塔吊底座与钢结构转换平台栓焊混合连接设计

刘瑞武，金 虎，吉红波，邢国然

LIU Ruiwu1，JIN Hu2，JI Hongbo3，XING Guoran3

(1.浙江佳汇建筑设计股份有限公司，浙江 绍兴312000;2.华润新鸿基房地产(杭州)有限公司，浙江 杭州310020;3.浙江中成建工集团有限公司，浙江 绍兴312000)

目前的高大建筑均有深大基坑，担负着基坑内水平运输及垂直运输的塔吊大部分放在地下室中，可以有效提高塔吊的覆盖范围。地下室内的塔吊大部分采用逆作钢格构式塔吊基础，塔吊基础节与钢格构柱的连接需配一个过渡的转换平台进行有效连接。

1 工程概况

某工程占地面积9920 m2，总建筑面积为35866.7 m2，地下1 层，地上24 层，结构高度97.90 m。合理考虑塔吊覆盖范围，在坑内主楼南侧设置1 台先置式钢格构柱塔吊，租赁公司提供的塔吊型号为QT80A，其基础节有4 个底座，每个底座通过4 颗高强螺栓与转换平台连接。

塔吊桩顶标高- 5. 950 m，转换平台面标高-1.450 m，桩间距1500 mm。在每根塔吊桩内插入450 mm×450 mm 钢格构柱(嵌入桩内2000 mm)，该钢格构柱主肢由4 根L140 × 10 角钢(L =6500 mm)与缀板-400 ×200 ×10@500 焊接组成，柱间用L140 ×10 角钢@1500 焊接支撑形成整体，其平面内强度和整体稳定性验算满足要求。

由于钢格构柱截面尺寸为450 mm×450 mm，塔吊底座螺栓孔间距为440 mm，两者之间若厚钢板直接螺栓连接会发生严重冲突，现场已制作型转换平台，便于塔吊基础底座与转换板栓焊连接。

2 转换平台设计

转换平台采用上下两块厚钢板与井字板焊接而成的空间结构，并在高强螺栓对应位置开孔便于安装螺栓，同时利用塔吊柱脚底板扩散螺栓轴向集中拉力，防止转换板发生破坏。

型转换板结构下部中间设置“十”字竖向加劲肋与转换板双面焊、四周设置竖向缀板与转换板单面焊以增强转换板抗弯能力。缀板与“十”字竖向加劲肋采取单面坡口熔透焊。见图1。

图1 转换平台图

3 焊接验算

3.1 塔吊基础荷载工况

塔吊基础荷载工况见表1，塔吊基础受力示意图见图2。

表1 塔吊基础荷载工况

图2 塔吊基础受力示意图

由表1 可知，塔吊非工作状态承受的倾覆弯矩很大，为最不利受力工况，对柱脚连接的设计起控制作用，因此柱脚焊缝连接仅按塔吊的非工作状态进行计算。

3.2 柱脚最大轴向拉力设计值

塔吊柱脚底板与转换平台连接承受拉力作用为最不利受力状态，柱底受压偏安全，因此焊缝承载力应按柱脚最大轴向拉力并取塔吊非工作状态计算。

3.3 柱脚剪力设计值

3.4 焊缝验算

根据《钢结构设计规范(GB 50017—2003)》第7.1.3 条规定，在通过形心的拉、剪力的共同作用下，直角角焊缝的强度按如下公式进行计算。

正面角焊缝(作用垂直于焊缝长度方向):

侧面角焊缝(作用力平行于焊缝长度方向)

式(1～3)中:σf—按焊缝有效截面计算，垂直于焊缝长度方向的正应力;

τf—按焊缝有效截面计算，沿焊缝长度方向的剪应力;

he—角焊缝的计算高度，直角焊缝为0.7hf(角焊缝焊脚尺寸);

lw—角焊缝计算长度，每条焊缝取实际长度减去2hf;

βf—正面角焊缝的强度设计值增大系数，承受直接动力荷载的结构βf= 1.0。

焊接连接角焊缝的计算参数为:焊缝高度hf=10 mm，焊缝计算高度he= 0.7 ×10 = 7 mm，焊缝计算长度lw= 560 -2 ×10 = 540 mm，焊缝强度fw

f =160 N/mm2。

由于塔吊基础节柱脚底板与格构柱端部转换板周边围焊，每边焊缝承受的拉力N = 1061.2/4 =265.3 kN，承受剪力V = 38.9/2 = 19.4 kN。

