管桩加十字梁承台塔吊基础的设计

管桩加十字梁承台塔吊基础的设计贡锡安、朱美兵、夏学海（江苏润扬建设工程有限公司 ）摘 要：本文结合工程实例，分析了软弱地基上建筑基坑边塔吊基础的施工技术难点，详细介绍了管桩加十字梁承台塔吊基础的设计计算。关键词：地基承载力 侧向挤压 管桩 十字梁 工况 设计1.工程概况南京芳草园小学综合楼工程位于该校校园内，东侧紧邻龙园东路，北侧靠草场门大街。钢筋混凝土框架结构，五层（局部三层或六层）。建筑物平面呈“T”字形，南北尺寸为54m，东西尺寸为52m，总高度为22.80m。为了满足现场施工的垂直运输需要，在建筑物“T”形的北阴角处设置塔吊一台，塔吊型号选用南京东升机械制造有限公司生产的QTZ-40型塔吊，塔身截面为1400mm1400mm，塔身主弦杆中心间距为1300mm1300mm，起重臂长为45m，自由立塔起吊高度为30m，基本满足吊装范围和起升高度要求。2.塔基简况该工程位于南京河西地区，根据南京芳草园小学综合楼岩土工程详细勘察报告（以下简称“勘察报告” ），可用作天然地基的土层只可能是-1层，其承载力特征值推荐为55KPa，而查阅该型号塔吊使用说明书，其中塔吊基础图要求地基承载力120KPa，显然，地基承载力不满足厂家基础设计的要求，塔吊基础必须重新设计。由于塔吊基础紧靠工程基础，而且当时工程桩刚刚施工部分，部分正在施工，为了避免塔吊基础对工程桩产生侧向挤压，决定不采用天然地基基础型式。根据南京河西地区的类似工程施工经验，采用桩加钢筋混凝土十字梁承台作为塔吊基础。图1 塔吊基础平面图为了便于施工，降低成本，选用桩的种类、型号和工艺等均同工程桩，即选用先张法预应力混凝土管桩，型号为PTC-500（80）A-C60，采用静压成桩工艺，预计桩长30m，桩顶标高最高控制在-1.85m，相当于绝对标高5.40m。由于塔吊安装位置接近勘察报告中的钻孔JK5，故参考JK5地质剖面图可见，基桩可穿越-1层土，层厚19.30m，且桩端至少进入-2层土8.70m，即至少保持有效桩长19.30+8.70=28m。此桩型共设4根，呈正方形布置，相邻桩中心距3000mm，对角桩中心距4242mm。钢筋混凝土十字梁承台沿桩基对角线居中布置，梁截面为1000mm950mm，十字梁交叉处阴角作等高的加腋，使中心区形成2100mm2100mm的正方形，以增强十字梁的抗扭刚度。图2 塔吊基础受力简图（C-C剖面）塔吊基础平面图见图1，其受力情况见图2。3.承台计算QTZ-40型塔吊对基础的作用 表13.0.1荷载计算荷工况载Fv(KN)Fh(KN)M(KN.M)工作工况30016460非工作工况24046630查阅塔吊使用说明书，该型塔吊对基础作用的荷载如表1所示。取非工作工况下的荷载进行计算，即塔吊底座对塔基的作用取为：Fv=240kN，Fh=46kN，M=630kN.M。塔基自重：十字梁截面高度暂取为950mm，由塔基平面图可求得塔基平面面积为S=9.96m2，Fg=9.960.9525=237kN，则作用于塔基的荷载标准值为：M0=M+Fh.h=630460.95=673.7kN.M， F=FvFg=240237=477KN。3.0.2内力计算以单根十字梁为计算对象，假定：（1）不考虑地基土的分担荷载作用，作为塔基强度的安全储备；（2）不考虑十字交叉梁之间的相互约束作用；（3）十字梁与桩头之间的连接简化为铰接。十字梁内力计算简图如图3所示。其中，F/4为F按四个底座均分，M0可分解为作用于对角两底座的一对力组P，P=M0/C。图3 十字梁内力计算简图则十字梁内力标准值为： 弯矩图和剪力图分别见图4和图5。图5 十字梁剪力图图4 十字梁弯矩图3.0.3截面计算分别计算单根十字梁正截面和斜截面承载力。因塔吊基础为临时设施，可不考虑荷载分项系数，但为更加安全起见，此处以内力分项系数1.4加以考虑。混凝土强度等级选用C25，fcm=13.5N/mm2，fc=12.5N/mm2；纵向钢筋选用级钢，fy=310N/mm2，箍筋选用级钢，fyv=210N/mm2。