广州地铁某融资项目塔机组合式基础设计与施工

金雪峰

(广州市天作建筑规划设计有限公司,广州 510623)

0 引 言

随着我国建筑业的蓬勃发展,塔吊在施工中的应用已经非常普遍,特别是在高层、超高层建筑的建设中,塔吊已成为必不可少的垂直和水平运输工具。而城市高层、超高层建筑一般都有大面积、多层的地下空间,若将塔吊放置于基坑周边,则必然存在有部分工作区域浪费而又有部分没有塔吊工作面的问题,同时塔吊基础荷载对基坑、特别是深基坑支护产生不利影响。此时若将塔机基础放置于基坑内,则可大大提高塔吊的工作区域利用率[1],同时将塔吊基础的荷载传递到基坑底的岩土体中,对基坑支护的影响大大减小。组合式基础[2]是一种高承台、悬空塔机基础,钢格构柱下端锚固于灌注桩内,上端锚入混凝土承台,塔吊标准节通过预埋于承台内的地脚锚栓或支腿进行安装,塔吊自重及上部荷载通过承台传递给下部钢格构柱和混凝土灌注桩。该种组合式基础可与基坑围护结构同步施工,塔吊可以提前安装,有效利用塔吊在水平和垂直运输方面的优越性,提高施工效率,大大缩短工期,因而成为深基坑塔吊基础最优选方案,应用越来越广泛[3-4],研究也越来越深入[5-6]。

目前,关于塔机组合式基础的设计主要是基于《塔式起重机混凝土基础工程技术规程》(JGJ/T 187—2009)[2](以下简称塔机基础规程)公式进行单个构件理论计算并采取相关加强措施的,对该组合式基础整体共同工作的研究相对较少。本文结合广州地铁某融资项目塔机组合式基础工程的设计、施工与监测,运用Midas Gen有限元程序对其进行了数值计算分析,该分析方法由于能考虑混凝土承台(暗梁)、钢格构柱、型钢支撑系统在塔机荷载作用下共同工作等因素,已成为复杂组合式基础分析的最有效方法之一。

1 工程及地质概况

广州地铁某融资综合枢纽工程项目,位于广州市荔湾区地铁一号线坑口站站前,该工程为超大型公建项目,集办公、商场于一体。项目总建筑面积180 051.0 m2,其中地上建筑面积125 211.3 m2,地下建筑面积54 839.7 m2。7层以上为南北双塔办公楼,北塔为33层,结构总高度为144.6 m;南塔为29层,结构总高度129 m;裙房6层,主要有商场、超市、电影院;共设置5层地下室,主要用作车库、设备用房、水池等。基坑平面类似于矩形,开挖深度18.5 m,南北长约175 m,东西长约72 m。支护形式主要采用800 mm厚的地下连续墙加混凝土内支撑或预应力锚索;其中南侧采用三道混凝土内支撑,中段和北段采用两道混凝土内支撑和一道预应力锚索的支护形式。地勘报告显示,场地中段至北侧地质条件较好,均为埋深较浅的中微风化泥质粉砂岩,南侧岩层裂隙较发育,有大面积的软弱夹层,局部岩层发现有溶洞,且南侧靠河涌部分地下水来源丰富,通过岩层裂隙不断渗入基坑内部,对支护结构和基础不利。

2 塔吊的选用与布置

根据施工吊装量及建筑物的体形特征,本工程选用长沙中联重工QTZ160 (TC7013-10E)型塔机,为水平超重臂,小车变幅,上回转自升多用途塔机,该机工作方式多,适用范围广,其性能参数及技术指标国内领先,最大工作幅度70 m,最大起升高度200 m。考虑到主要吊装设备的选择既要满足全部构件的吊装要求,还要保证较高的作业效率、可操作性及经济合理性,综合确定塔机平面布置如图1所示。

图1 塔机平面布置图Fig.1 Layout of tower cranes

3 组合式基础设计

3.1 基础荷载

塔机处于独立状态(无附墙)时,其受力为最不利状态,因此取塔机独立计算高度60 m时进行分析,分工作状态和非工作状态两种工况分别进行荷载组合,竖向荷载计算简图如图2所示。现场地面粗糙度类别为C类,根据《塔机基础规程》规定,计算塔机在工作状态和非工作状态下传递到基础顶面的荷载,非工作状态下的基本风压取0.5 kN/m2,计算结果如表1所示。

