矩形板式塔吊基础设计与验算.pdf

2023 年 28 期设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application矩形板式塔吊基础设计与验算张红博，戚双星*，易咏，曾远来，黄梓涵（中化学南方建投（江西）有限公司，江西 赣州 341499）随着我国经济的快速发展，城市基础设施在不断完善，大量工程不断开工建设，在施工过程中常选用塔吊作为主要垂直运输工具1-2。通过塔吊选择和布设可很好覆盖建筑施工现场，加快工程现场的作业进度和提高施工效率，实现缩短周期，达到节约成本的目的3。塔吊的基础设计与验算结果是否满足规范要求，将直接影响着塔吊基础施工和未来使用过程中的安全4。在现有工程实践中，关于塔吊基础施工设计与验算分析主要在具体工程中有针对性地开展相关研究。例如李钢5根据在建铁路桥墩基础施工中采用的塔吊基础为例，并对选用的两种方案下基础平台的稳定性进行了验算。夏文等6则以深圳某项目为例，优化设计了塔吊基础，并验证了塔吊基础符合受力要求。李俊等7则以工程中的桥梁工程为例，采用有限元模型开展了塔吊基础的安全性分析，验证了以悬臂现浇梁体顶板为基础的塔吊基础是具有合理性的。此外，何凯波8在基于工程实践中发现的水环境会对塔吊基础造成不良影响，为此，开展了水中塔吊基础的承载分析及基础验算，并全过程开展塔吊基础沉降量的现场观测，数据得出了投入后的塔吊基础沉降符合安全要求。综上所述，学者们就不同工程中遇到的塔吊基础问题，开展了相关的研究，并已取得了一些有益成果，但是关于矩形板式塔吊基础设计与分析还很少涉及。基于此，本文以赣州市某在建项目为例，考虑其上部结构将采用大量的钢结构梁和钢结构柱，其中最大钢柱的质量可达 15 t，此外还需要运输大量的钢筋、模板、机械设备等，如果采用汽车吊或者履带吊进行吊装作业，则很难快速完成现场的吊装任务，也无法满足现场施工进度的要求。故选择采用塔吊配合吊装作业，而塔吊基础的正确选择与合理布设将是该工程建基金项目：中化学南方建投（江西）有限公司项目（CNCEC 研-202203）第一作者简介：张红博（1984-），男，工程师。研究方向为工程管理。*通信作者：戚双星（1989-），男，博士，工程师。研究方向为岩土工程、工程管理。摘要：塔吊作为工程建设中常用的运输设备，始终贯穿于施工全过程。该文以某拟建项目现场塔吊基础设计为例，首先介绍该工程拟采用的塔吊布设；然后开展矩形板式塔吊基础设计与验算。研究结果表明，在拟建工程现场所选用 T600-25U 型号塔吊；塔吊基础采用钢筋为 4 根 渍1 000 的桩基，双向 HRB400 12350 的竖向连接筋和 HRB400 25200 的水平筋的承台；验算得出的矩形板式塔吊基础力学性满足安全性要求。研究成果为类似工程采用矩形板式桩基础的塔吊基础设计与验算提供指导。关键词：塔吊基础；设计分析；验算；矩形板式；塔吊布设中图分类号院U455文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤28-0员员圆-0缘Abstract:As a commonly used transportation equipment in engineering construction,tower crane always runs through thewhole process of construction.Taking the foundation design of the tower crane on the site of a proposed project as an example,this paper first introduces the layout of the tower crane to be used in the project,and then carries out the foundation design andchecking calculation of the rectangular plate tower crane.The research results show that the T600-25U tower crane is selected atthe proposed project site,and the tower crane foundation adopts foundation piles with 4 渍1000 steel bars,two-way