组合式塔吊基础在深基坑中的应用

董京京（中铁建设集团有限公司，江苏 昆山 215332 ）

1 工程概况

萧政储出（2013）40 号地块一标段工程位于杭州萧山奥体博览城板块，总建筑面积 190 619 m2，其中地上 137 141 m2，地下 53 478 m2。地上为 3 栋超高层，T 3 塔楼地上 54 层，建筑高度 199.800 m，T 4、T 5 塔楼地上 48 层，建筑高度 191.4 m。车库区域地下 3 层，主楼区域地下 4 层，自然地坪标高 -0.650 m，车库底板标高 -13.300 m，塔楼底板标高 -15.500 m，电梯坑底标高 -19.850 m，基坑开挖深度为 12.650～19.200 m。工程为桩筏基础、框剪结构，工程桩为钻孔灌注桩。基坑支护形式设计为内撑式排桩墙+一道钢筋混凝土支撑，支撑顶标高为 -4.000 m。

充分考虑本工程的各因素，布置 3 台中联重科 TC 7030 B 型塔吊，T 3、T 4、T 5 塔楼各布置一台。

2 塔吊基础设计

本工程基坑深，土方开挖量大，开挖周期长，为使深基坑开挖期间塔吊可提前投入使用，选用钻孔灌注桩+钢格构柱 + 混凝土承台组合式塔吊基础，下文以 T 3 塔楼 1 号塔吊为例进行分析。

结合本工程地勘报告土壤物理力学性能参数、塔机荷载参数及杭州市关于钢格构柱组合塔吊基础的文件要求，计算后选用 4 根 Ø 900 钻孔灌注桩，桩间距 3 200 mm，有效桩长 27 m，桩身纵向配筋为 16 C 25，螺旋箍 Ø 10@200；桩顶下 4.5 m 范围内按 Ø 10 @ 100 加密；桩身混凝土强度 C 40，桩端进入 ⑨-2 圆砾层 ≥5 m。钻孔灌注桩内钢格构柱组合截面为 520 mm×520 mm，分肢采用 4 L 200 mm×20 mm 角钢，缀板 500 mm×350 mm×10 mm@ 400。钢格构柱间水平支撑及斜支撑采用 L 160 mm×60 mm 角钢，材质均为 Q 235 B，钢格构柱长度 11.600 m，下端锚入钻孔灌注桩内 4 m，上端锚入基础承台内 0.800 m。基础承台尺寸为 5 000 mm×5 000 mm×1 600 mm，混凝土强度 C 30。考虑杭州地区台风不安全因素，同时结合该地区的专家论证要求，将基础承台设置于地下二层间，未设置于地面位置。塔吊基础相关设计图纸见图 1、图 2。

图1 塔吊基础立面图

3 塔吊基础相关计算

该种组合式塔吊基础主要分 3 部分进行计算，即钢格构柱的计算、灌注桩的计算、钢筋混凝土基础承台的计算。

3.1 基础顶部荷载的确定

塔吊处于最大独立高度时，弯矩最大，所产生的效应荷载也最大，附墙后弯矩减小，最不利荷载应取塔吊最大独立高度时产生的荷载。查厂家提供的中联重科 TC 7030 B 型塔吊说明书，确定工作及非工作 2 种工况下塔机传递至基础顶部最不利荷载标准值，见表 1。

表1 塔基传递至基础顶部荷载标准值

根据 JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》5.2 条桩基竖向承载力计算得出轴心竖向力作用下：荷载效应标准组合偏心竖向力作用下：

图2 基础相关节点详图

荷载效应基本组合偏心竖向力作用下：

式中：Gk—承台及其上土的自重荷载标准值/kN；

GP2—钢格构柱总重标准值/kN；

G —承台及其上土的自重荷载设计值/kN；

F —竖向荷载设计值/kN；

n —桩数/根；

H0—钢格构柱长度/m；

hr—钢格构柱伸入灌注桩的锚固长度/m；

h —钢格构柱顶部承台厚度/m；

L —桩对角线距离/m。

3.2 格构柱的计算

(1) 格构式钢柱换算长细比验算。式

中：λ0max—格构式钢柱绕两轴下 x，y 的换算长细比中 大值；

[λ]—轴心受压构件允许长细比，取 150。

(2) 格构式钢柱受压稳定性验算。

λ0max(fy/235)0.5=64.916

查 GB 50017—2017《钢结构设计标准》附录 C 可得出：φ=0.78

满足要求。

式中：fy —钢材屈服强度/ N·mm-2；

φ —轴心受压构件的稳定系数；

A —构件毛截面面积，即分肢毛截面面积之和 /mm2。

(3) 格构式钢柱分肢的长细比验算。

λ1=10.178≤min(0.5 λ0max，40)=32.458，满足要求。

(4) 缀件及焊缝验算。

缀件及焊缝按照 GB 50017—2017 内容进行。

(5) 柱顶水平位移验算。

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，Hz取塔基底与工程基础垫层底净高的 2 倍，其水平位移值 s 按式（8）计算。

