復雜天然地基條件下塔吊基礎設計及驗算分析

王澤厚 （安徽新宇環?？萍脊煞萦邢薰?，安徽 合肥 230041）

0 引言

在建筑工程施工過程中，受場地環境影響，一般情況下塔式起重機布置在地下室基坑周邊，同時，受到相鄰建筑物造型及高度影響，造成塔吊吊臂的回轉半徑受到制約，實際情況下，不能充分滿足塔吊使用說明書相關要求。因此，有必要提前對塔吊受力進行驗算、對塔吊基礎進行設計，才能有效保證后期使用過程中的安全性能。

1 工程概況

某項目位于安徽省合肥市巢湖市烔煬鎮，該工程的重要等級設為二級，場地原始地貌和地基土質復雜程度為二級。根據合肥市氣象局統計的歷史天氣數據資料，本地區常年平均溫度為15.9℃，在每年的7～8 月份氣溫達到最高值。平均年降雨量在990mm 左右，且分布較不均勻。每年約在5～8 月份會出現集中降雨，常年的平均降雨量在520mm左右，占全年的總降雨量52.5%。

擬建構筑物所處的場地各土層的地基承載力特征值fak和壓縮模量Es0.1-0.2可按表1進行取值[1]。

表1 擬建場地各層土物理指標

參考地質地貌情況和巖土體組合等各方面性能指標，依照實際場外鉆孔取樣、土工試驗等資料，勘察相應深度范圍內的地基土體類型及其物理力學性質如下。

①層雜填土：屬高壓縮性欠固結土，場地內普遍分布，厚度不等，結構狀態呈松散。工程性能評價為“差”，杜絕使用在工程中，建議清除或進行地基處理。

②層黏土：場地內普遍分布，硬塑狀態，承載力較高，工程性能評價為“好”，可為擬建多層建筑物及地下室的地基基礎持力層。

③層黏土夾砂礫石：場地內普遍分布，可塑至硬塑狀態，承載力高，工程性能評價為“好”，可為擬建建筑物及地下室的基礎持力層。

④層強風化泥質砂巖：場地內普遍分布，承載力較高，工程性能評價為“好”。

⑤層中風化泥質砂巖：場地內普遍分布，承載力高，工程性能評價為“好”。

2 塔吊基礎設計情況

為保證施工進度，根據本工程建筑結構特點，計劃布置一臺QTZ80（TC6012-6）[2]（1#塔吊）以滿足本項目施工材料和設備垂直運輸的需要。塔吊選型如表2所示。

表2 塔吊基礎設計基本信息（單位：m）

1#塔機型號QTZ80（TC6012-6），獨立式最大起升高度為42.0m，根據設備生產廠家提供的數據，塔吊基礎形式尺寸為6.0m×5.8m×1.4m，基礎底標高-4.6m，如圖1所示。

圖1 塔吊基礎設計尺寸及配筋

本機塔吊基礎形式采用預埋螺栓固定式基礎，基本要求如下：本機械使用的基礎為鋼筋混凝土一次性澆筑完成；基礎下方土質要求均勻密實，開挖至老土找平，地耐力應不小于180kN/m2；塔吊基礎混凝土標號不得低于C35，養護期大于15 天；鋼筋混凝土基礎能夠承受的壓力必須大于30t/m2；鋼筋混凝土基礎完成面的平整度控制在1/1000 以內；地腳螺栓的垂直度誤差不大于2mm；每兩根地腳螺栓底部均設置一根直徑25mm×600mm（2# 塔吊為30mm×1000mm）長的螺紋鋼在地腳螺栓彎鉤內；縱、橫筋和豎筋采用HRB400 20mm鋼筋。

