塔吊基礎(chǔ)格構(gòu)柱穩(wěn)定性計(jì)算及影響因素分析

郭銀龍

上海建工一建集團(tuán)有限公司 上海 200120

1 工程概況及塔吊選型分析

南京世茂G11項(xiàng)目商辦分期酒店式公寓總承包工程位于南京市建鄴區(qū)，為1棟超高層酒店公寓，占地面積約3 500 m2，總建筑面積約138 000 m2。本工程結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)，外框?yàn)殇摿⒅?。塔樓地?6層，總建筑高度約260 m，主體區(qū)域地下4層，局部有地下夾層。

工程前期地下室一柱一樁鋼柱已經(jīng)施工完成，均為方管柱和圓管柱，布置于－19.00～－0.15 m標(biāo)高范圍；我公司進(jìn)場(chǎng)施工的上部結(jié)構(gòu)鋼立柱共分30個(gè)吊裝分段，1～9層分1層一段，10～25層分2層一段，26層及以上分3層一段。根據(jù)分段，其中1～9層的鋼柱質(zhì)量最大，為9.5～17.2 t。

針對(duì)南京世茂G11工程的地質(zhì)及水文條件，為滿足前期現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度及質(zhì)量較大鋼構(gòu)件的吊裝需要，在塔吊施工的前期策劃中擬采用高樁承臺(tái)塔吊基礎(chǔ)，采用的塔吊型號(hào)為ZSC600-30T塔吊，其30 m作業(yè)半徑能夠覆蓋現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量較大的鋼構(gòu)件堆場(chǎng)，額定起重量20.5 t，滿足施工吊裝要求。

2 高樁承臺(tái)塔吊基礎(chǔ)概述

高樁承臺(tái)塔吊基礎(chǔ)一般采用樁基礎(chǔ)，通過(guò)混凝土承臺(tái)把上部荷載傳遞到承臺(tái)下部的格構(gòu)柱上，再通過(guò)格構(gòu)柱把荷載傳遞到樁基礎(chǔ)上。樁基礎(chǔ)一般采用混凝土灌注樁，內(nèi)插鋼筋籠及格構(gòu)柱。隨著基坑土方開(kāi)挖的進(jìn)行，格構(gòu)柱的獨(dú)立懸臂高度增加，在格構(gòu)柱外側(cè)設(shè)置豎向及橫向剪刀撐，將格構(gòu)柱分肢連接為整體（圖1）。

圖1 塔吊基礎(chǔ)剖面示意

高樁承臺(tái)塔吊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用4根φ1 000 mm的混凝土灌注樁，灌注樁中心距為3.5 m，有效樁長(zhǎng)度為42.73 m，樁底標(biāo)高為－65.33 m。樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，在灌注樁內(nèi)配置的主筋為14φ25 mm，鋼筋型號(hào)為HRB400；螺旋筋為φ8 mm@200 mm，鋼筋型號(hào)為HRB335；樁混凝土保護(hù)層厚度為50 mm。在4根混凝土灌注樁中均插入格構(gòu)柱，將格構(gòu)柱與灌注樁的主筋進(jìn)行焊接。

格構(gòu)柱截面邊長(zhǎng)為550 m，分肢材料為200 mm×20 mm等邊角鋼，綴件材料為500 mm×400 mm×14 mm，綴板間凈距為400 mm，分肢材料利用綴板進(jìn)行焊接連接。格構(gòu)式鋼柱長(zhǎng)度為21.2 m，自重為110 kN，下部錨入灌注樁的長(zhǎng)度為3 m，上部錨入混凝土承臺(tái)，承臺(tái)高度為1.8 m，其錨入深度為900 mm。

3 格構(gòu)式鋼柱受壓穩(wěn)定性計(jì)算

在高樁承臺(tái)的塔吊基礎(chǔ)受力計(jì)算中，塔吊承臺(tái)、灌注樁的受力比較容易滿足要求，主要問(wèn)題是格構(gòu)式鋼柱的受壓穩(wěn)定性驗(yàn)算。當(dāng)基礎(chǔ)底板施工時(shí)，格構(gòu)式鋼柱獨(dú)立懸臂高度最大，此時(shí)是最不利的塔吊受力情況，只要該情況下的格構(gòu)式鋼柱受壓驗(yàn)算滿足要求即可。

3.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值取定

1）計(jì)算中采用的塔吊型號(hào)為ZSC600，考慮工作狀態(tài)下塔吊的豎向荷載設(shè)計(jì)值、水平荷載設(shè)計(jì)值、傾覆力矩設(shè)計(jì)值、承臺(tái)及其上土的自重荷載設(shè)計(jì)值后，荷載效應(yīng)基本組合偏心豎向力作用下的Qmax=3 370.034 kN。

