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塔型起重机问题剖析探究

2011-07-29 08:12:08中国起重机招标网

  在大量建设高层建筑的今天,塔式起重机以其低廉的使用费、灵活的工作高度、较大的工作覆盖面积等优点广泛应用于建筑工地。但是,国内外塔式起重机发生事故的例子不少,有的是塔式起重机产品本身设计原因,有的是违反了安全操作规程,有的是突发情况处理不当,其中也有很大比例是基础倾覆、地基破坏造成的。为保证塔式起重机的工作安全,地基和基础的安全性必须予以高度重视。

  如果工程场地的地基承载力条件能够满足塔式起重机生产厂家说明书要求,按说明书要求选用独立基础的浅基础方案即可。但是在软土地区,地基承载力设计值无法达到说明书140 kPa或200 kPa的要求,应当作地基处理或基础专项方案设计,并向有关部门报批。

  目前,塔式起重机的基础设计往往由具有资质的施工总承包单位负责,虽然其施工经验丰富,但涉及基础部分的设计力量不足,存在“套用设计”和“拜托程序”的现象,针对项目具体情况的设计分析不够。本文谨针对塔机基础专项方案设计中存在一些常见误区,与广大的方案编制者探讨。

  1误区一,认为水平力和扭矩较小可以忽略作用于塔式起重机底部的力有竖向轴力F v、水平力F h、扭矩M t和倾覆力矩M 1,及工作状态下另一方向的倾覆力矩M 2,以某厂家生产的QTZ80(ZJ5710)型塔式起重机为例。

  如果采用4根桩基和独立承台,承台厚度按说明书要求为1.35 m,因起重机底座产生的水平力至承台底面有h=1.35 m,验算桩顶反力时采用的倾覆力矩应考虑水平力产生的附加弯矩ΔM,非工作状态下ΔM =F h×h=71×1.35=95.85 kN?m,占塔底倾覆力矩1 668 kN?m的5.75%,非工作状态下ΔM=F h×h=31×1.35=41.85 kN?m,占塔底倾覆力矩1 039 kNm的4.03%.

  有的设计人还认为水平力产生的附加弯矩影响不大,可以忽略,则以另一个深基坑中采用4根桩和钢格构柱的常见类型基础为例。某工程室内外高差0.6 m,基坑开挖深度为9.3 m,承台厚度h=1.35 m,一层楼板厚0.2 m,承台底面距钻孔灌注桩顶H=8.15 m,则非工作状态下ΔM=F h×(h+H)=71×(1.35+8.15)=674.5 kN?m,占塔底倾覆力矩1 668 kNm的40.44%,工作状态下ΔM = F h×(h+H)=31×(1.35+8.15)=294.5 kN?m,占塔底倾覆力矩1 039 kN?m的28.34%.该基坑深度尚未大于10 m,水平力产生的附加弯矩影响已如此之大,足以改变桩基的深度、直径、桩距等重要参数。从设计的角度而言,无论是5%还是50%,都不可忽略。

  我们再检验工作状态下扭矩所产生的影响。对常规型号的塔式起重机而言,如果采用独立基础或桩和独立承台的基础形式,由于基础周围土体的嵌固作用、桩顶的水平承载能力,都可以承受塔基底部的扭矩。但对桩和钢格构柱而言,应当作相应的分析。仍以图2工程为例,桩基中心距b=2.4 m,在扭矩M t的作用下,格构柱产生了水平剪力ΔF h,ΔF h =M t /(4×2姨2 b)=270/(4×2姨2×2.4)=39.77 kN,与x轴有45°角,投影到0°和90°方向由格构柱之间的钢支撑承担剪力,每个方向为39.77/ 2姨=28.13 kN.当平衡臂旋转至0°角时,每根格构柱分担的水平力为F h /4=31/4=7.75 kN,两者相比为28.13/7.75=3.63倍。非工作状态下没有扭矩,F h /4=71/4=17.75 kN.可见格构柱的抗剪验算和格构柱之间的钢支撑验算一般是由工作状态下的扭矩控制的,必须考虑。