verticalconnection bars of HRB400 12350 and horizontal bars of HRB400 25200.The mechanical properties of the tower cranefoundation obtained from the calculation meet the safety requirements.The results of the study provide guidance for the design andverification of tower crane foundations with rectangular slab pile foundations for similar projects.Keywords:tower crane foundation;design analysis;checking calculation;rectangular plate;tower crane layoutDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.28.028112-设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 28 期设的必然需求，尤其塔吊基础的合理选择不仅可节约大量的成本，提高施工的效率，而且可以避免施工过程中安全事故发生9-10。因此，非常有必要结合本项目在建工程中选择的塔吊类型，开展塔吊基础设计与验收研究。1工程概况某在建项目位于江西赣州，建成后的效果图如图1 所示。本工程总建筑面积约为 50 000 m2，建筑高度达32 m，主体为钢结构。图 1在建项目效果图2塔吊布设根据地质条件、周边环境情况及当地气候特征，塔吊的布设尽可能覆盖主要的工作面，满足对大型材料及重型材料（如钢结构）的吊装吊运，同时也要考虑到塔吊自身便于安装和拆卸。根据前期的施工组织设计，在建的该项目拟采用塔吊作为主要运输工具，且塔吊基础拟采用钻孔灌注桩。根据项目的总平面布置图，本拟建项目安装 3台塔吊；其中在 A 馆和 B 馆中庭里各安装 1 台型号T600-25U 塔吊（A 馆称 1#塔吊和 B 馆称 2#塔吊），在场外南侧安装 1 台型号 W350-20U 塔吊（称 3#塔吊）。现场每台塔吊起吊高度及回旋半径可结合施工需求进行合理调整，具体的塔群平面位置关系如图 2 所示。3塔吊基础设计与验算3.1塔吊属性及计算参数综合图 2 本项目中拟采用的塔群平面位置图，其中在本项目中拟布设 1#塔吊、2#塔吊和 3#塔吊。考虑到现场对垂直运输设备的需要，下文将以臂长 50 m的 1#塔吊（T600-25U）基础设计为例，塔吊的安装高度为 60 m，标准节数为 1+9，塔身采用方钢管桁架结构。1#塔吊起重性能参数具体见表 1。1#塔吊传达给基础荷载标准值和设计值情况见表 2。塔吊基础的桩顶以下土层的岩土力学参数见表 3。图 2塔群平面位置图表 11#塔吊臂长起重性能表塔机荷载 荷载情况 竖向荷载标准值Fk/kN 水平荷载标准值Fvk/kN 倾覆力矩标准值Mk/(kNm)标准值 非工作状态 1 142.5 153.0 4 802.3 工作状态 1 348.3 42.1 5 808.3 设计值 非工作状态 1 542.4 206.6 6 483.1 工作状态 1 820.2 56.9 7 841.2 表 2T600-25U 塔吊荷载表土层名称 厚度li/m 侧阻力特征值qsia/kPa 端阻力特征值qpa/kPa 抗拔系数 素填土 7.5 24 0 0.3 卵石 2 74 2 400 0.8 全风化泥质岩 1 80 1 400 0.8 强风化泥质粉砂层 4 150 2 500 0.8 中风化泥质粉砂层 11 200 5 200 0.8 表 3桩基土层参数表幅度/m 二倍率/t 四倍率/t 4.323.5 12.50 25.00 27.5 12.50 22.66 30.0 12.50 20.44 32.5 12.50 18.58 35.0 12.50 17.00 37.5 12.50 15.63 40.0 12.50 14.44 42.5 12.50 13.39 45.0 12.50 12.46 47.5 12.50 11.63 49.0 12.50 11.17 50.0 12.20 10.89 1#塔吊范围内2#塔吊范围内3#塔吊范围内2#塔吊 T600-25U臂长 60 m3#塔吊 W350-20U臂长 50 m1#塔吊 T600-25U臂长 50 m113-2023 年 28 期设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application3.2塔吊基础承台尺寸设计根据特种设备相关规范及选用的塔吊类型，再结合该项目的地质报告和安全受力计算相关要求。