超高層深基坑內(nèi)爬塔吊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、超高層深基坑內(nèi)爬塔吊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【摘 要】本文主要介紹了超高層建筑深基坑內(nèi)爬塔吊空間高挑式基礎(chǔ)的 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)某超高層建筑的具體特點(diǎn)，分別從塔機(jī)的選型，塔吊位置 的選擇，基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)傳力體系設(shè)計(jì)與計(jì)算，著重介紹了鋼格構(gòu)式挑高柱和 塔吊鋼筋砼支撐平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念和構(gòu)造。為本工程基坑支護(hù)和基礎(chǔ)工程的 施工提供了較大的方便，提高了機(jī)械的使用效率，同時(shí)也為超高層建筑的 塔吊設(shè)置拓展了空間。【關(guān)鍵詞 】塔吊基礎(chǔ) 格構(gòu)式鋼柱 灌注柱 混凝土承臺(tái)一、概述（一）工程概況某工程地下 3層，地上部分裙房 8層，塔樓 50層，總建筑面積 131188 平方米，建筑總高度 199.32 米。結(jié)構(gòu)形式為鋼管混凝土框架 -

2、筒體結(jié)構(gòu) + 框架結(jié)構(gòu) +鋼結(jié)構(gòu)，塔樓建筑平面呈正三角形，塔樓外圍由12 根直徑1100mm壁厚24mmt勺鋼管柱（鋼管柱內(nèi)澆注混凝土）構(gòu)成框架體系，中間 由正三角形的鋼筋混凝土核心筒組成筒體結(jié)構(gòu)。（二）塔機(jī)型號(hào)及安裝位置勺確定塔機(jī)布設(shè)示意圖由于直徑1100mm壁厚24mm勺鋼管柱采用Q345B鋼板卷制而成，設(shè)計(jì)要求鋼管柱每節(jié)的安裝高度至少為兩樓層，因此每節(jié)鋼管柱長(zhǎng)度約為10米，重量6.5t左右。經(jīng)過對(duì)圖紙的認(rèn)真研究及詳細(xì)的市場(chǎng)調(diào)查分析，決定 采用內(nèi)爬式塔吊，塔吊布置在核心筒內(nèi)中央的電梯井內(nèi)，塔機(jī)隨著塔樓的 施工，逐步向上爬升。根據(jù)計(jì)算，內(nèi)爬塔機(jī)至少在 200t.m以上，依此我們 進(jìn)行了詳細(xì)的

3、市場(chǎng)調(diào)查分析及比較，最后決定采用張家港生產(chǎn)的POTAINMC230塔機(jī)，該塔機(jī)有效臂長(zhǎng)55米，起重力距230t.m。（三）塔吊基礎(chǔ)形式的選擇本工程核心筒基坑開挖深度達(dá) 22.5m,設(shè)三道鋼筋混凝土水平內(nèi)支撐， 如果將塔機(jī)基礎(chǔ)設(shè)置-22.5m處，在土方開挖完成后無法按常規(guī)方法將塔機(jī) 安裝起來、且在土方開挖過程中要進(jìn)行三道鋼筋混凝土內(nèi)支撐的施工，需要塔機(jī)配合進(jìn)行垂直運(yùn)輸，因此必須在土方?jīng)]有開挖前將塔機(jī)安裝完畢。鑒于上述原因，經(jīng)過查閱大量的與此相關(guān)的工程資料，最后決定采用鋼結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土灌注樁聯(lián)合基礎(chǔ)，將塔機(jī)基礎(chǔ)節(jié)的安裝平面抬高到士 0.000m。塔機(jī)設(shè)置于施工平面圖的A15軸線和1/BF軸線交匯