式中：VH—作用于基础顶面的水平力设计值，

K —格构柱抗侧刚度，K 可按式（9）计算。

式中：EI —格构柱抗弯刚度/ N·mm2，

经计算 s =13.302 mm＜Hz/500=27.2 mm，满足要求。

3.3 灌注桩的计算

(1) 计算参数的确定。

查岩土工程勘察报告地基土物理力学指标设计参数，得出钻孔灌注桩设计参数见表 2。

表2 地基土桩基设计参数

土层厚度应根据桩顶、桩底标高结合工程地质剖面图中各土层高程计算确定，工程地质剖面图应选择距离所计算塔吊基础最近勘探孔的地质剖面图。

(2) 桩基竖向抗压承载力计算。

桩基竖向抗压承载力应符合 JGJ/T—187—2009《塔式起重机混凝土基础工程技术规程》中 6.3.3 条公式要求：Qk≤Ra；Qkmax≤1.2 Ra；

式中：u—桩身周长/m；

li—第 i 层岩土的厚度/m；

Ap—桩底端横截面面积/m2。

经计算 Ra=2 925.103 kN，

Qk=536 kN≤Ra=2 925.103 kN，

Qkmax=1 540.092 kN≤1.2 Ra=3 510.124 kN，满足要求。

(3) 桩基竖向抗拔承载力计算。

桩的抗拔承载力应符合 Q'k=≤R'a要求。

式中：GP—桩身的重力标准值/kN，水下部分按浮重度计。

经计算 R'a=1 312.257 kN，

按荷载效应标准组合计算的桩基拔力：

Q'k=-Qkmin=468.092 kN，

Q'k≤Ra'，满足要求。

(4) 桩身承载力计算。

① 轴心受压桩桩身承载力应符合式（12）规定：

② 轴心抗拔桩桩身承载力应符合下式规定：

Q'≤fyAS

荷载效应基本组合下的桩顶轴向拉力设计值：

Q'=-Q'kmin=669.424 kN＜fyAS=2 356.194 kN，满足要求。

式中：Q —荷载效应基本组合下的桩顶轴向压力设计值 /kN；

ψc—基桩成桩工艺系数；

fc—混凝土轴心抗压强度设计值/N·mm-2；

APS—桩身截面面积/mm2；

Q ' —荷载效应基本组合下的桩顶轴向拉力设计值 /kN；

f 'y—纵向主筋抗压强度设计值/ N·mm-2；

A's —纵向主筋截面面积/mm2；

fy—普通钢筋抗拉强度设计值/ N·mm-2；

AS—普通钢筋的截面面积/mm2。

③ 轴心抗拔桩的裂缝控制宜按三级裂缝控制等级计算，根据 JGJ 94—2008 的 5.8.8 条规定进行计算。

3.4 承台计算

(1) 受弯及受剪切计算 。

高桩承台应进行受弯、受剪承载力计算，应将塔机作用于承台的 4 根标准节立柱所包围的面积看作柱截面，受弯、受剪承载力配筋按 GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》的规定计算。

(2) 受冲切计算 。桩基承台厚度应满足基桩对承台的冲切承载力要求。对位于塔机塔身柱冲切破坏锥体以外的基桩，承台受角桩冲切的承载力应按 JGJ/T—187—2009 中 6.4.7 条规定计算。

3.5 计算注意事项

(1) 格构式钢柱换算长细比验算。浙江省工程建设标准 DB 33/T1053—2008《固定式塔式起重机基础技术规程》与国标 JGJ/T—187—2009 中对格构式钢柱换算长细比 λ0max计算具有一定差别（以下简称浙江省地标和国标）。

