴心压力设计值;A为构件分肢毛截面面积之和;f为钢材抗拉抗压强度设计值;φ为轴心受压构件稳定系数,根据换算长细比、钢材屈服强度,按GB 50017-2003钢结构设计规范取值。

2)格构柱刚度。格构柱刚度应满足:

其中,λmax为格构柱绕两主轴 x,y的换算长细比λox,λoy的最大值。

3)格构柱分肢稳定。当缀件为缀板时,分肢长细比λ1≤0.5λmax且 λ1≤40;当缀件为缀条时,分肢长细比 λ1≤0.7λmax。

其中,λx,λy分别为整个构件对x轴、y轴的长细比;λ1为分肢对最小刚度轴的长细比,其计算长度为相邻两缀板间的净距离,分别为构件截面中垂直于x轴、y轴的各斜缀条毛截面面积之和。

1)钢格构柱整体稳定。钢格构柱为四肢截面,按b类截面计算。整体稳定性按下式计算:算:缀条通常采用单杆斜缀条,按受压杆计算。单个斜缀条内力为:.缀板计算:缀板按受弯构件计算,单个缀板的剪力和弯矩分别为:

其中,fy为钢材的屈服强度;α为斜缀条与横缀条间的夹角;l1为相邻缀板轴线间的距离;a为格构柱分肢形心轴间的距离。

2.3 格构柱计算长度讨论

对于钢平台基础,格构柱下端嵌固于钻孔灌注桩内,上端与钢平台焊接,计算模型可按下端固定、上端可移动但不转动的受压柱考虑。此种受压柱的计算长度系数为1.0,但考虑到实际施工时格构柱上端与钢平台的连接很难保证为完全固结,因此计算长度系数应取大于1.0的系数以偏于安全。本文建议格构柱的计算长度取1.2l0。

3 钢平台设计

3.1 钢板平台

灌注桩、格构柱的轴线与塔吊基础节的柱脚相对应,每根格构柱顶面安装一块钢板,钢板通过4个螺栓与格构柱分肢连接,螺栓焊接于分肢角钢上,钢板与分肢间加焊三角形加劲板(见图1)。

钢板与格构柱分肢通过螺栓连接,进行钢平台与格构柱连接计算时,为计算方便,假设钢板传给格构柱的荷载全部由螺栓承担。

3.1.1 螺栓与分肢间的焊缝计算

1)焊缝内力计算。

焊缝受到拉力(压力)和水平荷载共同作用,将水平荷载向焊缝中心移动,可得到焊缝的应力(见图2)。图2中 N1为单个螺栓所受的最大拉力(压力),F1为单个螺栓所受的水平力,塔吊的水平荷载由4个钢板平台的16个螺栓平均分摊,M1为水平力移动到焊缝中心后的弯矩。

其中,σf为按焊缝有效截面计算,垂直于焊缝长度方向的应力;τf为按焊缝有效截面计算,沿焊缝长度方向的剪应力;fwf为角焊缝的强度设计值;βf为正面角焊缝的强度设计值增大系数,此处按直接承受动力荷载的结构考虑,βf=1.0。

3.1.2 螺栓强度计算

其中,d为螺栓直径;t为钢平台厚度;de为螺栓在螺纹处的有效直径分别为螺栓的抗剪和抗压强度设计值为螺栓抗拉强度设计值;Nv,Nt分别为螺栓承受的剪力和拉力。

3.1.3 平台钢板计算

平台钢板应进行抗弯和抗剪强度计算,按双向简支板考虑,此处从略。

3.2 钢梁平台

钢平台的另一种做法为钢梁平台,由两根互相垂直交叉的H型钢组成,该种形式的钢平台不受桩基间距限制。在4个格构柱的顶部各焊接一块钢垫板,将制作好的十字钢梁吊装到钢垫板上进行焊接。为了增强钢梁的整体性,在钢梁端部四周焊接槽钢。

3.2.1 内力计算

钢梁计算简图见图3。

每根钢梁上的两个集中力为:

其中,F为塔机作用于基础顶的竖向荷载;M为塔机作用于基础顶的倾翻力矩;L1为塔机对角线上两立柱轴线间的距离。

3.2.2 梁截面计算

局部承压强度计算:钢梁上安装塔吊铁脚位置处和钢梁支座处,受集中荷载作用,局部承压强度应满足5hy。其中,Mx为钢梁绕x轴的弯矩;Wnx为对x轴的净截面模量;γx为截面塑性发展系数;V为计算截面沿腹板平面作用的剪力;S为计算剪应力处以上毛截面对中和轴的面积矩;I为毛截面惯性矩;tw为腹板厚度;fv为钢材抗剪强度设计值;F为集中荷载;lz为集中荷载在腹板计算高度上边缘的假定分布长度;a为集中荷载沿梁跨度方向的支撑长度;hy为自梁顶面至腹板计算高度上边缘的距离。

2)刚度计算。

钢梁的挠度应满足:v≤[vT]=l/400。其中,v为荷载标准值产生的最大挠度;[vT]为规范规定的受弯构件的最大挠度。

3)整体稳定计算。

H型钢梁腹板和翼缘的宽厚比一般都能得到保证,不需验算局部稳定。

4 构造及施工要求

1)钢格构柱插入钻孔灌注桩中不小于2 000 mm,施工时先将钢格构柱的四根角钢分别与下部钻孔桩钢筋笼焊接牢固,再整体吊入孔内,严格控制插入的垂直度。2)平台钢板必须水平,表面平整度控制在L/1 000以内,L为钢平台基础的外边缘长度。3)十字梁应于格构柱顶之间设置钢垫板,钢垫板与格构柱分肢焊接,并焊接加劲板。十字梁的轴线交点到4个格构柱的中心点等距,并使十字梁H型钢的腹板与格构柱的对角线重合。4)在基坑开挖过程中,随基坑分层开挖及时在格构柱四周安装型钢水平支撑和斜向支撑系杆,将4个格构柱连成整体。型钢的截面积不小于格构柱分肢的截面积。为了增大格构柱的抗扭刚度,土方开挖后沿柱高在截面宽度的9倍处设置横隔,横隔为水平剪刀撑,采用不小于∠63×5的角钢与格构柱焊接。5)土方开挖时应分层对称开挖,减少土体侧移对桩的影响。施工机械应避免碰撞钢格构柱,做好对格构柱的保护。6)格构柱穿越地下室底板和顶板时,应在分肢型钢上焊接钢止水片,止水片的位置在地板和顶板中间。

5 结语

现在这一新型的塔吊逆作法施工方法正逐步得到应用,但钢平台基础形式多样,计算方法也不统一。因此笔者建议:1)对于多种型号的塔吊进行验算,优化钢平台基础设计,形成统一规范的计算方法;2)对于有争议的一些问题,进行进一步的研究,达成共识。这对于保证塔吊施工安全具有重要意义。

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