組合式塔吊基礎(chǔ)在深基坑中的應(yīng)用

董京京（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，江蘇 昆山 215332 ）

1 工程概況

蕭政儲(chǔ)出（2013）40 號(hào)地塊一標(biāo)段工程位于杭州蕭山奧體博覽城板塊，總建筑面積 190 619 m2，其中地上 137 141 m2，地下 53 478 m2。地上為 3 棟超高層，T 3 塔樓地上 54 層，建筑高度 199.800 m，T 4、T 5 塔樓地上 48 層，建筑高度 191.4 m。車(chē)庫(kù)區(qū)域地下 3 層，主樓區(qū)域地下 4 層，自然地坪標(biāo)高 -0.650 m，車(chē)庫(kù)底板標(biāo)高 -13.300 m，塔樓底板標(biāo)高 -15.500 m，電梯坑底標(biāo)高 -19.850 m，基坑開(kāi)挖深度為 12.650～19.200 m。工程為樁筏基礎(chǔ)、框剪結(jié)構(gòu)，工程樁為鉆孔灌注樁?；又ёo(hù)形式設(shè)計(jì)為內(nèi)撐式排樁墻+一道鋼筋混凝土支撐，支撐頂標(biāo)高為 -4.000 m。

充分考慮本工程的各因素，布置 3 臺(tái)中聯(lián)重科 TC 7030 B 型塔吊，T 3、T 4、T 5 塔樓各布置一臺(tái)。

2 塔吊基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本工程基坑深，土方開(kāi)挖量大，開(kāi)挖周期長(zhǎng)，為使深基坑開(kāi)挖期間塔吊可提前投入使用，選用鉆孔灌注樁+鋼格構(gòu)柱 + 混凝土承臺(tái)組合式塔吊基礎(chǔ)，下文以 T 3 塔樓 1 號(hào)塔吊為例進(jìn)行分析。

結(jié)合本工程地勘報(bào)告土壤物理力學(xué)性能參數(shù)、塔機(jī)荷載參數(shù)及杭州市關(guān)于鋼格構(gòu)柱組合塔吊基礎(chǔ)的文件要求，計(jì)算后選用 4 根 ? 900 鉆孔灌注樁，樁間距 3 200 mm，有效樁長(zhǎng) 27 m，樁身縱向配筋為 16 C 25，螺旋箍 ? 10@200；樁頂下 4.5 m 范圍內(nèi)按 ? 10 @ 100 加密；樁身混凝土強(qiáng)度 C 40，樁端進(jìn)入 ⑨-2 圓礫層 ≥5 m。鉆孔灌注樁內(nèi)鋼格構(gòu)柱組合截面為 520 mm×520 mm，分肢采用 4 L 200 mm×20 mm 角鋼，綴板 500 mm×350 mm×10 mm@ 400。鋼格構(gòu)柱間水平支撐及斜支撐采用 L 160 mm×60 mm 角鋼，材質(zhì)均為 Q 235 B，鋼格構(gòu)柱長(zhǎng)度 11.600 m，下端錨入鉆孔灌注樁內(nèi) 4 m，上端錨入基礎(chǔ)承臺(tái)內(nèi) 0.800 m?；A(chǔ)承臺(tái)尺寸為 5 000 mm×5 000 mm×1 600 mm，混凝土強(qiáng)度 C 30。考慮杭州地區(qū)臺(tái)風(fēng)不安全因素，同時(shí)結(jié)合該地區(qū)的專(zhuān)家論證要求，將基礎(chǔ)承臺(tái)設(shè)置于地下二層間，未設(shè)置于地面位置。塔吊基礎(chǔ)相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙見(jiàn)圖 1、圖 2。

圖1 塔吊基礎(chǔ)立面圖

3 塔吊基礎(chǔ)相關(guān)計(jì)算

該種組合式塔吊基礎(chǔ)主要分 3 部分進(jìn)行計(jì)算，即鋼格構(gòu)柱的計(jì)算、灌注樁的計(jì)算、鋼筋混凝土基礎(chǔ)承臺(tái)的計(jì)算。