  2误区二,认为工作状态一定比非工作状态不利根据塔式起重机工作原理,平衡臂两端分别为平衡块G和吊重Q.平衡块用于平衡吊重对塔基底部产生的倾覆力矩,平衡块和吊重产生的倾覆力矩差由塔式起重机的基础承担。此外,塔式起重机需要承受风荷载作用产生的倾覆力矩,在zui大独立高度时,风由吊重吹向平衡块方向是zui不利的。

  厂家数据为例,假定桩基中心距b=2.4 m,承台尺寸为4 m×4 m×1.35 m,承台自重G k =4×4×1.35×25=540 kN.根据《建筑地基基础设计规范》GB5007- 2002公式8.5.3- 2:桩顶反力标准值:Q ik=(F k +G k)/n±M xk×Y i /∑Y i 2±M yk×X i /∑X i 2因此,QTZ80(ZJ5710)型塔式起重机当平衡臂与x轴成45°角的非工作状态是桩顶反力标准值zui大的工况,各厂家生产的常见型号塔式起重机荷载参数也基本都有此规律。在设计中切忌想当然,基础设计方案中塔式起重机必须依据可靠的荷载来源,对各种工况作用在不同角度进行验算。

  3误区三,认为钢格构柱埋入承台越深越可靠有的总承包单位在方案编制时,为保证钢格构柱与承台的可靠连接,将钢格构柱埋入承台很深,比如在1.35 m厚的承台中埋入1.0 m.这样的处理方法忽略了钢格构柱顶部剩余混凝土的冲切安全。举例来讲,假设格构柱中心距2.4 m,承台外包尺寸3.4 m×3.4 m×1.35 m,C35混凝土,格构柱外包尺寸0.45 m×0.45 m,格构柱分别按埋入承台1.0 m和0.4 m验算所示。

  验算可知,埋入承台0.4 m左右既能保证冲切安全,又较易设置柱顶抗拔锚筋。因此,不建议钢格构柱埋入承台过深,如确因工程实际情况限制,则应加强承台冲切验算。

  4误区四,认为将桩与十字钢梁承台上的起重机立柱对齐更安全由于十字钢梁作为承台可以反复使用,目前被越来越多的项目采用。但采用这样的承台形式,塔式起重机传力路径较复杂,塔式起重机柱脚反力经由钢梁再传递到桩顶,各种工况下钢梁的计算量较大。不少的项目为避免这些计算,将桩基的中心距减小到仅比塔式起重机立柱中距稍大。这样处理将加大桩顶的反力值,增加桩基的造价。而且因塔式起重机立柱间距不大,往往造成桩基中心距小于规范要求,造成桩基的变形因群桩效应而增大,桩基的竖向支承刚度因桩土相互作用而降低,不能有效发挥桩的承载力。

  借用前述塔式起重机参数,将承台和桩基设计(a)和(b),桩基采用常见的φ800 mm钻孔灌注桩,钢承台高0.45 m,钢承台自重按15 kN计,格构柱净高7 m,4根格构柱自重42 kN,塔式起重机立柱中距1.6 m.

  对(a)的情况,可以按前述同样的方法计算得知,当平衡臂与x轴成45°角的非工作状态反力zui大:可见,桩基中心距决定了桩顶反力的大小,也影响了桩基的直径、长度、造价。桩距越小,桩顶反力越大,而单桩承载力特征值越小。

  需注意(b)情况时,钢梁1和钢梁2交叉连接处互为弹性支座,具有相同的挠度变形,建议借助结构设计软件准确的计算钢梁弯矩和剪力,进而分析其应力、挠度、稳定性。不少方案编制人感觉十字钢梁的工况过于复杂,难以理清头绪,这里简列计算简图供参考。