比较上述两种工况的计算,可知塔机在非工作状态下对基础传递的倾覆力矩最大,故应该按非工作状态下的荷载组合进行地基基础设计。控制工况(非工作状态)的倾覆力矩小于塔机制造商的《塔机使用说明书》中所提供的值,原因是塔机制造商的提供值是按现行国家标准《塔式起重机设计规范》(GB/T 13752—92)规定的基本风压0.8 kN/m2(离地面高度20 m以下)、1.1 kN/m2(离地面高度20 m以上)计算的。为安全起见,本次设计按《塔机使用说明书》中所提供的荷载值进行设计。

图2 塔机竖向荷载简图Fig.2 Vertical load of tower crane

表1混凝土基础荷载标准值对比表

Table 1Comparison table of standard value of concrete foundation load

注:上述按塔机基础规程计算时竖向荷载已经包括了基础自重,而按《塔机使用说明书》时未包括基础自重

3.2 桩基础设计

塔机可以在平面360°范围内任意角度转动,采用四桩计算模型,桩最不利工况是吊车吊臂垂直于承台对角线方向,这时只有两桩抵抗弯矩,此时单桩受力最大,以该工况时桩所受竖向力作为桩基设计的承载力。根据地勘报告,设计取基桩直径1 000 mm,按进入中风化泥质粉砂岩5 m,计算得基桩单桩竖向承载力特征值Ra=2 280 kN,单桩抗拔承载力特征值Rta=1 235 kN,均大于组合式基础在偏心竖向荷载作用下的对基桩压力1 521 kN及拉力521 kN,经验算,桩基承载力及桩身强度均满足要求。

3.3 承台设计

混凝土强度等级取 C30,计算承台受弯、受剪及受冲切时,不计承台及其上土自重。经计算,承台暗梁截面1 000 mm×1 500 mm,底面筋均采用三级钢筋,面筋实配8根25,底筋实配10根25,箍筋φ10@200(6),腰筋每侧6根18,满足要求;承台基础顶、底面按最小配筋率0.15%取直径25@150构造钢筋网,同时承台底、面筋间设置架立钢筋12@300×300,满足要求。

3.4 钢格构柱设计

1) 单个格构柱受压稳定性计算

根据塔机基础规程规定:格构式钢柱应按轴心受压构件设计。本工程格构柱均采用缀板式,格构柱截面为500 mm×500 mm,单肢角钢L200×18,选用缀板480(宽)×300(高)×14(厚),间距700 mm。4根格构式钢柱间采用角钢L100×10水平及竖向支撑,水平剪刀撑沿竖向4.2 m一道。根据塔机基础规程第7.3.3条的条文说明:格构式钢柱构件的长细比计算公式中的计算长度(H0)规定为承台中心至格构式钢柱底(插入灌注桩的底端)的高度,因此H0=19.4+3=22.4 m,格构式钢柱截面为方形:λ0x=λ0y=110.7<[λ]=150,格构式钢柱的换算长细比满足要求;格构式钢柱的分肢长细比λ1=10.1<0.5λ0x=0.5×110.7=55.4,满足要求。钢材抗压强度f=205 N/mm2,屈服强度f=235 N/mm2,根据构件的换算长细比及和屈服强度,按现行国家标准《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)的规定“按b类截面查表C-2”取用,查表得φ=0.489,格构式钢柱受压整体稳定性:

即钢格构柱的受压整体稳定性满足要求。

2)焊缝计算

lw=300-2×8=284 mm

侧面角焊缝(剪力平行于焊缝长度方向):

lw=2×(190-2×8)=348 mm

在σf,τf共同作用处的综合应力应满足:

焊缝计算满足要求。

3) 抗拔计算

由之前计算可知,荷载效应基本组合下格构柱顶轴向拉力设计值Nmax=703 kN,由《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)第5.1.1条可知:

满足抗拉要求。

由设计可知格构柱锚入承台900 mm,每分肢焊接2根25的三级钢筋,共8根25锚入承台内900 mm,满足在混凝土内锚固要求,且8根钢筋极限拉力N=360×3 927=1 413 kN,大于最大拉力703 kN,满足抗拔要求。

格构柱埋入桩基础3 m且各分肢与桩内纵筋焊接,其在桩内的锚固满足要求,抗拔满足要求。

塔机组合式基础设计图如图3所示。

图3 组合式基础设计图(单位:mm)Fig.3 Design of combined foundation (Unit:mm)