3.1 基礎(chǔ)頂部荷載的確定

塔吊處于最大獨(dú)立高度時(shí)，彎矩最大，所產(chǎn)生的效應(yīng)荷載也最大，附墻后彎矩減小，最不利荷載應(yīng)取塔吊最大獨(dú)立高度時(shí)產(chǎn)生的荷載。查廠家提供的中聯(lián)重科 TC 7030 B 型塔吊說(shuō)明書(shū)，確定工作及非工作 2 種工況下塔機(jī)傳遞至基礎(chǔ)頂部最不利荷載標(biāo)準(zhǔn)值，見(jiàn)表 1。

表1 塔基傳遞至基礎(chǔ)頂部荷載標(biāo)準(zhǔn)值

根據(jù) JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》5.2 條樁基豎向承載力計(jì)算得出軸心豎向力作用下：荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合偏心豎向力作用下：

圖2 基礎(chǔ)相關(guān)節(jié)點(diǎn)詳圖

荷載效應(yīng)基本組合偏心豎向力作用下：

式中：Gk—承臺(tái)及其上土的自重荷載標(biāo)準(zhǔn)值/kN；

GP2—鋼格構(gòu)柱總重標(biāo)準(zhǔn)值/kN；

G —承臺(tái)及其上土的自重荷載設(shè)計(jì)值/kN；

F —豎向荷載設(shè)計(jì)值/kN；

n —樁數(shù)/根；

H0—鋼格構(gòu)柱長(zhǎng)度/m；

hr—鋼格構(gòu)柱伸入灌注樁的錨固長(zhǎng)度/m；

h —鋼格構(gòu)柱頂部承臺(tái)厚度/m；

L —樁對(duì)角線距離/m。

3.2 格構(gòu)柱的計(jì)算

(1) 格構(gòu)式鋼柱換算長(zhǎng)細(xì)比驗(yàn)算。式

中：λ0max—格構(gòu)式鋼柱繞兩軸下 x，y 的換算長(zhǎng)細(xì)比中 大值；

[λ]—軸心受壓構(gòu)件允許長(zhǎng)細(xì)比，取 150。

(2) 格構(gòu)式鋼柱受壓穩(wěn)定性驗(yàn)算。

λ0max(fy/235)0.5=64.916

查 GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附錄 C 可得出：φ=0.78

滿(mǎn)足要求。

式中：fy —鋼材屈服強(qiáng)度/ N·mm-2；

φ —軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)；

A —構(gòu)件毛截面面積，即分肢毛截面面積之和 /mm2。

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

λ1=10.178≤min(0.5 λ0max，40)=32.458，滿(mǎn)足要求。

(4) 綴件及焊縫驗(yàn)算。

綴件及焊縫按照 GB 50017—2017 內(nèi)容進(jìn)行。

(5) 柱頂水平位移驗(yàn)算。

格構(gòu)柱在水平風(fēng)荷載作用下的柱頂水平位移 s 應(yīng)滿(mǎn)足 s≤Hz/500，Hz取塔基底與工程基礎(chǔ)墊層底凈高的 2 倍，其水平位移值 s 按式（8）計(jì)算。

式中：VH—作用于基礎(chǔ)頂面的水平力設(shè)計(jì)值，

K —格構(gòu)柱抗側(cè)剛度，K 可按式（9）計(jì)算。

式中：EI —格構(gòu)柱抗彎剛度/ N·mm2，

經(jīng)計(jì)算 s =13.302 mm＜Hz/500=27.2 mm，滿(mǎn)足要求。

3.3 灌注樁的計(jì)算

(1) 計(jì)算參數(shù)的確定。

查巖土工程勘察報(bào)告地基土物理力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)，得出鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表 2。

表2 地基土樁基設(shè)計(jì)參數(shù)

土層厚度應(yīng)根據(jù)樁頂、樁底標(biāo)高結(jié)合工程地質(zhì)剖面圖中各土層高程計(jì)算確定，工程地質(zhì)剖面圖應(yīng)選擇距離所計(jì)算塔吊基礎(chǔ)最近勘探孔的地質(zhì)剖面圖。

