塔式起重機(jī)固定式基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)

1、塔式起重機(jī)固定式基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)朱森林(湖南省建六公司設(shè)備公司,湖南長沙410007摘 要為解決施工現(xiàn)場布置塔式起重機(jī)基礎(chǔ),因受建筑物結(jié)構(gòu)等影響不能按塔機(jī)說明書提供的標(biāo)準(zhǔn)圖樣進(jìn)行時(shí),對基礎(chǔ)功能進(jìn)行剖視分析,提出容合建筑物結(jié)構(gòu)作為塔機(jī)基礎(chǔ)的方法。關(guān)鍵詞塔式起重機(jī) 基礎(chǔ) 受力 構(gòu)造中圖分類號T H213 3文獻(xiàn)標(biāo)識碼B文章編號1001 1366(200003 0012 04在建筑工程中常采用固定附著式塔式起重機(jī),其需要穩(wěn)固的基礎(chǔ),在實(shí)際施工中由于各種原因需要更改原塔機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。下面對塔機(jī)基礎(chǔ)的變更設(shè)計(jì)進(jìn)行分析探討。1 固定式塔機(jī)基礎(chǔ)受力情況塔式起重機(jī)在未附著狀態(tài)產(chǎn)生的各種作用力均直接作用在基礎(chǔ)上。如以未

2、附著時(shí)最大架設(shè)高度狀態(tài)下產(chǎn)生的各種載荷加于基礎(chǔ)來計(jì)算,并以使用較廣泛的機(jī)重50t 的QT80型塔機(jī)為例,其傾覆力矩M max 約1800kNm,其固定使用基礎(chǔ)承受的載荷見表1。從表1中可看出,塔機(jī)作用在基礎(chǔ)上的載荷主要有重力G 、水平力W 、傾覆力矩M 及扭矩M k ,其中水平力W 較小,略去不計(jì);扭矩M k 也不很大,一般只在配筋計(jì)算時(shí)考慮。因此在塔機(jī)基礎(chǔ)的計(jì)算中主要考慮垂直力G 及傾覆力矩M 兩項(xiàng)載荷。圖5 腹桿所受軸向壓力示意圖4腹桿采用 50 5的等邊角鋼,截面積S 3=4 8cm 2,繞最小剛度軸1 1的回轉(zhuǎn)半徑r =0 98cm,腹桿計(jì)算長度l 0=94cm,計(jì)算長細(xì)比 =96,查

3、得軸心受壓桿件穩(wěn)定系數(shù) =0 631。 腹桿的穩(wěn)定計(jì)算:=Fn /( S 3=129M Pa<170M Pa 校核結(jié)果:安全。5 結(jié)論根據(jù)以上分析計(jì)算可知,QT 60/80塔機(jī)加強(qiáng)后的臂架(如圖2所示在危險(xiǎn)截面B 、D 和E 處的強(qiáng)度、穩(wěn)定均滿足安全條件的要求,上弦桿和腹桿也滿足單肢穩(wěn)定的要求,如果局部結(jié)構(gòu)處理合理該改造方案是可行的。楊 穎,副教授,河北張家口市建國路33號收稿日期:1999 03 11!12!設(shè)計(jì)研究建筑機(jī)械化2000(32 塔機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算2 1 基礎(chǔ)幾何尺寸計(jì)算按基礎(chǔ)抗傾覆及地基土壤承載能力計(jì)算基礎(chǔ)幾何尺寸。選方形基礎(chǔ)為例,將各種參數(shù)簡化后可建立圖1所示的力學(xué)模型

4、。圖中G 1為塔機(jī)作用載荷,G 2為基礎(chǔ)砼質(zhì)量,M max 為最大傾覆力矩,則(G 1+G 2b /2=kM max (1G 2=r b 2h (2將(2代入(1得(G 1+r b 2h b /2=kM max(3式中 k 安全系數(shù),取k 為2; r 砼容重。圖1 塔機(jī)方型基礎(chǔ)力學(xué)模型示意圖在應(yīng)用(3式進(jìn)行初始計(jì)算時(shí),式中有b 、h兩個(gè)未知數(shù),這里應(yīng)考慮基礎(chǔ)底面的單位壓力應(yīng)小于選用地基土壤的容許承載力,以保證地基不會發(fā)生陷滑破壞,即建立在彈性地基上。地基主要承受載荷G 1、G 2及M m a x ,由于實(shí)際分布原因應(yīng)理解為偏心受壓基礎(chǔ),但偏心距e b /6,故可忽略。假設(shè)砼基礎(chǔ)是剛體,則2bK