拟建塔吊基础采用 C35 混凝土浇筑成长 8m，宽 8m，高 1.6m的矩形承台，其中桩底标高为-13.5 m，桩有效长度为13.5 m，桩身普通钢筋配筋为 HRB400 的 16椎20，设计参数符合相关规范，具体如图 3 所示。此外，必须考虑到塔吊基础不得与建筑物底板等结构冲突。桩基入土深度为 10 m，以 C30 混凝土和 4 根 渍1 000 的钢筋浇筑而成。图 3塔吊基础布置图塔吊基础自重荷载标准值为Gk=bl（h酌c+h忆酌忆）=8伊8伊（1.6伊25+0伊19）=2 560 kN。则塔吊基础承台尺寸，其自重荷载设计值为G=1.35Gk=1.35伊2 560=3 456 kN。基础桩对角线距离为L=（ab2+al2）0.5=（42+42）0.5=5.657 m。标准组合下的基础承台轴心竖向力作用Qk=（Fk+Gk）/n=（1 348.3+2 560）/4=977.075 kN。塔吊基础承台的偏心竖向力作用下为Qkmax=（Fk+Gk）/n+（Mk+FVkh）/L=（1 348.3+2 560）/4+（5 808.3+42.1伊1.6）/5.657=2 015.728 kN。Qkmin=（Fk+Gk）/n-（Mk+FVkh）/L=（1 348.3+2 560）/4-（5 808.3+42.1伊1.6）/5.657=-61.578 kN。基本组合下的基础承台偏心竖向力作用Qmax=（F+G）/n+（M+Fvh）/L=（1 820.205+3 456）/4+（7 841.205+56.835伊1.6）/5.657=2 721.233 kN。Qmin=（F+G）/n-（M+Fvh）/L=（1 820.205+3 456）/4-（7 841.205+56.835伊1.6）/5.657=-83.130 kN。3.3桩承载力验算3.3.1竖向抗压承载力桩身周长：u=仔d=3.14伊1=3.14 m。桩端面积：Ap=仔d2/4=3.14伊12/4=0.785 m2。Ra=鬃u撞qsia li+qpa Ap=0.8伊3.14伊（7.5伊24+2伊74+1伊80+3伊150）+2 500伊0.785=4 117.796 kN。Qk=977.075 kN臆Ra=4 117.796 kN。Qkmax=2 015.728 kN臆1.2Ra=1.2伊4 117.796=4 941.355 kN，满足。3.3.2竖向抗拔承载力Qkmin=-61.578 kN0 kN。计算的桩基拔力为Qk忆=61.578 kN。考虑地下水下的桩身重力标准值为Gp=（d1-d+hz）酌z+（lt-（d1-d+hz）（酌z-10）Ap=（0-0+1.33）伊25+（13.5-（0-0+1.33）伊（25-10）伊0.785=169.403 kN。Ra忆=鬃u撞姿iqsiali+Gp=0.8伊3.14伊（0.3伊7.5伊24+0.8伊2伊74+0.8伊1伊80+0.8伊3伊150）+169.403=1 667.560 kN。Qk忆=61.605 kN臆Ra忆=1 667.560 kN，满足。3.3.3桩身承载力纵筋截面面积为As=n仔d2/4=16伊3.14伊202/4=5 024.000 mm2。1）轴心受压桩身承载力。桩顶轴向压力设计值和竖向承载力设计值关系为Q=2 721.233 kN臆R=3 500 kN，满足。2）轴心受拔桩桩身承载力。桩顶轴向拉力设计值为Q忆=83.130 kN臆fyAs=（360伊5 024.000）伊10-3=1 808.640 kN，满足。3.3.4桩身构造配筋计算As/Ap伊100%=（5 024.000/（0.785伊106）伊100%=0.64%逸0.5%，满足。3.3.5裂缝控制计算1）纵向受拉钢筋的配筋率。有效受拉混凝土截面面积为Ate=d2仔/4=1 0002伊3.14/4=785 000.000 mm2。4 0002 000X8 000Y单位：mm114-设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 28 期As/Ate=5 024.000/785 000.000=0.0060.01，取 籽te=0.01。