(2) 樁基豎向抗壓承載力計(jì)算。

樁基豎向抗壓承載力應(yīng)符合 JGJ/T—187—2009《塔式起重機(jī)混凝土基礎(chǔ)工程技術(shù)規(guī)程》中 6.3.3 條公式要求：Qk≤Ra；Qkmax≤1.2 Ra；

式中：u—樁身周長(zhǎng)/m；

li—第 i 層巖土的厚度/m；

Ap—樁底端橫截面面積/m2。

經(jīng)計(jì)算 Ra=2 925.103 kN，

Qk=536 kN≤Ra=2 925.103 kN，

Qkmax=1 540.092 kN≤1.2 Ra=3 510.124 kN，滿(mǎn)足要求。

(3) 樁基豎向抗拔承載力計(jì)算。

樁的抗拔承載力應(yīng)符合 Q'k=≤R'a要求。

式中：GP—樁身的重力標(biāo)準(zhǔn)值/kN，水下部分按浮重度計(jì)。

經(jīng)計(jì)算 R'a=1 312.257 kN，

按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的樁基拔力：

Q'k=-Qkmin=468.092 kN，

Q'k≤Ra'，滿(mǎn)足要求。

(4) 樁身承載力計(jì)算。

① 軸心受壓樁樁身承載力應(yīng)符合式（12）規(guī)定：

② 軸心抗拔樁樁身承載力應(yīng)符合下式規(guī)定：

Q'≤fyAS

荷載效應(yīng)基本組合下的樁頂軸向拉力設(shè)計(jì)值：

Q'=-Q'kmin=669.424 kN＜fyAS=2 356.194 kN，滿(mǎn)足要求。

式中：Q —荷載效應(yīng)基本組合下的樁頂軸向壓力設(shè)計(jì)值 /kN；

ψc—基樁成樁工藝系數(shù)；

fc—混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值/N·mm-2；

APS—樁身截面面積/mm2；

Q ' —荷載效應(yīng)基本組合下的樁頂軸向拉力設(shè)計(jì)值 /kN；

f 'y—縱向主筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值/ N·mm-2；

A's —縱向主筋截面面積/mm2；

fy—普通鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值/ N·mm-2；

AS—普通鋼筋的截面面積/mm2。

③ 軸心抗拔樁的裂縫控制宜按三級(jí)裂縫控制等級(jí)計(jì)算，根據(jù) JGJ 94—2008 的 5.8.8 條規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。

3.4 承臺(tái)計(jì)算

(1) 受彎及受剪切計(jì)算 。

高樁承臺(tái)應(yīng)進(jìn)行受彎、受剪承載力計(jì)算，應(yīng)將塔機(jī)作用于承臺(tái)的 4 根標(biāo)準(zhǔn)節(jié)立柱所包圍的面積看作柱截面，受彎、受剪承載力配筋按 GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定計(jì)算。

(2) 受沖切計(jì)算 。樁基承臺(tái)厚度應(yīng)滿(mǎn)足基樁對(duì)承臺(tái)的沖切承載力要求。對(duì)位于塔機(jī)塔身柱沖切破壞錐體以外的基樁，承臺(tái)受角樁沖切的承載力應(yīng)按 JGJ/T—187—2009 中 6.4.7 條規(guī)定計(jì)算。

3.5 計(jì)算注意事項(xiàng)

(1) 格構(gòu)式鋼柱換算長(zhǎng)細(xì)比驗(yàn)算。浙江省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn) DB 33/T1053—2008《固定式塔式起重機(jī)基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》與國(guó)標(biāo) JGJ/T—187—2009 中對(duì)格構(gòu)式鋼柱換算長(zhǎng)細(xì)比 λ0max計(jì)算具有一定差別（以下簡(jiǎn)稱(chēng)浙江省地標(biāo)和國(guó)標(biāo)）。

