深基坑塔吊基础设计

1 　塔吊平面布置

塔吊按其分类一般分为固定式及轨道行走式,行走式对基础土体的扰动较大,对深基坑的支护及场地要求比较高,且由于独立高度受到限制,故在城市高层建筑深基坑中使用的较少。绝大部分采用固定基础附着式自升塔吊,本文就这种塔吊的平面布置形式做一论述。

1.1 　塔式起重机的选用原则

1) 参数应满足施工要求　要对塔吊各主要参数逐项核查,务必使所选用塔吊的幅度、起重量、起重力矩和吊钩高度诸参数与分析结果相适应。

2) 塔吊生产效率应能满足施工进度的要求　为验证塔吊生产率是否满足施工进度的需要,可就吊次多少按下述程序进行分析: ①钢筋混凝土结构高层建筑标准层平均每平米建筑面积约需1.1～1.6 吊次,根据楼层建筑面积估算出总吊次N ; ②塔吊平均每台班约可完成50～75 吊次,可根据计划配用的塔吊数量和每天作业台班数,计算出塔吊可完成的总吊次N总计。如N 总计≥N 总估,即可认为塔吊的生产效率能满足施工进度的要求。塔吊的生产率也可用重量计来分析是否能满足施工进度的要求。但它与塔吊的起重能力、起重量的利用程度、台班作业时间的利用情况以及吊次等因素有关,因此塔吊的生产率可按下式估算:

P = k1*k2*Q*n

n = 60P( Σs/v tn )

式中: Q 为塔吊的最大起重量(10kN) ; k1 为起重量利用系数,取0.5～0.9 ; k2 为作业时间利用系数,取0.4～0.7 ; n 为每小时理论吊次(吊次/h); s 为构件、建筑材料或机具设备的垂直运距(m) ; v 为塔吊起升速度(m/min) ; tn 为挂钩、脱钩就位以及加速、减速等所耗用的时间(min) 。

分析时,首先应熟悉施工图纸,并按照施工组织设计所规定的施工组织和施工方法进行分层、分段(施工流水段) 工程量的计算,得出需要垂直运输的重量,然后按照施工进度要求计算出每作业台班及每小时需要升运的重量,并取其中最大值与塔吊生产率( P) 作比较。

1.2 　塔吊的平面布置

塔吊的平面布置视建筑物的情况因地而宜、不尽相同。但高层建筑其基坑较深以及场地的复杂性,决定了塔吊布置的多样性。在考虑了施工工艺,建筑物平面几何尺寸,周边环境和基坑支护安全的前提下,介绍几种合理的深基坑塔吊布置方式及其设计思路。

1.2.1 　塔吊在基坑壁附近布置

如果基坑平面尺寸较小,在基坑一侧布置固定式塔吊即可使垂直运输覆盖整个基坑工作面,其基础可放在围护壁外的土体中,也可放在围护壁上,视施工场地而定。

1) 如塔吊放在围护壁外的土体中,宜在塔吊基础下施打若干支承桩,将塔吊基础的荷载传到基坑底下的土体中,以减少塔吊基础对基坑周围土体的影响,保证基坑围护的安全。

2) 如塔吊基础放在基坑围护壁上,一般还需在围护壁外加设2 根支承桩,由围护壁与支承桩共同承受塔吊基础荷载。这时承受竖向塔吊荷载的围护壁区段在设计中要适当加长入土深度,注意受荷载过程中与相邻围护壁的沉降差异控制,并解决与壁外承载桩的共同工作问题。可采用通常桩的沉降量计算方法来验算塔吊基础下桩的协调工作问题,沉降计算可采用《上海市地基基础设计规范》DBJ0811-89 第6.3.1 条关于桩基沉降量的计算方法,也可按照《建筑桩基技术规范》

JGJ94-94 第5.3 节桩基的沉降计算进行验算。如果基坑平面尺寸较大,尽可能把塔吊放在基坑一侧,这时可放多台固定式塔吊在基坑对边,其基础放置和设计的原理如上所述。如受场地限制,而基坑尺寸较大,这时可将塔吊放置在基坑内。

1.2.2 　塔吊在基坑内布置

城市高层建筑深基坑受周边环境的影响,一般场地狭窄,如塔吊放置在基坑周边,势必影响工程施工,这种情况下要求塔吊放在基坑内,并满足各种工况下的使用;当基坑尺寸比较大时将固定塔吊放在基坑一侧总有工作区域浪费而又有一部分没有塔吊工作面的问题,如果能将塔吊放置在基坑内,则可大大提高塔吊的工作区域利用率,同时将塔吊基础的荷载传到基坑的土体中,对周围环境的影响就会大大减弱,空间工作区域也会缩至基坑范围内,这时采用桩基础是较好的解决办法。这种方法可与基坑围护施工阶段同步,在土方开挖前塔吊安装结束,可以大大缩短工期。

坑内桩基一般采用800～1 000mm 桩径的钻孔灌注桩内插钢格构柱,灌注桩中心距与塔吊轴心间距一致, 格构柱一般出室外地面即可(见图1) 。钢格构柱一般不会破坏结构的整体性, 尽量不要穿越地下室的框架梁。这种塔吊基础的布置有以下优点: ①格构柱不穿越地下室框梁, 结构