4、處的電梯井內(nèi)。（具體見塔基施工平面圖）。MC230A塔機(jī)的基礎(chǔ)設(shè)置在由四根長(zhǎng) 23m橫截面塔基施工平面圖0.5mx 0.5m格構(gòu)式鋼柱組成的 組合格構(gòu)鋼柱上，組合鋼柱截面 尺寸為2.2m x 2.2m。而該格構(gòu)式 鋼柱設(shè)置在四根長(zhǎng)13.5m直徑為 © 1000的混凝土灌注樁上。二、空間高挑式塔機(jī)基礎(chǔ)計(jì)算（一）塔機(jī)技術(shù)參數(shù)MC230A內(nèi)爬塔機(jī)垂直壓力kg水平力kg風(fēng)荷載kg.m上部彎 距kg.m最大支反力kg壓力拉力工作狀態(tài)10290241211315586897112500074000非工作狀態(tài)9090214526461610111112157000112000（二）混凝土灌注樁承載

5、/抗拔計(jì)算1、混凝土灌注樁軸向受向容許承載力計(jì)算:按最大支承反力（壓力）1570KN核算根據(jù)本工程巖土工程初步勘察報(bào)告中8.地基巖土承載力、基礎(chǔ)方案計(jì)算樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值。樁長(zhǎng)計(jì)算：-2 土層,樁7.34米；-3 土層,樁長(zhǎng)2.8米；土層, 樁長(zhǎng)1.5米；-1 土層,樁長(zhǎng)0.5米；入中風(fēng)化，按2米計(jì)算。QUk= u X 藝 E 司 qsik 丄 i+u . E s f rc hr+ E p f rc Ap=6167KNt> 1570KN,滿足要求！其中：u 成樁周長(zhǎng)（m）E sj 側(cè)阻力發(fā)揮系數(shù)，本工程取0.7E s為嵌巖段側(cè)阻力修正系數(shù),本工程取0.055E p為嵌巖段端阻力修正系數(shù),

6、本工程取0.18qsik 各層土極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值,見勘察報(bào)告表8.2.2.1,計(jì)算時(shí)取其1/2.f rc 為嵌巖天然狀態(tài)單軸極限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值Li 樁周第i層土的厚度（m）；a p樁身橫截面面積（m）hr 樁身嵌巖長(zhǎng)度.2、混凝土灌注樁承受拔力的樁基容許承載力計(jì)算：按最大支承反力（拉力）1120K N核算樁長(zhǎng)計(jì)算：-2 土層,樁7.34米；-3 土層,樁長(zhǎng)2.8米；土層, 樁長(zhǎng)1.5米；-1 土層,樁長(zhǎng)0.5米；入中風(fēng)化，按2米計(jì)算。QUk= u X 藝 E sj qsik Li + u . E s f rc hr +0.9 G s=4949KN> 1120 KN 滿足要求!Gs 扣除浮

7、力后，按設(shè)計(jì)樁徑確定的樁身自重（KN,扣除浮力后現(xiàn)樁自重 二（23.5-10） n /4 1.02 14 =148KN,（三）塔機(jī)設(shè)置的格構(gòu)式鋼柱整體穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算（即：假設(shè)四根500X 500的鋼柱組合成2200 X 2200的格構(gòu)式鋼柱）1、格構(gòu)式鋼柱力學(xué)性能計(jì)算附圖：塔吊基礎(chǔ)設(shè)計(jì)圖扁鋼Zo = 4.55 cm F 腹二 25.6主弦桿160 X 16角鋼 腹桿160 X 1624F 主二 49.07 cm Ix = 1175 cm i x = 4.89 cm2cmJi = 4(lx + a主) = 515524 cm(Ji + a 2F)=6565680 cm第 19 頁(yè)底板鋼筋混凝土取值

8、：巾分別為0.1157 ; 0.27113W 總二 J 總 /a = 72952 cmJ總Y =彳 F總 91.58cm入二卩 Lo / y = 52.49& = F M / W 總 N非工作狀態(tài)：£ =6.781工作狀態(tài)：£ = 2.097根據(jù)入、£，按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范2、格構(gòu)式鋼柱整體容許應(yīng)力計(jì)算（T =N / 巾 A2非工作狀態(tài)：c =1001 kg /cm v （T 滿足工作狀態(tài)：（T =483 kg /cm 2 v 。 滿足（四）塔機(jī)設(shè)置的格構(gòu)式鋼柱局部穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算假設(shè)四根500 X 500的鋼柱組合成2200 X 2200的格構(gòu)式鋼柱。因?yàn)?在土