3 塔吊的基礎承受壓力計算分析

參照《塔式起重機混凝土基礎工程技術規程》（JGJ/T187-2019）相關要求[3]。

3.1 基本信息

3.1.1 參數信息

見表3。

表3 塔吊設計參數

3.1.2 計算簡圖

見圖2。

圖2 受力計算簡圖

3.2 荷載計算

3.2.1 塔機基礎豎向荷載

塔機正常工作情況下豎向荷載標準值FK=P1=661.5kN；

塔機停止工作情況下豎向荷載標準值FK=P1=563.5kN；

基礎以及覆土自重標準值Gk=6×5.8×1.4×25=1218kN。

3.2.2 塔機基礎水平荷載

正常工作情況下塔機基礎水平荷載標準值Fkv=P2=28.42kN；

停止工作情況下塔機基礎水平荷載標準值Fkv=P2=73.5kN。

3.2.3 傾覆力矩

正常工作情況下，傾覆力矩的參考值為M=1665kN·m；

停止工作情況下，傾覆力矩的參考值為M=2243kN·m。

3.3 基礎承載受力驗算

依照《塔式起重機混凝土基礎工程技術規程》（JGJT 187-2019）的相關要求。

①正常工作情況下

如果是軸心受力時，PK=（FK+GK）/BL=（661.5+1218）/（6×5.8）=54.01kN/m2；如果是偏心受力時，Pkmin=（Fk+Gk）÷A-Mkx÷Wx-Mky÷Wy=（661.5+1218）/（6×5.8）-2×（1665×1.414/2）/27.73=-30.89kN/m2。

由于Pkmin＜0，所以按下文來計算Pkmax：

?=(Mk+Fkv×h)÷(Fk+Gk)=（1665+28.42×1.4）/（661.5+1218）=0.91m≤0.25B=1.50m，正常工作情況下，其偏心矩滿足要求。

B′=B÷2-?÷=3-0.64=2.36m，L′=L÷2-?÷=2.9-0.64=2.26，B′L′=2.36×2.26=5.33≥0.125BL=4.35，正常工作情況下，B′L′均滿足設計要求。

Pkmax=(Fk+Gk)÷3b′l′=（661.5+1218）/（3×2.36×2.26）=117.46kN/m2。

②停止工作的情況下

如果是軸心受力時，Pk=(Fk+Gk)÷bl=（563.5+1218）/（6×5.8）=51.19kN/m2；如果是偏心受力時，Pkmax=(Fk+Gk)÷A-Mkx÷Wx-Mky÷Wy=（563.5+1218）/（6×5.8）-2×（2243×1.414/2）/27.73=-63.18kN/m2。

由于Pkmin＜0 所以按下文來計算Pkmax：

?=(Mk+Fkv×h)÷(Fk+Gk)=（1665+73.5×1.4）/（563.5+1218）=0.99m≤0.25B=1.5m，非工作狀態偏心矩滿足要求。

B′=B÷2-?÷=3-0.7=2.3m，L′=L÷2-?÷=2.9-0.7=2.2，B′L′=2.3×2.2=5.06≥0.125BL=4.35，停止工作情況下，B′L′均滿足設計要求。

Pkmax=(Fk+Gk)÷3b′l′=（563.5+121）/（3×2.3×2.2）=117.35kN/m2。

3.4 地基承載力驗算

依照《建筑地基基礎設計規范》（GB 5007-2011）相關要求，其計算公式為：

fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)。

求得修正之后的地基承載力特征數值fa=309kPa，則實際可取值fa=309kPa。

當軸心受力時，由于fa＞Pk=54.01kPa，則滿足設計要求。

當偏心受力時，由于1.2fa＞Pkmax=117.35kPa，則滿足設計要求。

3.5 受沖切承載力驗算

依照《建筑地基基礎設計規范》（GB 5007-2011）相關要求，其計算公式為F1≤0.7hpftamho

實際的沖切承載力為F1=230×4.8=1104kN；允許沖切力設計值為0.7×0.97×1.57×3000×1400=4477.32kN＞F1=1104kN。由于實際的沖切力小于允許沖切力設計值，則能夠滿足設計要求。

3.6 基礎的配筋驗算

依照《建筑地基基礎設計規范》（GB 5007-2011）和《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2019）[4]相關要求。

抗彎計算，其計算公式為：

配筋面積計算，其計算公式為：

αs=1984.58×106/（1.00×16.70×6×103×（1.4×103）2=0.010105。

η=1-(1-2×0.010105)0.5

=0.010154。

γs=1-0.010154/2=0.994923。

As=1984.58×106/(0.994923×1.4×103×360.00)=3957.75mm2。

現場實際鋼筋選用直徑為20mm，由于最小配筋率是0.15%，那么計算的最小配筋面積是6000×1400×0.15%=12600mm2，實際配筋面積為As0=3142×6=18852mm2＞12600mm2。

通過以上計算可知，現場實際配筋面積大于最小配筋面積，則滿足設計要求。

4 結語

本文結合實際項目情況，通過理論數據驗算，有效分析塔吊基礎受力情況。在施工過程中，涉及鋼筋、混凝土等復雜的專業工程，必須認真對待設計相關要求及施工質量環節，加強管控，才能真正做到安全生產管理。