5、 3=M ,K =3M2b,而b 4P =K =3M 2b ,P =6Mb2,P #=6M b 2 1b =6M b3式中 P 基礎(chǔ)邊緣所作用于土壤上壓力總和;P # 基礎(chǔ)邊緣所作用于土壤上單位面積壓力。P max =G 1+G 2A+P #=G 1+rb 2h b 2+6Mb3%P &(4聯(lián)立公式(3和(4即可求出b 、h 。確定基礎(chǔ)幾何尺寸后即可確定砼基礎(chǔ)的體積和質(zhì)量。2 2 配筋計(jì)算2 2 1 底板鋼筋方形的塔機(jī)基礎(chǔ)在承受前述荷載時(shí)沿塔身四周產(chǎn)生彎曲,當(dāng)彎曲應(yīng)力超過基礎(chǔ)抗彎強(qiáng)度時(shí)基礎(chǔ)底板將發(fā)生彎曲破壞。此時(shí)基礎(chǔ)底板為雙向彎曲板,將土壤壓力按對角線劃分,則基礎(chǔ)按邊長方向產(chǎn)生的彎矩應(yīng)

6、等于圖2中梯形底面積上土壤壓力所產(chǎn)生的力矩。由圖2可知,基礎(chǔ)承受反力的最大彎矩產(chǎn)生在塔身邊沿截面I I 處,應(yīng)有M I =112S 2(2b +b (P imax +P iI (5式中 M I 截面I I 處彎矩(kNm;P imax 基礎(chǔ)底面邊緣最大壓力(kN/m 2;P iI 基礎(chǔ)底面I I 處壓力(kN/m 2;S 截面I I 至基底邊緣最大壓力處距離(m;b 、b 基礎(chǔ)底邊長及塔身邊長(m 。圖2 基礎(chǔ)承受壓力示意圖根據(jù)底板內(nèi)力可計(jì)算截面所需的鋼筋面積 A s =M /0 9h 0f y(6式中 M 配筋截面處的設(shè)計(jì)彎矩(Nmm;f y 鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm 2;h 0 基礎(chǔ)

7、鋼筋高度(cm。!13!2000(3建筑機(jī)械化設(shè)計(jì)研究2 2 2 抗扭鋼筋前面提到,塔機(jī)在工作狀態(tài)產(chǎn)生的扭矩M k 對基礎(chǔ)有一定的影響,但其作用載荷不大,一般QT 80型塔機(jī)均不大于30tm,按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(中鋼筋砼的受扭公式來計(jì)算,均不需要配置抗扭鋼筋。實(shí)際在一般塔機(jī)使用說明書中提供的基礎(chǔ)圖樣也未設(shè)置過抗扭鋼筋,所以此時(shí)的扭矩M k 應(yīng)由砼的強(qiáng)度來承受,其計(jì)算公式為M k /W t <0 25f c(7式中W t 為截面抗扭塑性抵抗矩,對于塔機(jī)基礎(chǔ)方形截面W t =b 3/3;f c 為砼的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度。若在現(xiàn)場實(shí)際借用建筑物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),如校核強(qiáng)度不夠應(yīng)以提高砼的標(biāo)號來解決。如特殊情

8、況下需要配置扭鋼筋,應(yīng)按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(中的計(jì)算公式,這里就不贅述了。2 3 確定基礎(chǔ)高度及豎直鋼筋基礎(chǔ)板塊在塔機(jī)重力作用下應(yīng)是局部集中荷載,有可能因強(qiáng)度不夠而發(fā)生沖切破壞,其破壞形式會從塔身周邊起呈斜拉狀態(tài),與底面夾角約45,如圖3所示。一般塔機(jī)基礎(chǔ)配置有豎直鋼筋,這時(shí)基礎(chǔ)底板的沖切強(qiáng)度按下式計(jì)算G f y Ay(8式中f y 為鋼筋屈服強(qiáng)度;A y 為穿過沖切破壞錐體 斜截面的全部豎筋截面積。圖3 沖切破壞形式示意圖從圖中可看出,如板塊厚度h 0越大,其沖切破壞錐體的底面積也越大,所容豎筋也越多。如果不配置豎直鋼筋,其砼板的沖切強(qiáng)度可按下式計(jì)算。 G i 0 6f t b m h 0(

9、9 G i =P i A(10式中 G i 沖切荷載設(shè)計(jì)值;f t 砼的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度,C30級為15N/mm 2; b m 沖切破壞斜截面上的上邊長b t 與下邊長b b 的平均值,b m =(b t +b b /2;h 0 基礎(chǔ)沖切破壞錐體的有效長度; A 考慮沖切荷載時(shí)取用的多邊形面積; P i 在荷載設(shè)計(jì)值作用下基礎(chǔ)底面單位面積上的地基土壤壓力,可取最大單位壓力。3 實(shí)例設(shè)計(jì)現(xiàn)以QT80型塔機(jī)為例進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。3 1 確定基礎(chǔ)有關(guān)尺寸數(shù)據(jù)從表1中取G 1=479kN,M max =1750kNm;查地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值%P &=180kPa,代入(3和(4式得(479+2 4 b 2 h