将焊缝计算参数和内力代入式(1)～(3)得:角焊缝正应力

角焊缝剪应力

角焊缝等效综合应力

焊缝高度满足承载力要求，表明焊缝连接形式安全可行。

4 栓接验算及质量控制

4.1 栓接验算

每个塔吊柱脚与转换板均采用4 颗10. 9 级M30 高强螺栓连接，同时利用塔吊柱脚底板扩散螺栓轴向集中拉力的垫板。10.9 级M30 高强螺栓的设计预拉力值为355 kN，则4 颗高强螺栓能承担355 ×4 =1420 kN 的拉力，远大于1061.2 kN，能满足塔吊抗拔要求。

4.2 质量控制

(1)对于通过高强螺栓进行连接的钢结构，制作时必须首先注意高强螺栓摩擦面的加工质量及安装前的保护。

(2)钢构件角度偏差将严重影响构件组装时的高强螺栓穿孔率。构件的扭曲会影响连接面间的间隙。因此在钢结构制作时应控制其变形。

(3)在安装高强螺栓摩擦面前，必须将摩擦面保护好，防止污染、锈蚀。

(4)对高强螺栓安装工艺(包括操作顺序、安装方法、紧固顺序、初拧、终拧)进行严格控制检查，拧螺栓的扭力扳手应进行标定等。

5 塔吊柱脚底板承载力计算

5.1 底板计算模型

根据塔吊柱脚底板的受力与边界约束条件，底板简化为中部承受塔柱等效均布拉力和水平剪力，板内部分开洞的四边简支板计算模型。见图3。

图3 塔吊柱脚底板计算简图

5.2 有限元分析计算

底板内力分析采用ANSYS 通用有限元分析软件，单元选择SHELL181 壳元，该单元可以考虑薄膜应力、弯曲应力和材料弹塑性。有限元分析采取自动增量加载，按照MISES 准则进行材料屈服判断，采用牛顿-拉夫森法进行方程求解的平衡迭代控制。见图4、图5。

Q235 钢材弹性模量E =2.06 ×105N/mm2，泊松比v =0.3，屈服强度fy=235 N/mm2，设计强度f=205 N/mm2。

由塔吊柱脚位移云图6 可知，塔吊底板跨中位移最大Δmax=0.6 mm，相对变形δmax=0.6/560 =1/933，柱脚刚度能够满足塔吊正常使用要求。

图4 塔吊柱脚有限元模型

图5 塔吊柱脚加载与边界条件

图6 塔吊柱脚位移(mm)

图7 塔吊柱脚MISES 应力(MPa)

MISES 应力为材料在复杂应力状态下的等效综合应力，可作为弹塑性材料的屈服判断条件。柱脚MISES 应力云图7 显示，底板的MISES 应力均未超过钢材的屈服强度设计值，表明底板强度满足结构的承载力极限状态要求。

底板应力分布特点为:加劲肋端部区域应力最大，由外向内逐渐减少，底板中部应力较小;圆形螺栓孔处应力适中、过渡平缓，没有出现应力集中现象;MISES 应力基本呈对称分布。加劲肋端部底板局部应力较大的原因在于:底板中部在轴向拉力和水平剪力的共同作用下，端部受到加劲肋与边界约束作用，端部位移较小，而中部位移较大，因此板端将承受轴向荷载产生的弯矩作用，导致板端区域应力增加。

底板周边应力约为71.5 MPa，与按照钢结构规范计算的角焊缝综合应力值70.4 MPa 非常接近，有限元分析的结果证实了焊缝设计的正确性，而且进一步说明了焊接施工质量控制的重要性，使底板支座约束的计算模型符合塔吊基础实际工作性能，以此确保塔吊的使用安全。

6 结 语

QT80A 塔吊基础节底座比较特殊，现场在钢格构柱端部焊接制作转换平台便于塔吊底座与转换板栓焊混合连接形成一体，解决了常规尺寸钢格构柱柱角与塔吊底座螺栓孔冲突问题。通过应用ANSYS 有限元软件计算评估塔吊基础安全性，并严格控制栓焊连接施工质量，从而充分保证了塔吊设备安全可靠地投入使用。