  各种工况下钢梁的受力不尽相同,故对待十字钢梁承台应认真复核,以免钢梁变形、振动过大而造成塔式起重机不能正常使用。

  5误区五,认为利用基坑围护桩作为桩基可以高枕无忧塔式起重机基础放置于基坑斜坡上是危险的,尤其是浅基础,这一点已得到认同。但不少方案将塔式起重机紧邻基坑边缘,利用基坑围护的水泥土搅拌桩、钢筋混凝土围护桩等作为起重机的桩基,且未对围护桩进行验算或承载力的折减,也未考虑基坑变形对塔机基础的影响。

  水泥土搅拌桩是地基加固和坑边加固的一种手段,其本身不能作为常规桩基使用。较常见的错误做法是利用两根钢筋混凝土围护桩,再补打两根钻孔灌注桩的方案,作为塔吊基础,这时需要考虑几个问题:一是围护桩在基坑开挖深度范围内一侧临空,没有摩阻力,桩的承载力较低;二是围护桩将随基坑发生水平向的变形,桩在承受竖向力时将承担额外的偏心弯矩;三是补打的钻孔灌注桩桩长、直径、工作状况与围护桩是否相同,能否与围护桩协调变形。

  典型的悬臂式围护简图,一般在三级基坑(基坑深度不大于7 m)中应用。作为围护桩,桩身已承担较大的弯矩。以6.5 m基坑为例,若围护桩采用φ0.7 m,6 m宽度内设8根围护桩,由土压力产生的弯矩计算见图13,每根围护桩承担弯矩设计值为623×1.25×6/8=584 kN?m.

  利用围护桩的塔式起重机基础在基坑开挖后将随基坑发生变形,水平向位移Δ,转角δ。塔式起重机的竖向荷载使得围护桩需要承担额外的偏心弯矩ΔM=Δ×N.围护顶部位移zui大设计允许值为10 cm,前述计算得到zui大的桩顶反力标准值N k =767 kN,则附加偏心弯矩设计值M=0.1×1.4×767=107.4 kN?m.偏心弯矩ΔM所占比例=107.4/584 =18.4%,可见塔式起重机对围护桩的影响颇大,围护的变形对塔式起重机而言也是安全隐患。

  典型的两道水平支撑围护体系简图,常用于一、二级基坑工程。基坑的挖土、支撑、换撑各道工序中,围护的受力状况变化复杂,塔式起重机的竖向偏心荷载更加重了围护的负担。

  总体而言,塔式起重机应与基坑支护体系分离,应具有独立的基础,且与深基坑有一定的安全距离。如果确实迫于场地、技术原因,必需利用围护作为基础,则应采取措施,如:加大围护桩尺寸、减小围护桩间距、增加配筋、内插型钢,在起重机平面位置增设水平支撑、八角撑,加强围檩刚度,基坑内、外侧土体压密注浆,开挖防挤沟等,并将塔式起重机的技术参数、基础方案交基坑围护设计单位验算确认,取得书面依据。同时,应将基础方案报相关部门审批。在使用过程中,还应加强基坑变形的观测。

  6误区六,认为格构柱与地下结构连接可以减小格构柱计算高度深基坑中的格构柱式基础,格构柱净高往往较高,小则5 m 6 m,大则10 m以上。有的基础方案为减小格构柱的计算高度,要求在地下主体结构施工中将格构柱与结构楼板可靠连接。该方案看似比较周全,但主体结构如果是顺作,在施工开挖到zui下一层土时,地下室主体结构均未成型,格构柱无处可拉,高度没有减小,计算时却人为减小了计算高度,不安全。只有逆作法施工,该方案才具有可行性。

  因此,在方案编制时应根据施工工艺、施工流程对计算高度准确取值,避免计算模式与实际不符,产生安全隐患。

  7结语

  以上笔者提出了塔式起重机基础方案设计中六个常见的问题,通过实例评估了经常被忽视和误解的重要内容,希望有助于施工总承包单位根据现场实际情况选择塔吊基础,通过正确设计,消除安全隐患,确保施工期间塔吊安全运营。

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