（1）正截面计算确定截面尺寸因桩径为500mm，根据“边桩中心至承台边缘的距离不宜小于桩的直径或边长，且桩的外边缘至承台边缘的距离不小于150mm”的构造要求，十字梁截面宽度选为1000mm，再选择适宜配筋率=0.22%（比min=0.15%略高），据此可暂估十字梁截面有效高度：取h0=900mm，因取值较低，假定布置单排钢筋，as=50mm，则十字梁截面高度：h= h0as=90050=950mm。计算钢筋截面面积和选用钢筋截面抵抗矩系数：相对受压区高度：钢筋截面面积：实配718，As=/41827=1781mm2，满足最小配筋率要求。梁上层纵筋按构造要求配516即可。（2）斜截面计算复核梁的截面尺寸（注：hw为截面的腹板高度，矩形截面取有效高度h0，T形截面取有效高度减去上翼缘高度，I形截面取腹板净高。）则截面满足要求。（注：截面必须满足的条件是：当hw/b4时，0.25fcbh0V，当hw/b6时，0.20fcbh0V，当4hw/b6时，按直线内插法取用。）确定是否需按计算配置腹筋由于集中荷载在支座截面产生的剪力值占总剪力值的比值 ，故需考虑剪跨比的影响： 取=1.4（当3时，取=3）混凝土抗剪能力：故不需按计算配置腹筋。（注：当集中荷载在支座截面产生的剪力值占总剪力值的比值75%时，不考虑剪跨比的影响，混凝土抗剪能力按0.07fcbh0计算。）配置箍筋按构造要求选用箍筋8150(4)，则满足最小配箍率要求。（注：当混凝土的抗剪能力1.4Qmax时，则先根据构造要求、最小配箍率等选定箍筋的直径、肢数和间距，然后按下式进行验算。） 或3.0.4构造钢筋配置（1）十字梁腰筋选用212200，拉钩8200300。（2）十字梁交叉处立方体起到水平面内抗扭、提高局部承压和抗冲切能力以及协调等作用，按构造配筋为：三向10150。基础配筋图如下：图7 核心区配筋（B-B）图6 十字梁配筋（A-A）注：桩头钢筋锚入承台内Lae，承台混凝土强度等级为C25，垫层混凝土强度等级为C15。4.桩基计算4.0.1荷载计算单桩自重G=(0.52-0.342)/43025=79kN，所以，Nmax=GQmax=79278.1=357.1kN, N=GF/4=79477/4=198.3kN， Nmin=GQmin=79-39.57=39.43kN0。4.0.2承载力计算查阅勘察报告可知：qs1k=9kPa，L1=19.3m； qs2k=13kPa，L2=8.7m，qpa=1000kPa。故单桩抗压承载力标准值为：单桩抗拔承载力标准值为：从而单桩抗压承载力设计值为：(其中， 分别为桩侧阻群桩效应系数和桩端阻群桩效应系数，此处均取为1.0；分别为桩侧阻抗力分项系数和桩端阻抗力分项系数，对于预制桩、钢管桩和挖孔灌注桩取1.65，泥浆护壁钻孔灌注桩取1.67，干作业钻孔灌注桩取1.70，沉管灌注桩取1.75。)单桩抗拔承载力设计值为：4.0.3承载力验算故桩基抗压承载力满足要求。故无需进行抗拔验算。(注：若Nmin0，则须进行抗拔验算，即：NminRba。)4.0.4桩身混凝土强度验算桩身采用C60混凝土，fc=26.5N/mm2，(其中， 为工作条件系数，预制桩取0.75，灌注桩取0.60.7。)故桩身混凝土强度满足要求。5.效果与体会5.0.1效果该工程塔吊从安装到拆除的整个使用过程中，根据经纬仪跟踪观测记录，垂直度偏差始终1，保持在规范允许范围内，保证了塔吊的安全、平稳运行。5.0.2体会（1）对于软弱地基场地，在基坑边设置塔吊基础，不仅要考虑塔吊基础对工程桩和支护桩的侧向挤压，还要考虑如何避免塔吊基础自身的过大沉降和不均匀沉降问题，必要时，可另设桩基础作为塔吊基础，让它们“井水不犯河水”，切不可为节约成本而使用部分基坑支护结构作为塔吊基础的一部分，造成“一条腿软一条腿硬”。（2）塔吊基础设计必须满足抗倾覆和地基容许承载力要求，特别是抗倾覆要求，这是确保塔吊安全运行的主要前提。（3）厂方提供的塔吊使用说明书