朱 国 勤
(江苏建兴建工集团，江苏 盐城 224002)
某塔吊基础的设计
朱 国 勤
(江苏建兴建工集团，江苏 盐城 224002)
以某工程塔吊基础设计为例，对基础顶面竖向力及倾覆弯矩进行了计算研究，详细介绍了桩和承台的计算及验算过程，并对塔吊基础的设计与施工工作进行了阐述，为今后同类工程提供了借鉴。
塔吊基础，设计，弯矩，承台
1 概述
工程施工中，塔吊基础经常出现安全事故，产生安全事故的原因之一是塔吊基础设计错误。塔吊基础设计属于结构设计，包含于施工方案设计中，通常由施工技术人员设计，监理人员审核。相应于主体建筑物的结构设计来说，设计与审核队伍体系技术能力相差很大。国内现状是施工技术人员水平参差不齐，监理人员更难具备实质的结构设计审核能力，因而基础设计会隐藏较大的安全隐患。本文以某工程基础设计与施工为例，对相关的设计与施工作阐述。
某工程地下为辅框架结构，建筑面积79 023.43 m2，主要为设备用房、停车位和人防工程。地面以上1层～4层主框架结构裙房，商业功能，建筑面积39 467.1 m2， 5层～29层为混凝土筒体+钢管混凝土外框混合结构，商务办公功能。塔吊基础地质条件，根据地质条件，持力层选择于⑥层粉质粘土上，软塑～可塑，中压缩性，地基承载力特征值fak=135 kPa，压缩模量Es0.1-0.2=5.4 MPa，渗透系数7.0E-06。
2 塔吊基础设计
因工程采用桩基础，塔吊基础利用前期施工完成的工程桩，承台尺寸选用b=5 m，l=7.2 m,h=1.6 m；混凝土强度等级采用C40，抗压强度设计值fc=19.1 N/mm2；钢筋采用Ⅱ级钢筋，抗拉强度设计值fy=300 N/mm2；承台下部钢筋保护层厚度采用100 mm，顶部、侧面钢筋保护层厚度采用50 mm。
塔吊基础位置，利用5根工程桩，工程桩为钻孔灌注桩，直径φ=800，桩的两向间距分别为2.4 m，4.8 m。桩长L=43 m；桩身混凝土强度等级C40，主要受力钢筋HRB335；fy=300 N/mm2。
根据工程要求及塔吊参数，塔吊的最大起重量为160 kN。
根据以上选用情况及相关参数，进行如下计算与设计。
2.1 基础顶面竖向力及倾覆弯矩计算
按照在工作状态下时，基础顶面所承受的最大荷载值来进行取值计算；作用于桩基础的承台顶部竖向力为F=1 207+160=1 367 kN；则塔吊的倾覆力矩为M=M1+V×h=5 899+38×1.6=5 959.8 kN·m；
按照非工作状态下时，基础顶面所承重荷载的最大值取值计算；作用于桩基础承台顶的竖向力F=1 128 kN；则塔吊的倾覆力矩值M=M1+V×h=5 574+152.3×1.6=5 817.68 kN·m。
2.2 桩的计算
1)单桩竖向力的计算。
依据规范，单桩顶面的竖向力：
其中，n为单桩的根数，本工程取n=5；F为作用于桩基承台顶面的竖向力设计值；G为桩基承台的自重。本文便采用以下计算：G=1.2×(25×l×b×h)=1.2×(25×7.20×5.00×1.60)=1 728 kN；Mx,My均为承台底面的弯矩设计值；xi，xj，yi，yj分别为第i，j桩单桩相对承台中心轴的X，Y方向距离，其中x1=0,y1=0;x2=1.2,y2=2.1;x3=1.25,y3=2.7，塔吊承台下相应的桩位置布置如图1所示；Ni为第i根桩单桩桩顶竖向力设计值。
假设塔吊的大臂与X轴呈θ角，则分解至X轴，Y轴的弯矩分别为Mcosθ，Msinθ。
将相关数值代入公式：
1号桩：
在工作状态下,经计算得到单桩桩顶竖向力设计值：
最大竖向力值：
N1=(1 367+1 728)/5±5 959.8×0×cosθ/(1×
02+2×2.12+2×2.72)±5 959.8×0×sinθ/(1×02+2×
1.22+2×1.252)=619 kN。
最小竖向力值：N1min=N1max=619 kN<5 000 kN(φ800的工程桩抗压承载力特征值)。
按照非工作状态,经过计算，单桩竖向力设计值为：
最大竖向力：
N1=(1 128+1 728)/5±5 817.7×0×cosθ/(1×02+2×
2.12+2×2.72)±5 817.7×0×
sinθ/(1×02+2×1.22+2×1.252)=571.2 kN。
最小竖向力：Nmin=Nmax=571.2 kN<5 000 kN(φ800的工程桩抗压承载力特征值)。
2，3号桩，4,5号桩计算方法相似，计算过程从略。
2)桩竖向承载力验算。
根据以上的计算所得的竖向力设计值，最大值Nmax=2 053.9 kN；
根据规范，竖向力设计值应满足下面的公式：
γ0N≤fcAΨc。
其中，γ0为建筑桩基重要性系数，取1.00；fc为混凝土轴心抗压强度设计值，本工程取fc=19.1 N/mm2；A为桩的截面面积，A=πD2/4=3.14×800×800/4=502 400 mm2；Ψc为工作条件系数，Ψc=0.50。