2）纵向钢筋等效应力为：滓sk=Qk忆/As=61.578伊103/5 024.000=12.257 N/mm2。3）纵向受拉钢筋应变不均匀系数为：鬃=1.1-0.65ftk/（籽te滓sk）=1.1-0.65 伊2.01/（0.01 伊12.257）=-9.559，取 鬃=0.2。4）受拉纵钢筋等效直径为：dep=撞nidi2/撞ni淄idi=（16伊202）/（16伊1伊20）=20 mm。5）最大裂缝宽度为：棕max=琢cr鬃滓sk（1.9c+0.08dep/籽te）/Es=2.7伊0.2伊12.257伊（1.9伊50+0.08伊20/0.01）/200 000=0.008 mm臆棕lim=0.2 mm，满足。3.4承台载力验算3.4.1荷载计算忽略承台及上土体的自重Fmax=F/n+M/L=1 820.205/4+7 841.205/5.657=1 841.194 kN。Fmin=F/n-M/L=1 820.205/4-7 841.205/5.657=-931.055 kN。承台底部所受最大弯矩Mx=2Fmax（ab-B）/2=2伊1 841.194伊（4-2）/2=3 682.388 kN.m=My。承台顶部所受最大弯矩Mx忆=2Fmin（ab-B）/2=2伊（-931.055）伊（4-2）/2=-1 862.110 kN.m=My忆。计算底部配筋和顶部配筋，承台有效高度都为h0=1 600-50-25/2=1 537.500 mm。3.4.2受剪切计算V=（F/n+M/L）伊2=1 841.194伊2=3 682.388 kN。则 茁hs=（800/1 537.500）1/4=0.849。塔吊边缘至角桩内边缘水平距离为：a1b=（ab-B-d）/2=（4-2-1）/2=0.5 m，同理 a1l=0.5 m。剪跨比为姿b忆=a1b/h0=500/1 537.500=0.325，取 姿b=0.325；同理姿l忆=0.325，取 姿l=0.325。剪切系数琢b=1.75/（姿b+1）=1.75/（0.325+1）=1.321，同理 琢l=1.321。茁hs琢bftbh0=0.849伊1.321伊1.57伊103伊8伊1.537 5=21 657.847 kN。V=3 682.388 kN臆min（茁hs琢bftbh0，茁hs琢lftlh0）=21 657.847 kN，满足。3.4.3受冲切计算承台底受到的冲切范围为B+2h0=2+2伊1.537 5=5.075 m，ab-d=4-1=3 m臆B+2h0=5.075 m，同理 al-d=5.075 m。3.4.4承台配筋计算1）承台长向配筋面积为：琢S1=My/（琢1fcbh02）=3 682.388伊106/（1伊16.7伊8 000伊1 537.5002）=0.012。灼1=1-（1-2琢S1）0.5=1-（1-2伊0.012）0.5=0.012，酌S1=1-灼1/2=1-0.012/2=0.994。AS1=My/（酌S1h0fy1）=3 682.388伊106/（0.994伊1 537.500伊360）=6 693.073 mm2。最小配筋率为：籽=0.15%。配筋面积为：A1=max（AS1，籽bh）=max（6 693.073，0.001 5伊8 000伊1 600）=19 200 mm2。承台长向实际配筋为：AS1忆=20 126 mm2逸A1=19 200 mm2，满足。2）承台短向配筋面积为：琢S2=0.012；灼2=0.012；酌S2=0.994；AS2=6 693.073 mm2；最小配筋率：籽=0.15%；故需要配筋为：A2=19 200 mm2。故短向实际配筋为AS2忆=20 126 mm2逸A2=19 200 mm2，满足。3）承台顶面长向配筋面积为：琢S1=M忆y/（琢1fcbh02）=1 862.182伊106/（1伊16.7伊8 000伊1 537.5002）=0.006。灼1=1-（1-2琢S1）0.5=1-（1-2伊0.006）0.5=0.006。酌S1=1-灼1/2=1-0.006/2=0.997。AS3=M忆y/（酌S1h0fy1）=1862.110伊106/（0.997伊1537.500伊360）=3 374.369 mm2。最小配筋率为：籽=0.15%。承台顶需要配筋为A3=max（AS3，籽bh，0.5AS1忆）=max（3 374.369，0.001 5伊8 000伊1 600，0.5伊20 126）=19 200 mm2。承台顶长向实际配筋为AS3忆=20 126 mm2逸A3=19 200 mm2，满足。