10、 b /2=2 1750479+2 4 b 2 h b 2+6 175b 3=180解得b =4 6m,圓整為5m,則h =1 55mV =38 75m 3G 2=930kN 。此處圓整時(shí)加大b 并減小h 的尺寸是為減小地基土壤壓力,當(dāng)現(xiàn)場為松軟土壤地基時(shí)更應(yīng)如此。3 2 土壤壓力計(jì)算按(4式有P maxmin =G 1+G 2A 6M b3解之得P max =140kPa,P min =-27 64kPa 。P min 為負(fù)值即拉力,因基礎(chǔ)與地基之間不會承受拉力,故實(shí)際的壓力分布僅正值的三角形區(qū)域。3 3 配筋計(jì)算觀圖2,有關(guān)系式P I =b -sbP max =5-1 65 140=95

11、2kPaM I =112S 2(2b +b (P m a x +P I =593kNm則 A SI =M I0 9h 0I f y=20 71cm 2故選20!20250c /c 。!14!設(shè)計(jì)研究建筑機(jī)械化2000(33 4 沖切復(fù)核觀圖3,h 0=15 5mm,b b =BC =1800+2 1515=4830mm,則沖切荷載作用面積A =(b +b b 2 (b -b b 2=0 42m 2G I =P m a x A =58kN根據(jù)(9式計(jì)算基礎(chǔ)抗沖切強(qiáng)度0 6f t b m h 0=0 6 1 1 103 (1 8+4 8321515=3314kN 58kN,故足夠安全。4 塔機(jī)基礎(chǔ)

12、的形式及構(gòu)造4 1 整體式基礎(chǔ)如圖4所示,實(shí)際施工中使用較多。這種基礎(chǔ)可以是獨(dú)立的,也可以與建筑物結(jié)構(gòu)相連,甚至作 成建筑物地下底板的一部分。圖4 整體式基礎(chǔ)4 2 分塊式基礎(chǔ)如圖5所示,跨幅較大的塔機(jī)采用分塊式鋼筋砼基礎(chǔ),裝有行走底架。這種基礎(chǔ)可以預(yù)制,也可以現(xiàn)場澆制, 其優(yōu)點(diǎn)是可以重復(fù)使用。圖5 分塊式基礎(chǔ)4 3 墩柱承臺式基礎(chǔ)在高層建筑施工中由于有深基坑及地下室底層的復(fù)雜結(jié)構(gòu),使整體式基礎(chǔ)較難采用。近些年在實(shí)際工作中采用了如圖6所示的墩柱承臺式基礎(chǔ),通過墩柱與土壤的摩擦阻力來增加其抗傾覆力矩,承臺也可作成建筑物底板的一部分,經(jīng)濟(jì)實(shí)用。這時(shí)塔機(jī)的整體穩(wěn)定性設(shè)計(jì)除計(jì)入墩柱質(zhì)量外還可計(jì)入其與土

13、壤的摩擦阻力, 故實(shí)際效果較好。圖6 墩柱承臺式基礎(chǔ)5 結(jié)束語1作用在塔機(jī)基礎(chǔ)上的3個(gè)主要荷載即重力G 、彎矩M 、扭矩M k ,在實(shí)際工況中它們是同時(shí)作用在基礎(chǔ)上的,故在精確分析時(shí)應(yīng)采用迭加法進(jìn)行計(jì)算,其理論分析相當(dāng)復(fù)雜,不能用一個(gè)統(tǒng)一公式計(jì)算。故筆者提出,如考慮另外荷載的影響,在前述各式進(jìn)行計(jì)算時(shí)再乘以一個(gè)系數(shù)應(yīng)能包容。本人參閱了國外西瑪(simma塔機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)資料,并引用了起重機(jī)設(shè)計(jì)的安全保險(xiǎn)系數(shù)而提出2倍安全系數(shù),在實(shí)際應(yīng)用中確實(shí)可行,可供參考。2塔機(jī)使用說明書一般均提供設(shè)計(jì)好的整體式基礎(chǔ),能滿足使用要求,但較為保守,即占用的砼體積較大,此外許多施工單位為安全起見盲目加大基礎(chǔ)體積,造成極大的浪費(fèi)。3在實(shí)際應(yīng)用中,塔機(jī)基礎(chǔ)的布置往往會與建筑物結(jié)構(gòu)相干涉,有時(shí)現(xiàn)場土壤承載能力不夠,需擴(kuò)大基礎(chǔ)底面積以減小對土壤的壓力;有時(shí)因其它原因的影