9、方開挖前，塔機(jī)已經(jīng)安裝到位，且四根500 X 500的鋼柱無法焊接組成2200X 2200的格構(gòu)式鋼柱，因此必須計(jì)算四根鋼柱沒有組合時(shí)的 內(nèi)力及穩(wěn)定性。1、單肢主弦桿內(nèi)力計(jì)算Na = N/4+M/2b非工作狀態(tài)：Na = 181815 kg工作狀態(tài)：Na = 81428 kg2、格構(gòu)式鋼柱單肢力學(xué)性能計(jì)算主弦桿160 x 16 角鋼 腹桿160 x 16 扁鋼2 2F 主二 4 49.07 cm = 196.3 cm F 腹二 25.6 cm(lx + aF 主)=51552 cmJi = 4入=a Lo / y = 24.68根據(jù)入，按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范取值：巾為0.97023、格構(gòu)式鋼柱單肢許

10、用應(yīng)力計(jì)算(T = Na / 巾 A非工作狀態(tài)：° =955 kg /cm 2 v ° 滿足工作狀態(tài)：（T =428kg /cm 2 v 。 滿足（五）塔機(jī)設(shè)置的格構(gòu)式鋼柱單肢穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算（即：四根500 X 500的鋼柱未經(jīng)組合）1、單肢主弦桿內(nèi)力計(jì)算按最大支承反力（壓力）157000 kg （非工作）/ 125000 kg （工作）核算非工作狀態(tài)：Na = 157000 kg工作狀態(tài)：Na = 125000kg2、格構(gòu)式鋼柱單肢力學(xué)性能計(jì)算主弦桿160 X 16角鋼 腹桿160 X 16扁鋼2 2 2 2F =49.07 cm F 主=4 49.07 cm = 196.

11、3 cm F 腹二 25.6 cmJi =51552 cm43W 總二 J 總 /a = 3337 cmJ總Y刑亡16.21入=a Lo / y = 148.06根據(jù)入，按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 取值：巾為0.31433、格構(gòu)式鋼柱單肢許用應(yīng)力計(jì)算(T = Na /巾 A非工作狀態(tài):2(T =2545 kg /cm> (T 超標(biāo)工作狀態(tài)：2(T =2026 kg /cm> (T 超標(biāo)結(jié)論：格構(gòu)式鋼柱實(shí)際應(yīng)力大于許用應(yīng)力，壓桿過長(zhǎng)失穩(wěn)。4、調(diào)整技術(shù)措施及復(fù)核驗(yàn)算采取技術(shù)措施將格構(gòu)式鋼柱計(jì)算長(zhǎng)度縮短。(1) 措施一：將設(shè)置在長(zhǎng)14m直徑為© 1000的混凝土灌注樁樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高以上 的

12、格構(gòu)式鋼柱下部8m長(zhǎng)部位，繼續(xù)密實(shí)澆搗同級(jí)別的混凝土。(2) 措施二：在塔機(jī)未安裝前，將格構(gòu)式鋼柱上部的4m長(zhǎng)部位，在土方開挖后即用斜/水平腹桿連接組合成 2200 X 2200的整體格構(gòu)式鋼柱)。)(3) 復(fù)核：入二卩 Lo/ y = 73.30根據(jù)入，按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 取值：巾為0.770復(fù)核：格構(gòu)式鋼柱單肢許用應(yīng)力計(jì)算：(T = Na / 巾 A非工作狀態(tài)：° =1039 kg /cm 2 v (T 滿足。工作狀態(tài)：° =827kg /cm 2 v ° 滿足。注：(1.Q235鋼° =1700 kg /cm2。2.按照MC230A塔機(jī)的使用說明書的