2）格構(gòu)柱分肢材料200 mm×20 mm等邊角鋼，其截面積A0=76.5 cm2，對(duì)最小剛度軸的回轉(zhuǎn)半徑iy0=3.93 cm，分肢平行于對(duì)稱軸的慣性矩I0=2 867.3 cm4，分肢形心軸距分肢外邊緣距離Z0=5.69 cm，分肢材料屈服強(qiáng)度f(wàn)y=235 MPa，抗拉、壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=215 MPa。

3.2 格構(gòu)式鋼柱換算長(zhǎng)細(xì)比驗(yàn)算

整個(gè)格構(gòu)柱截面對(duì)x、y軸慣性矩I=4[I0＋A0(a/2－Z0)2]=157 026.087 cm4。

整個(gè)構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比λx=λy=H0/[I/(4A0)]0.5=93.586。分肢長(zhǎng)細(xì)比λ1=l01/iy0=10.178。

分肢毛截面積之和A=4A0=30 600 mm2。

格構(gòu)式鋼柱繞兩主軸的換算長(zhǎng)細(xì)比λ0max=(λ2x＋λ21)0.5=94.138，λ0max=94.138≤[λ]=150，滿足要求。

3.3 格構(gòu)式鋼柱分肢的長(zhǎng)細(xì)比驗(yàn)算

λ1=10.178≤min（0.5λ0max，40）=40，滿足要求。

3.4 格構(gòu)式鋼柱受壓穩(wěn)定性驗(yàn)算

λ0max(fy/235)0.5=94.138。查GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的附錄C“b類截面軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)”，得φ=0.594，Qmax/(φA)=185.407 MPa≤f=215 MPa，滿足要求。

4 分析影響格構(gòu)式鋼柱穩(wěn)定性的因素

在塔吊基礎(chǔ)的格構(gòu)柱長(zhǎng)度、材質(zhì)一定的情況下，利用品茗安全計(jì)算軟件對(duì)不同情況下的塔吊基礎(chǔ)的格構(gòu)式鋼柱進(jìn)行計(jì)算，分析影響其穩(wěn)定性的因素[1-3]。

4.1 灌注樁的樁徑

在塔吊基礎(chǔ)的4根混凝土灌注樁中插入格構(gòu)柱，灌注樁的樁徑大小將影響格構(gòu)柱的允許最大截面尺寸，從而影響截面慣性矩和長(zhǎng)細(xì)比。如直徑為1 100 mm的灌注樁允許格構(gòu)柱的最大截面尺寸為600 mm，而1 000 mm的灌注樁允許格構(gòu)柱的最大截面尺寸為550 mm。故灌注樁的樁徑是影響格構(gòu)柱穩(wěn)定性計(jì)算的因素。

4.2 樁心距

在其他條件不變的前提下，通過(guò)調(diào)整灌注樁之間的樁心間距，如將3.5 m的樁心距調(diào)整為3.0 m之后，格構(gòu)柱受壓臨界應(yīng)力由185.407 MPa增大至205.879 MPa，穩(wěn)定性降低。因此，灌注樁的樁心距對(duì)格構(gòu)柱的穩(wěn)定性影響較大。

4.3 格構(gòu)柱分肢材料

格構(gòu)柱分肢截面大小的變化，將影響格構(gòu)柱的分肢毛截面積之和，從而影響格構(gòu)柱的長(zhǎng)細(xì)比及受壓截面積，對(duì)其穩(wěn)定性造成影響。如將分肢截面由200 mm×200 mm×20 mm改為200 mm×200 mm×24 mm，格構(gòu)柱的受壓臨界應(yīng)力由185.407 MPa減小到158.045 MPa，格構(gòu)柱的穩(wěn)定性提高。因此，格構(gòu)柱分肢截面對(duì)格構(gòu)柱穩(wěn)定性影響較大。

4.4 格構(gòu)柱截面尺寸

格構(gòu)柱截面尺寸的變化，導(dǎo)致整個(gè)格構(gòu)柱截面對(duì)x、y軸慣性矩發(fā)生變化，影響格構(gòu)柱長(zhǎng)細(xì)比和穩(wěn)定性。將格構(gòu)柱截面尺寸由500 mm改為550 mm，格構(gòu)柱的受壓臨界應(yīng)力由210.577 MPa減小到185.407 MPa，格構(gòu)柱的穩(wěn)定性提高。因此，格構(gòu)柱截面尺寸對(duì)格構(gòu)柱的穩(wěn)定性影響較大。