115-2023 年 28 期设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application4）承台顶面短向配筋面积为：琢S2=0.006；灼2=0.006；酌S2=0.997；AS4=3 374.369 mm2；最小配筋率为籽=0.15%；承台顶需要配筋为A4=19200mm2；承台顶面短向配筋为AS4忆=20 126 mm2逸A4=19 200 mm2，满足。5）承台连接筋的配筋。塔吊基础承台则采用 HRB400 12350 的双向竖向连接筋，采用 HRB400 25200 的水平筋。4结束语结合赣州市某在建项目中塔吊基础为例，选择T600-25U 型号的塔吊为研究对象，建议采用矩形板式基础桩基采用的桩为 4 根 渍1 000 桩基，竖向连接筋为双向 HPB300 12350。经设计分析与验算得出拟采用矩形板式塔吊基础强度及稳定性均满足相关规范要求，为其他类似工程中采用矩形板式桩基础的塔吊基础设计提供了指导。参考文献院1 刘猛，黄春，王京京，等.基于混合整数线性规划的塔吊选型与布置优化J.土木工程与管理学报，2020，37（2）：142-150.2 王力伟，纪遥昊，龚威，等.浅析使用拉森钢板桩进行局部板式桩塔吊基础施工的方法J.中国建筑装饰装修，2021（9）：122-123.3 陈智宇，何亮，魏爱平，等.特大型商业综合体塔吊选型及平面布置原则分析J.工程技术研究，2021，6（19）：240-241.4 苏健，李俊.格构式钢平台塔吊基础在基坑中的设计与施工J.建筑施工，2016，38（11）：1523-1525.5 李钢.塔吊基础设计与验算浅析J.甘肃科技纵横，2017，46（2）：64-66，98.6 夏文，李攀，王雁普，等.塔吊基础与基坑支护结构体系相结合的设计与验算J.广州建筑，2020，48（2）：40-44.7 李俊，任鑫，刘洪键，等.既有结构作为塔吊基础的安全影响分析J.天津建设科技，2022，32（3）：44-46.8 何凯波.石潭湘江特大桥水中塔吊基础施工技术J.交通建设与管理，2022（1）：58-62.9 叶春，张浩军.锚固式型钢平台塔吊基础设计与施工J.科技创新与应用，2020（12）：87-89.10 陈伟波.高层建筑施工塔吊的选型及平面布置分析J.福建建材，2021（7）：89-90，93.为 36.8%和 59.3%。综上所述，评价结果与无信控人行横道处的实际安全情况相吻合，验证了评价结果的准确性。3结论在分析无信号控制路段人行横道多重威胁冲突特性的基础上，构建无信号控制路段人行横道多重威胁冲突风险评估模型，划分安全风险等级并进行实例应用。对于冲突概率，引入过街对象不同分布的到达率，更加贴合实际情况，减少冲突概率计算结果误差。对于潜在碰撞严重程度，本文以机动车速度、减速度及与过街对象的交错时间差这 3 个指标来量化严重程度，并将 3 个指标进行联合，使评价更加准确。将调查数据带入模型中求解出冲突风险数值，利用模糊 C-均值聚类算法评价行人和电动自行车在不同时段的交通安全风险等级，将风险等级分为 3 级（安全、较安全、危险），结合实际情况分析结果，验证了评价结果的准确性。参考文献院1 袁黎，何娟，张璇.基于车流冲突线的无信号交叉口风险分析J.交通运输系统工程与信息，2019，19（4）：172-178.2 袁黎，刘汉龙.基于车流当量期望冲突量无信号交叉口安全风险分析研究J.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2014，38（4）：757-762.3 朱胜雪，陆键援公路平面交叉口安全评价指标及方法J.交通运输工程与信息学报，2011，9（3）：26-30.4 向红艳，张清泉，范文博.基于蒙特卡洛模拟的无信号行人过街安全度模型J.交通运输系统工程与信息，2016，16（4）：171-177.5 马莹莹，温沉，陆思园.无信号路段人行横道人车冲突概率估计J.重庆交通大学学报（自然科学版），2020，39（1）：15-22.6 JIN X X，ZHANG Y，WANG F，et al.Departure headways atsignalized intersections：A log-normal distribution model ap原proachJ.Transportation Research Part C Emerging Technolo原gies，2009，17（3）：318-327.渊上接 111 页冤116-