13、編制，為便于設(shè)計(jì)計(jì)算，本設(shè)計(jì)計(jì)算仍延用原計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。) 三、塔機(jī)基礎(chǔ)施工過程中的調(diào)整(一)塔機(jī)灌注樁施工調(diào)整在塔機(jī)鋼格構(gòu)柱下灌注樁的施工過程中，由于先前工程樁已經(jīng)施工完畢，導(dǎo)致4號(hào)塔機(jī)灌注樁不能按設(shè)計(jì)施工完 成，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)樁也存在比較大的調(diào)整后塔機(jī)樁位圖偏位，經(jīng)計(jì)算補(bǔ)打5號(hào)樁，同時(shí)將4號(hào)樁移位，經(jīng)過調(diào)整后，5根樁順利施工完畢。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，5根樁的樁位及尺寸見上頁(yè)附圖。（二）調(diào)整后的計(jì)算1、計(jì)算載荷 載荷取值（見塔機(jī)參數(shù)表）2、格構(gòu)式鋼柱單肢力學(xué)性能計(jì)算肢桿 160X 16 角鋼:F = 49.1cm2; F主=4X 49.1 = 196.4 cm2;Ji = 4 (lx + a F 主)=

14、51552 cm4; W> = J 總/a = 3337 cm'。J= 16.22F總根據(jù)，按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，入=a Lo / y =40.07巾取值為0.922。3、混凝土承臺(tái)設(shè)計(jì)方案-7 -承臺(tái)平面示意圖混凝土承臺(tái)厚1.5m，按H級(jí)鋼，C30混凝土計(jì)算，承臺(tái)頂長(zhǎng)方向配 3025 （可雙層配置），短方向配3225,承臺(tái)底配筋與頂部一致。承臺(tái)豎 直方向配置2560撐筋、梅花布置。承臺(tái)配筋圖另詳。4、鋼桁架設(shè)計(jì)方案相鄰鋼格構(gòu)柱間焊接160X 16角鋼聯(lián)系加強(qiáng)形成整體，下圖給出立面和平面示意圖，所有聯(lián)系肢桿均采用 160X 16角鋼那217712G27if n行鋼桁架立面展開示意圖鋼

15、桁架平面示意圖5、有限元模型計(jì)算格構(gòu)式鋼柱受力的最不利情況出現(xiàn)在在非工作狀態(tài)下，最大支撐拉力1120KN最大支撐壓力1570KN風(fēng)荷載4616 kN?m 上部彎距1111 kN?m。計(jì)算以下幾種工況:序號(hào)工況基礎(chǔ)應(yīng)力基礎(chǔ)位移SMNSMXDMXSMX11號(hào)點(diǎn)受拉,4號(hào)點(diǎn)受壓.416E-0398.12912.18512.18524號(hào)點(diǎn)受拉,1號(hào)點(diǎn)受壓.225E-0371.66110.67610.67633號(hào)點(diǎn)受拉,2號(hào)點(diǎn)受壓.326E-0351.03311.61811.61842號(hào)點(diǎn)受拉,3號(hào)點(diǎn)受壓.809E-0373.50912.48412.484下圖荷載布置為承臺(tái)平面示意圖中1號(hào)點(diǎn)承受最大支承

16、拉力1120kN4號(hào)點(diǎn)承受最大支承壓力1570kN,風(fēng)載荷4616 kN?m上部彎矩1111 kN?NOE>AL SOLUTION塔機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)力圖下圖荷載布置為承臺(tái)平面示意圖中2號(hào)點(diǎn)承受最大支承拉力1120kN,3號(hào)點(diǎn)承受最大支承壓力1570kN,風(fēng)載荷4616 kN?m上部彎矩1111 kN?NODAL SOLUTIOMSTEP=iSXJB !TIHE=1USUH(AVG>RSYS-0DUX =丄2.485jun io zone ia：se：i38.3235.95611.098y-71112.485SHX =1Z.485塔機(jī)基礎(chǔ)位移圖根據(jù)上述有限元計(jì)算結(jié)果，格構(gòu)式鋼柱中最大應(yīng)力為