當(dāng)格構(gòu)式鋼柱的綴件形式為綴板時(shí)：

式中：H0—格構(gòu)式鋼柱的計(jì)算長(zhǎng)度/m，取承臺(tái)厚度中心至格構(gòu)式鋼柱底的長(zhǎng)度。

λx(λy) —整個(gè)構(gòu)件對(duì) x 軸（y 軸）的長(zhǎng)細(xì)比；

λ1—格構(gòu)式鋼柱分肢對(duì)最小剛度軸的長(zhǎng)細(xì)比；

Ix(Iy) —格構(gòu)式鋼柱對(duì) x 軸（y 軸）的慣性矩/m4；

A0—格構(gòu)式鋼柱分肢的截面面積/m2。

以本工程 11.6 m 長(zhǎng)格構(gòu)柱為例對(duì)比：

以浙江省地標(biāo)計(jì)算得：HZ=13.6m，λ0max=64.916，

以國(guó)標(biāo)計(jì)算得：H0=11.6 m，λ0max=55.624。

通過(guò)上述對(duì)比可知，浙江省地標(biāo)較國(guó)標(biāo)對(duì)于組合式塔吊基礎(chǔ)中格構(gòu)式鋼柱換算長(zhǎng)細(xì)比驗(yàn)算控制更為嚴(yán)格，在國(guó)標(biāo)的基礎(chǔ)上對(duì)格構(gòu)柱的計(jì)算長(zhǎng)度進(jìn)行了放大處理。

(2) 柱頂水平位移驗(yàn)算。柱頂水平位移驗(yàn)算為浙江省地標(biāo)中增加的驗(yàn)算要求，國(guó)標(biāo)中無(wú)此驗(yàn)算規(guī)定。

(3) 樁基豎向抗壓、抗拔承載力計(jì)算。單樁豎向抗拔及抗壓承載力驗(yàn)算時(shí)應(yīng)計(jì)算特征值，公式中帶入土層的側(cè)阻力及端阻力特征值計(jì)算， 應(yīng)注意區(qū)分巖土工程勘察報(bào)告地基土物理力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)中提供的土層側(cè)阻力及端阻力是極限值還是特征值，若未提供特征值，應(yīng)將極限值除以安全系數(shù) K=2 得出特征值。

(4) 樁身承載力計(jì)算。樁身承載力驗(yàn)算應(yīng)取荷載效應(yīng)基本組合下的樁頂軸向壓力設(shè)計(jì)值、軸向拉力設(shè)計(jì)值與樁身軸心抗壓、抗拔樁樁身承載力并進(jìn)行比較，在非效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下取值。

4 施工注意事項(xiàng)

(1) 鋼格構(gòu)柱的加工。鋼格構(gòu)柱加工前應(yīng)對(duì)鋼格構(gòu)柱進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，出具深化加工圖，支撐與格構(gòu)柱焊接部位的綴板高度應(yīng)在設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)上結(jié)合支撐焊縫驗(yàn)算長(zhǎng)度要求增大處理，以滿(mǎn)足支撐焊接焊縫長(zhǎng)度要求。水平剪刀撐之間應(yīng)通過(guò)連接板轉(zhuǎn)接焊接，剪刀撐與角部 4 根格構(gòu)柱間通過(guò)角托板轉(zhuǎn)接焊接連接，便于焊接且滿(mǎn)足焊縫長(zhǎng)度。格構(gòu)柱相關(guān)節(jié)點(diǎn)見(jiàn)基礎(chǔ)相關(guān)節(jié)點(diǎn)詳見(jiàn)圖 3。

圖3 基礎(chǔ)相關(guān)節(jié)點(diǎn)詳圖

格構(gòu)柱應(yīng)由專(zhuān)業(yè)資質(zhì)等級(jí)的鋼結(jié)構(gòu)公司在工廠進(jìn)行組焊制作，禁止在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊接制作，焊縫按規(guī)范規(guī)定進(jìn)行探傷試驗(yàn)。格構(gòu)柱分肢角鋼接長(zhǎng)焊縫等級(jí)為二級(jí)，其余焊縫等級(jí)均為三級(jí)，二級(jí)焊縫按規(guī)范規(guī)定進(jìn)行探傷試驗(yàn)。在角鋼長(zhǎng)度滿(mǎn)足的情況下，盡量選擇整長(zhǎng)角鋼進(jìn)行制作，本工程格構(gòu)柱長(zhǎng)度 11.600 m，選用 12 m 長(zhǎng)角鋼進(jìn)行制作，避免了分肢角鋼出現(xiàn)對(duì)接焊縫。