则γ0N=1×2 037.42 经过验算，满足要求。 3)单桩竖向承载力验算。 根据以上的计算所得的竖向力设计值，最大值N=2 372.1 kN； 单桩竖向承载力设计值按公式计算： Quk=QSK+QPK=u∑qsikli+qpkAp。 根据勘察报告可得知各土层厚度、桩周土极限侧阻力标准值，以及桩端土极限侧阻力的标准值。本工程桩处底板厚度为2 800 mm，桩计算顶标高为-19.300，也即是⑥层土，粉质粘土。桩端标高为-62.100，位于层土。 R=2.512×(35×8.2+70×2.71+55×5.43+40×2.12+58×7.67+45×5.93+50×3.41+45×4.41+50×7.64+65×2.61+80×10.84)+1 200×0.502 4=8 735.1 kN>2 037.42 kN。 满足要求。 4)桩抗拔验算。 桩身的抗拉承载能力验算： 根据前述计算结果，单桩最小竖向力，Nmin=-783.15 kN，即是桩顶拉力Nmin=-783.15 kN。 桩身受拉承载能力设计值： Np=fpy×Ap。 其中，Np为桩身轴向拉力设计值,kN；fpy为受力钢筋的抗拉设计值,fpy=300 N/mm2；Ap为受力钢筋面积，Ap=10×(π/4)×202=3 140 mm2； Np=3 140×0.3=942 kN>783.15 kN,桩身抗拉强度能满足。 单桩抗拔极限承载力标准值计算。 根据规范，桩基的抗拔极限承载力标准值： UK=∑λiqsikuili。 本工程桩处底板厚度为2 800 mm，桩顶计算标高为-19.300，置于⑥层土，粉质粘土: UK=0.75×2.512×(35×8.2+70×2.71+55×5.43+40× 桩抗拔满足要求。 2.3 承台计算 1)承台弯矩的计算。 根据以上计算，最大竖向力发生在4，5号桩。 按照规范： Mx=∑Niyi。 My=∑Nixi。 其中，Mx,My分别为计算截面在X，Y方向的弯矩设计值；xi,yi分别为单桩相对于塔吊在X，Y方向的距离，取a/2-B/2=5.4/2-2.2/2=1.6 m；Ni为扣除承台自重的单桩桩顶竖向力设计值，Ni=Nil-G/n=Nmax-G/n=1 671.82 kN；经过计算得到弯矩设计值：Mx=My=2×1 671.82×1.6=5 349 kN·m。 2)承台主筋的计算。 根据规范，承台受力筋计算按如下公式计算： 其中，α1为系数，当混凝土强度不超过C50时，α1取为1.0,当混凝土强度等级为C80时，α1取为0.94，此处α1取1.0；fc为混凝土的抗压强度设计值，C40混凝土fc=19.1 N/mm2；h0为承台计算高度，h0=h-100=1 500 mm；fy为钢筋的抗拉强度设计值，fy=300.00 N/mm2。 经计算： αs=5 349×106/(1.00×19.10×5 000×1 5002)=0.025； ξ=1-(1-2×0.025)0.5=0.097 5； γs=1-0.097 5/2=0.95； Asx=Asy=5 349×106/(0.95×1 500×300.00)=12 512.3 mm2。 3)承台斜截面抗剪承载力验算。 根据以上计算得到X，Y方向桩对矩形承台的最大剪切力,取剪切力V=Nmax=2 037.42 kN,不考虑承台配置箍筋的抗剪能力，则抗剪承载力: V≤βhsαftb0h0。 其中，b0为计算截面处的宽度，b0=5 000 mm；h0为计算截面处的高度，h0=1 500 mm；λ为剪跨比，λ=ax/h0。 此处ax为标准节的外皮到长边方向桩内边的水平距离，ax=2.7-1.1-0.4=1.2 m；计算截面的剪跨比λ=1 200/1 500=0.8, 当λ<0.3时，取λ=0.3；当λ>3时,取λ=3，此处满足0.3～3。 βhs为抗剪切承载力截面高度影响系数，可计算得βhs=0.854； ft为混凝土的轴心抗拉强度设计值，C40混凝土时，fc=1.71 N/mm2。 工程施工中塔吊安全事故频发，基础设计问题是其中原因之一。基础设计通常由施工技术人员完成，因此施工技术人员应当严格按照设计规范要求进行正确计算。本文以某工程塔吊基础进行设计为例，阐述了塔吊基础的设计要点。 [1] GB 50010-2010，混凝土结构设计规范[S]. [2] GB 50007-2002，建筑地基基础设计规范[S]. [3] JGJ/T 187-2009，塔式起重机混凝土基础工程技术规程[S]. [4] JGJ 94-2008，建筑桩基技术规范[S]. [5] 陈新杰，宣云干.常见塔吊基础设计方案及验算方法[J].施工技术,2006(2):65-68. Designandconstructionofatowercranefoundation ZHUGuo-qin (JiangsuJianxingConstructionGroup，Yancheng224002,China) Taking the design for the tower crane foundation of some project as the example, the paper calculates and studies the top vertical force of the basement and the overturning moment, mainly introduces the calculation and inspection process of the pile and cushion cap, and illustrates the design and construction of the tower crane, so as to provide some reference for similar projects. tower crane foundation, design, member, cushion cap 1009-6825(2014)14-0089-03 2014-03-05 朱国勤(1973- )，男，建筑经济师，国家注册监理工程师 TU471.99 ：A
2.12+58×7.67+45×5.93+50×3.41+45×4.41+50×
7.64+65×2.61+80×10.84)=3 053.67 kN>783.15 kN。
3 结语