17、98.1MPa出現(xiàn)在 工況1應(yīng)力圖中標(biāo)識(shí)MX的位置；最大位移變形12.49mm出現(xiàn)在工況4位 移圖中標(biāo)識(shí)MX的位置。匚=98.1MPa f = 0.922 170= 157MPa 滿足(5)根據(jù)塔吊手冊(cè)，工作狀態(tài)下的扭矩為 20229kg?m將該荷載與最不 利情況1結(jié)合考慮。NODAL SOLUTIONANSTEP=1 SUB =1TIIIElSBQV(AViDHX *36.6.79SHN -.001618SKX =103.35®JUW 丄！5Z00621:04:£4UOD&L SOLUTIONSTEP-1SUB =1TIME=1USUH(AVG3RSYS=OI&g

18、t;HX -36SMX .52AN位移圖此時(shí)最大應(yīng)力為103.4MPa,位移37mm符合要求。計(jì)算比較各種工況，鋼格構(gòu)柱底最大拉力出現(xiàn)在工況2,為1044kN;最大壓力出現(xiàn)在工況1,為2383kN最大彎矩出現(xiàn)在工況1,為16kN?m6、單個(gè)格構(gòu)柱錨入樁基承載力驗(yàn)算由于采用鋼筋混凝土承臺(tái)進(jìn)行塔機(jī)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換，因此內(nèi)力通過承臺(tái)重新 分配后，單個(gè)格構(gòu)柱所應(yīng)承擔(dān)的最大拉拔力為 1044KN。根據(jù)先前設(shè)計(jì)，500X 500截面鋼格構(gòu)柱錨入樁基2500mm格構(gòu)柱采用 L160X 16角鋼、-16鋼板焊接而成，焊縫高度16mm鋼材采用Q235鋼， 灌注樁混凝土采用 C35。 計(jì)算柱側(cè)摩擦力Pi=ft X A f

19、 t 取 0.3N/ mm 2=1920KN 計(jì)算綴板正焊縫承載力F2=0.7 X hf X Lwp f X ft=2293.8KN其中，hf取16 m, Lw為正焊縫長(zhǎng)度，B f取1.0, f t取160 N/ m 2 格構(gòu)柱錨固力P= P1+ P2=4213.8KN單個(gè)格構(gòu)柱拉拔力 1044KN,滿足。四、塔機(jī)基礎(chǔ)施工流程及要點(diǎn)（一）施工流程塔機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算t計(jì)算書、設(shè)計(jì)成果專家論證t塔機(jī)鋼格構(gòu)柱焊接制作-塔機(jī)灌注樁施工、插入鋼格構(gòu)柱-在自然地表做鋼筋混凝土承臺(tái)、 預(yù)埋塔機(jī)螺栓T安裝塔機(jī)T隨土方開挖將鋼格構(gòu)柱進(jìn)行焊接組合T鋼格構(gòu) 柱穿越基礎(chǔ)底板時(shí)焊接止水鋼板T使用過程中的垂直度、沉降監(jiān)測(cè)。（二）施工要點(diǎn)1 、灌注樁定位尺寸準(zhǔn)確，成樁質(zhì)量要符合標(biāo)準(zhǔn)。2、鋼格構(gòu)柱插入灌注樁的錨固長(zhǎng)度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，并確保鋼格構(gòu)柱 的垂直度控制在1/1000。將插入部位的鋼柱與 © 1000的混凝土灌注樁的 鋼筋焊接連接3、鋼格構(gòu)柱的焊接質(zhì)量必須滿足設(shè)計(jì)要求。4、鋼格構(gòu)柱應(yīng)與塔機(jī)鋼筋混凝土承臺(tái)有效連接， 確保承臺(tái)的施工質(zhì)量， 包括鋼筋綁扎、塔機(jī)螺栓的預(yù)