(2) 鉆孔灌注樁的施工。鉆孔灌注樁嚴(yán)格按照施工方案進(jìn)行施工，根據(jù)地質(zhì)條件選擇不同施工工藝，本工程正循環(huán)鉆施工工藝，重點(diǎn)控制以下內(nèi)容：① 灌注樁成孔的樁位、成孔深度、樁身垂直度允許偏差應(yīng)滿(mǎn)足 JGJ 94—2008 中表 6.2.4 灌注樁成孔施工允許偏差要求。② 鋼筋籠的制作安裝質(zhì)量應(yīng)滿(mǎn)足 JGJ 94—2008 中 6.2.4 條要求。③ 灌注樁的成渣厚度應(yīng) ≤50 mm。

(3) 鋼格構(gòu)柱的吊裝定位。鋼格構(gòu)柱吊裝定位應(yīng)重點(diǎn)控制格構(gòu)柱的垂直度及方正位置，確保相鄰格構(gòu)柱外側(cè)處于同一個(gè)豎直面。因鋼格構(gòu)柱設(shè)計(jì)頂標(biāo)高在自然地坪以下，格構(gòu)柱吊裝定位工程中極易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致開(kāi)挖后支撐焊接困難，焊縫長(zhǎng)度不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，實(shí)際的工況與設(shè)計(jì)計(jì)算工況發(fā)生偏差，實(shí)際承載力減小。

本工程在鋼格構(gòu)柱吊裝前，采用同截面尺寸的舊鋼格構(gòu)柱對(duì)塔吊基礎(chǔ)格構(gòu)柱進(jìn)行了接長(zhǎng)，使其柱頂標(biāo)高在自然地以上 500 mm。同時(shí)采用鋼格構(gòu)柱定位導(dǎo)向架輔助鋼格構(gòu)柱定位，鋼格構(gòu)柱吊裝進(jìn)入樁孔內(nèi)，由 2 名測(cè)量人員使用 2 臺(tái)經(jīng)緯儀通過(guò)雙方向控制調(diào)整鋼格構(gòu)柱位置，直至偏差滿(mǎn)足規(guī)范要求。土方開(kāi)挖至設(shè)計(jì)樁標(biāo)高后，可拆除上部接長(zhǎng)格構(gòu)柱。

(4) 支撐的焊接。土方開(kāi)挖至相應(yīng)標(biāo)高后，鋼格構(gòu)柱間水平及豎向支撐應(yīng)及時(shí)進(jìn)行焊接施工，確保 4 根鋼格構(gòu)柱及時(shí)形成幾何空間不變體系，增強(qiáng)塔吊基礎(chǔ)整體穩(wěn)定性，以抵抗塔機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)荷載。

5 結(jié) 語(yǔ)

組合式塔吊基礎(chǔ)施工一定程度上采用了逆作法，深基坑工程采用此類(lèi)組合式塔吊基礎(chǔ)可在土方開(kāi)挖至基礎(chǔ)底板標(biāo)高前安裝塔吊，塔吊可提前投入使用，可節(jié)省部分吊車(chē)機(jī)械費(fèi)用，且塔吊拆除后鋼格構(gòu)柱可周轉(zhuǎn)使用，優(yōu)勢(shì)較為明顯。華東地區(qū)深基坑工程使用此類(lèi)組合式塔吊基礎(chǔ)較多，此類(lèi)組合式塔吊基礎(chǔ)較常規(guī)塔吊基礎(chǔ)在受力計(jì)算及施工環(huán)節(jié)較為復(fù)雜，尤其是浙江省地標(biāo)對(duì)其受力計(jì)算要求較國(guó)標(biāo)要求更為嚴(yán)格。

蕭政儲(chǔ)出 [2013]40 號(hào)地塊一標(biāo)段工程 3 臺(tái)塔吊均采用此類(lèi)組合式塔吊基礎(chǔ)，使用安全、穩(wěn)定，目前 3 棟塔樓主體結(jié)構(gòu)已封頂。

本工程組合式塔吊基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與施工可為同類(lèi)工程提供一定借鑒和參考。