4 有限元分析

4.1 模型建立

本文采用Midas Gen有限元软件进行整体建模模拟,将塔机所受荷载全部传至组合式基础进行分析。组合式基础中钢格构柱均采用方钢管柱模拟,根据截面面积、刚度等效原则,等效方钢管截面取为500 mm×14 mm。钢格构柱、承台暗梁、水平钢支撑采用梁单元模拟,竖向钢斜支撑采用桁架单元模拟,柱底约束为全约束,建立的有限元模型如图4所示。

图4 组合式基础有限元模型Fig.4 Finite element model of combined foundation

4.2 应力分析

组合式基础梁单元及桁架单元的应力云图如图5所示,由图可见:钢格构柱最大压应力为112.8 N/mm2,拉应力为29.9 N/mm2,钢支撑最大压应力为26 N/mm2,均小于Q235钢材的抗压、抗拉强度205 N/mm2,满足要求。模型通过对所有构件的长细比、轴向应力、弯曲应力、整体稳定及剪切强度进行验算,均满足要求。

4.3 位移分析

相对于钢格构柱而言,当基础为混凝土承台时,可以认为混凝土承台的抗弯刚度为无限大,则各柱上下端都不发生角位移,且水平位移相同。组合式基础水平位移变形计算云图如图6所示,由图可见:基础最大位移出现在承台处且承台各节点水平位移均相同,最大位移为15.08 mm。承台面离基底20.1 m,根据《高耸结构设计规范》(GB 50135—2006)[7]第3.0.10条第6款规定,在以风为主的荷载标准组合下自立塔架按线性分析的结构水平位移限值为Δμ/H=1/75,式中,Δμ为水平位移,H为总高度,将总高度H=20.1 m代入计算可得水平位移限值Δμ=268 mm,本工程组合式基础在荷载作用下的最大水平位移远小于该限值,满足要求。

图5 组合式基础应力云图Fig.5 Stress contour of combined foundation

图6 组合式基础水平位移云图Fig.6 Horizontal displacement contour of combined foundation

参考《固定式塔式起重机基础技术规程》(DB/T 1053—2008)[8]第5.3.9 条:格构柱在水平风荷载作用下的柱顶水平位移s应满足s≤HZ/500,式中,HZ为格构柱的总高度,取塔基底与工程基础垫层底净高的2倍。将相关数据代入后可得水平位移限值s=74.4 mm,可见,本工程组合式基础在荷载作用下的最大水平位移也远小于该限值,满足要求。

4.4 屈曲分析

可通过结构的整体屈曲稳定分析确定竖向构件的计算长度系数,把屈曲分析应用于结构的承载力设计[9]。单一构件的屈曲稳定必然会受到其他构件的约束作用,竖向构件计算长度系数应根据结构的整体屈曲稳定分析结果才能合理确定。采用Midas Gen软件,对组合式基础钢格构柱进行屈曲稳定分析,图7为该格构柱的第一阶及第九阶屈曲模态,最下层竖向斜支撑最先发生屈曲,对应的屈曲临界荷载17 500 kN,继续查询后续屈曲模态,钢格构柱直到第九阶屈曲模态发生屈曲,对应的屈曲临界荷载70 670 kN。根据欧拉公式Pcr=π2EI/(μl)2,式中,EI为相应构件发生屈曲方向的弹性抗弯刚度,Pcr为构件在该方向屈曲临界荷载,l为构件的几何长度,代入相关数据后可求得计算长度系数μ=0.555。而按塔机基础规程计算时,钢格构柱的计算长度系数偏于保守,约为1.25,钢格构柱在塔机荷载作用下的最大轴力标准值为1 521 kN,钢支撑屈曲临界荷载为其11.5倍,钢格构柱屈曲临界荷载为其46.5倍,因此钢格构柱及支撑在塔机荷载作用下均不会发生屈曲失稳。

图7 组合式基础屈曲模态图Fig.7 Buckling mode diagram of combined foundation

5 组合式基础施工

5.1 桩基施工

因详勘报告及内撑支护立柱超前钻均揭示基坑底有洞穴存在,因此在塔机基础施工前在桩位进行超前钻探。本工程桩基础均为钻孔灌注桩,桩孔成型后必须清除孔底沉渣,清孔后沉渣厚度不得大于50 mm,并应立即采用导管灌注水下混凝土。为确保水下混凝土的质量,向导管灌注混凝土时采用混凝土输送泵或采用其他有效措施。水下混凝土施工前后均须复测深度及标高。泥浆中浇注混凝土时,导管应始终埋在混凝土中,严禁导管提出混凝土面,导管埋入深度以2～6 m为宜,不得小于1 m,一次提管不得超过4.5 m,应防止钢筋笼上浮,导管在提升时不得碰撞钢筋笼。考虑到水下灌注混凝土的质量,泥浆中浇注的混凝土应采用商品混凝土。钻孔桩桩顶设计标高处的混凝土强度必须满足设计要求,不得出现浮渣。浇注底板前应将顶部浮渣及超高部分混凝土凿除。由于桩顶部分混凝土与泥浆混杂,质量受到影响,混凝土实际灌注应比设计桩顶标高高出800 mm。