4.5 承臺(tái)尺寸

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，塔吊基礎(chǔ)的灌注樁宜均勻?qū)ΨQ布置，且不宜少于4根，邊樁中心至承臺(tái)邊緣的距離不應(yīng)小于樁的直徑或截面邊長(zhǎng)，且樁的外邊緣至承臺(tái)邊緣的距離不應(yīng)小于200 mm。在灌注樁樁心距保持不變的情況下，承臺(tái)尺寸的大小直接影響灌注樁中心至承臺(tái)外端的距離。承臺(tái)尺寸由5.5 m×5.5 m×1.8 m增大至6.0 m×6.0 m×1.8 m后，格構(gòu)柱的受壓臨界應(yīng)力由185.407 MPa增大至189.678 MPa，受壓臨界應(yīng)力的增幅并不明顯。因此，承臺(tái)尺寸對(duì)格構(gòu)柱的穩(wěn)定性影響一般。

4.6 格構(gòu)柱錨入灌注樁的長(zhǎng)度

在本文格構(gòu)柱穩(wěn)定性計(jì)算中，格構(gòu)柱下部錨入灌注樁的長(zhǎng)度為3 m。根據(jù)規(guī)范要求，格構(gòu)式鋼柱下端伸人灌注樁的錨固長(zhǎng)度不宜小于2.0 m，且應(yīng)與基樁的縱筋焊接。調(diào)整格構(gòu)柱錨入灌注樁長(zhǎng)度為2.0 m后，進(jìn)行格構(gòu)柱穩(wěn)定性的計(jì)算，格構(gòu)柱的受壓臨界應(yīng)力從185.407 MPa增加至186.307 MPa，增幅不明顯，說(shuō)明格構(gòu)柱錨入灌注樁的長(zhǎng)度對(duì)格構(gòu)柱的穩(wěn)定性影響一般。

4.7 綴板凈間距

在本文格構(gòu)柱穩(wěn)定性計(jì)算中，綴板規(guī)格為500 mm×400 mm×14 mm，凈間距為400 mm。綴板間距l(xiāng)=800 mm≤2b（分肢型鋼形心軸之間距離）=872 mm，滿足構(gòu)造要求。調(diào)整綴件凈間距為300 mm后，綴板間距l(xiāng)=700 mm≤2b=872 mm，同樣滿足構(gòu)造要求。格構(gòu)柱的受壓臨界應(yīng)力未發(fā)生變化，說(shuō)明綴板凈間距的調(diào)整不影響格構(gòu)柱穩(wěn)定性。

4.8 格構(gòu)柱剪刀撐

隨著基坑土方的分層開(kāi)挖，應(yīng)在格構(gòu)式鋼柱外側(cè)四周及時(shí)設(shè)置豎向剪刀撐，將各格構(gòu)式鋼柱連接為整體。根據(jù)JGJ/T 187—2009《塔式起重機(jī)混凝土基礎(chǔ)工程技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，只要剪刀撐的截面積不小于格構(gòu)式鋼柱分肢的截面積，與鋼柱分肢及綴件的連接焊縫厚度、長(zhǎng)度滿足規(guī)范要求即可。故格構(gòu)柱剪刀撐屬于構(gòu)造措施，不會(huì)影響格構(gòu)柱的穩(wěn)定性。

4.9 影響因素綜合分析

綜上4.1～4.8的分析可知，影響高樁承臺(tái)塔吊基礎(chǔ)格構(gòu)柱穩(wěn)定性的因素分析如表1所示。

影響格構(gòu)柱的穩(wěn)定性因素比較多，對(duì)一般或者無(wú)影響的因素，要按照規(guī)范或構(gòu)造要求進(jìn)行施工，盡量向有利于安全的方面取值；對(duì)于較大的影響因素，則需對(duì)其進(jìn)行認(rèn)真分析，嚴(yán)格按計(jì)算結(jié)果的參數(shù)取值進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工。

表1 格構(gòu)柱受壓穩(wěn)定性因素的綜合分析

5 結(jié)語(yǔ)

在逆作法、深基坑類工程中，選取高樁承臺(tái)塔吊基礎(chǔ)，可解決塔吊樁基埋深較大、前期土方開(kāi)挖階段不能利用塔吊的難題，其施工方便，安全可靠，在工程中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。而塔吊基礎(chǔ)的格構(gòu)柱穩(wěn)定性驗(yàn)算是其中相對(duì)復(fù)雜的部分，應(yīng)著重注意其影響因素，根據(jù)實(shí)際情況合理取值，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，保證塔吊的安全施工與使用。