整体性好, 仅在板上预留孔洞, 塔吊拆除后格构柱在地下室地板面以上割断拔出; ②经济性好,减少了标准节的切割浪费。

1.2.3 　塔吊在基坑内布置时基础埋置在大底板下

由于其它原因塔吊桩基础未进行施工,而土方开挖已经开始,场地限制又不能在深基坑外做桩基,此时可以在土方开挖时进行塔吊基础施工,采用承台方式作为塔吊基础,承台埋置在基础底板下,通过格构柱或标准节传递上部荷载。此时承台类似浅基础设计,根据基坑内的地质条件调整承台平面尺寸,在基础底板未浇筑前完全按照浅基础的设计方法,底板浇筑后要考虑底板与承台的协调变形。此种布置方法可以满足各种工况下的施工,保证施工工期。如无锡佳城大厦就是采用这种方法(见图2) 。

2 　塔吊基础设计

采用桩基的塔吊基础布置在基坑外或侧壁与布置在基坑内的桩基设计计算步骤相同。桩基以上部分,坑外需要布置承台,塔吊安装在承台上,坑内需要内插格构柱,塔吊安装在格构柱上,这时二者设计的内容不同。对于在基坑内的承台基础布置,则可以参照浅基础的设计内容。

2.1 　塔吊桩基的设计

塔吊桩基顶部竖向荷载较小,一般更多的是考虑桩的抗拔验算来控制桩的入土深度。

2.1.1 　单桩承载力验算

Ra = qpk AP up Σqsia li > Nimax

式中: up 为桩身周长; qsia 为用静力触探比贯入值估算的桩周第i 层土的极限侧阻力标准值; li 为桩穿过第i层土的厚度; qpk为桩端附近的静力触探比贯入阻力标准值(平均值) ; Ap 为桩端面积; Nimax 为偏心竖向力作用下第i 复合基桩或基桩的竖向力设计值。

2.1.2 　单桩水平承载力验算

可按照《建筑桩基技术规范》JGJ94-94 的桩的水平承载力进行验算。

2.1.3 　桩的抗拔极限承载力的计算

按照广东省《桩基础设计技术规范》10.2.10 公式计算。

2.1.4 　抗倾覆力矩验算

式中: e 为最小桩轴线间距; F 为作用于桩基承台顶面的竖向力设计值; G 为桩承台和承台上土自重设计值。

2.1.5 　桩配筋计算

桩承载力计算依据《建筑桩基技术规范》JGJ 94-94第4.1.1 条,桩顶轴向压力设计值应满足:

γ0 N ≤fc A

式中:γ0 为桩基重要性系数,取1.0 ; fc 为混凝土轴心抗压强度设计值(N/mm2 ) ; A 为桩截面面积(m2 ) 。依据《混凝土结构设计规范》GB 50010-2002 第7.3条正截面受压构件承载力计算。

2.1.6 　钢格构柱验算

由于塔吊在土方开挖前即已安装完毕,随着土方开挖,格构柱逐渐显露出来后,对4 根格构柱进行系杆连接使格构柱形成整体刚度,在系杆未连接之前把格构柱看成一端固定,一端铰接的的杆件进行验算,依据《钢结构设计规范》GB50017-2003 按照小偏压构件进行稳定验算及强度验算。格构柱除进行整体稳定验算外,尚应对缀板、焊缝进行验算(略) 。

2.2 　承台设计

深基坑塔吊基础承台一般考虑为整体式承台,根据情况分为2 种。

图3 　塔吊桩基础承台布置

2.2.1 　桩基上的承台

由于地脚螺栓安装在基桩轴心位置(见图3) ,桩基上承台一般不考虑承台的承载力及抗倾覆,这时承台平面尺寸及厚度均可比非桩基承台基础小,承载力及抗倾覆见桩基设计。

2.2.2 　天然地基上的承台

天然地基上的承台基础要进行以下验算,不管是布置在地面还是布置在基坑内部。

1) 地基基础承载力验算　根据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002 第5.2.3 条进行验算。

2) 受冲切承载力验算　依据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002 第8.2.7 条验算。

3) 抗倾覆验算　为保持基础稳定,塔吊在非工作情况下作用于基础诸力的偏心距应满足:

式中: M 为作用于塔身的不平衡力矩; H 为作用于塔吊的水平力; h 为基础承台的厚度; L 为混凝土基础边长;V 为塔吊结构自重力,可取自塔吊说明书; G 为基础自重力。

3 　结语

以上3 种固定式塔吊布置方案是深基坑塔吊布置的基本方法,可在较多的施工环境中使用,在施工中需要注意的是:

1) 布置在基坑外或围护壁上的桩基方案,要注意基桩与承台的锚固,基坑壁根据基坑的支护情况要适当进行喷锚护坡。

2) 塔吊布置在基坑内的桩基基础要保证内插格构柱具有一定的锚固深度,塔吊下钢格构柱钻孔灌注桩连接部分混凝土宜尽量浇筑至接近地表面,以增强钢格构柱下部的固端效果。此外,塔吊底座与格构柱的连接要有可靠保证,特别是在附墙之前的工况的安全。

3) 塔吊布置在基坑内的承台基础应加快降水施工速度,如内插钢格构柱或标准节应在穿越大底板中部设置止水钢板。高层建筑深基坑的塔吊布置根据场地情况因地制宜,具有较大的灵活性,合理的选择塔吊基础方案可以有效地提高塔吊的施工效率,加快施工进度,保证施工安全。