钢筋笼纵向钢筋的接长采用焊接,接头位置应相互错开,且在35d或500 mm (取大值)的同一接头连接区段范围内钢筋接头不得超过钢筋数量的50%,纵横钢筋交接处均应焊牢。钢筋笼外侧需设混凝土垫块或采用其他有效措施,以保障钢筋保护层厚度的准确性。钢筋笼在制作、运输、吊装过程中应采用有效措施确保施工安全、防止钢筋笼变形,钢筋笼入孔后应及时浇注混凝土。

5.2 钢格构柱吊装施工

桩基钢筋笼采用汽车吊吊放入孔,可采用分段吊装,露出地面长1.5 m,将其固定在H型钢支撑架上,起吊钢格构柱,将格构柱放入钢筋笼内3 m后,将钢筋笼主筋焊接在格构柱上,然后将钢筋笼和格构柱下放至设计标高。钢格构柱安装误差应符合塔机基础规程表8.5.5的规定。

5.3 基坑开挖及混凝土承台施工

根据塔机基础设计,塔机基础先行开挖,开挖坡度可为1∶2,一次开挖到塔机基础底标高,垫层200 mm,采用C15混凝土并掺入早强剂,垫层上铺塑料薄膜,便于土方大开挖后垫层和基础承台自动分离。承台的钢筋绑扎和预埋件安装后,应按要求检查验收,合格后方可浇捣混凝土,浇捣中不得碰撞、移位钢筋或预埋件,混凝土浇注后应及时养护。基础承台混凝土施工中,在承台顶面的四角应做好沉降及位移观测点,并做好原始记录,塔机安装后应定期观测并记录,沉降和倾斜率不应超过塔机基础规程第4.2.4条的要求。安装塔机时基础混凝土应达到80%以上设计强度,塔机运行使用时混凝土应达到100%设计强度。由于混凝土承台暗梁钢筋密集,按常规钢筋布置方法则不可避免会与钢格构柱各分肢型钢冲突,因此为方便施工,暗梁与钢格构柱交接处钢筋布置规则可按图8进行处理,取得良好效果。

图8 承台暗梁钢筋布置图(单位:mm)Fig.8 Layout of reinforcement of pile cap beam (Unit:mm)

5.4 焊接支撑及结构底板施工

随着土方分层开挖,塔吊承台开始逐步漂浮在空中,应采用逆作法在格构式钢柱外侧四周及时设置角钢水平支撑和斜撑,将各钢格构柱连接为整体。基坑开挖过程中应该保护好组合式基础的钢格构柱,随着土方开挖至基底后,采用人工将灌注桩桩顶混凝土凿除到底板垫层面标高,在凿除过程中严禁伤害到格构柱,并立即浇注结构底板垫层,同时先行施工塔吊灌注桩区域底板结构,并将灌注桩主筋锚入底板结构不小于35 d,进一步将格构柱连接为一个整体。钢格构柱在结构底板厚度中央位置,应在分肢型钢上焊接止水钢板。

5.5 现场施工效果

施工现场情况如图9所示,实践证明,本工程塔机采用组合式基础取得满意效果。

6 结 论

(1) 高层、超高层建筑的基坑深且体量大,塔机采用组合式基础,可以提前投入使用,提高工作效率及塔机覆盖率,节省工期及成本,取得良好效益。

(2) 采用现行规程规定的方法对塔机组合式基础进行理论分析计算,结果满足要求,设计合理。

图9 组合式基础现场实际施工照片Fig.9 Actual construction photos of combined foundation

(3) 运用Midas Gen有限元程序对组合式基础整体进行了数值模拟计算分析,以此来验证设计的合理性与安全性。分析结果表明:组合式基础整体共同工作良好,各构件强度、整体位移、稳定性均满足要求。

(4) 目前本项目主体结构已竣工,塔机已拆除,两年多来塔机运行正常、安全。现场施工实践证明了本工程塔机组合式基础设计、施工工艺是合理可靠的,所采取的施工质量控制措施是行之有效的。本工程的顺利实施可为塔机组合式基础推广应用提供实际案例参考。