当格构式钢柱的缀件形式为缀板时：

式中：H0—格构式钢柱的计算长度/m，取承台厚度中心至格构式钢柱底的长度。

λx(λy) —整个构件对 x 轴（y 轴）的长细比；

λ1—格构式钢柱分肢对最小刚度轴的长细比；

Ix(Iy) —格构式钢柱对 x 轴（y 轴）的惯性矩/m4；

A0—格构式钢柱分肢的截面面积/m2。

以本工程 11.6 m 长格构柱为例对比：

以浙江省地标计算得：HZ=13.6m，λ0max=64.916，

以国标计算得：H0=11.6 m，λ0max=55.624。

通过上述对比可知，浙江省地标较国标对于组合式塔吊基础中格构式钢柱换算长细比验算控制更为严格，在国标的基础上对格构柱的计算长度进行了放大处理。

(2) 柱顶水平位移验算。柱顶水平位移验算为浙江省地标中增加的验算要求，国标中无此验算规定。

(3) 桩基竖向抗压、抗拔承载力计算。单桩竖向抗拔及抗压承载力验算时应计算特征值，公式中带入土层的侧阻力及端阻力特征值计算， 应注意区分岩土工程勘察报告地基土物理力学指标设计参数中提供的土层侧阻力及端阻力是极限值还是特征值，若未提供特征值，应将极限值除以安全系数 K=2 得出特征值。

(4) 桩身承载力计算。桩身承载力验算应取荷载效应基本组合下的桩顶轴向压力设计值、轴向拉力设计值与桩身轴心抗压、抗拔桩桩身承载力并进行比较，在非效应标准组合下取值。

4 施工注意事项

(1) 钢格构柱的加工。钢格构柱加工前应对钢格构柱进行深化设计，出具深化加工图，支撑与格构柱焊接部位的缀板高度应在设计计算的基础上结合支撑焊缝验算长度要求增大处理，以满足支撑焊接焊缝长度要求。水平剪刀撑之间应通过连接板转接焊接，剪刀撑与角部 4 根格构柱间通过角托板转接焊接连接，便于焊接且满足焊缝长度。格构柱相关节点见基础相关节点详见图 3。

图3 基础相关节点详图

格构柱应由专业资质等级的钢结构公司在工厂进行组焊制作，禁止在现场进行焊接制作，焊缝按规范规定进行探伤试验。格构柱分肢角钢接长焊缝等级为二级，其余焊缝等级均为三级，二级焊缝按规范规定进行探伤试验。在角钢长度满足的情况下，尽量选择整长角钢进行制作，本工程格构柱长度 11.600 m，选用 12 m 长角钢进行制作，避免了分肢角钢出现对接焊缝。

(2) 钻孔灌注桩的施工。钻孔灌注桩严格按照施工方案进行施工，根据地质条件选择不同施工工艺，本工程正循环钻施工工艺，重点控制以下内容：① 灌注桩成孔的桩位、成孔深度、桩身垂直度允许偏差应满足 JGJ 94—2008 中表 6.2.4 灌注桩成孔施工允许偏差要求。② 钢筋笼的制作安装质量应满足 JGJ 94—2008 中 6.2.4 条要求。③ 灌注桩的成渣厚度应 ≤50 mm。

(3) 钢格构柱的吊装定位。钢格构柱吊装定位应重点控制格构柱的垂直度及方正位置，确保相邻格构柱外侧处于同一个竖直面。因钢格构柱设计顶标高在自然地坪以下，格构柱吊装定位工程中极易发生扭转，导致开挖后支撑焊接困难，焊缝长度不满足设计要求，实际的工况与设计计算工况发生偏差，实际承载力减小。

本工程在钢格构柱吊装前，采用同截面尺寸的旧钢格构柱对塔吊基础格构柱进行了接长，使其柱顶标高在自然地以上 500 mm。同时采用钢格构柱定位导向架辅助钢格构柱定位，钢格构柱吊装进入桩孔内，由 2 名测量人员使用 2 台经纬仪通过双方向控制调整钢格构柱位置，直至偏差满足规范要求。土方开挖至设计桩标高后，可拆除上部接长格构柱。

(4) 支撑的焊接。土方开挖至相应标高后，钢格构柱间水平及竖向支撑应及时进行焊接施工，确保 4 根钢格构柱及时形成几何空间不变体系，增强塔吊基础整体稳定性，以抵抗塔机转动时产生的扭转荷载。

5 结 语

组合式塔吊基础施工一定程度上采用了逆作法，深基坑工程采用此类组合式塔吊基础可在土方开挖至基础底板标高前安装塔吊，塔吊可提前投入使用，可节省部分吊车机械费用，且塔吊拆除后钢格构柱可周转使用，优势较为明显。华东地区深基坑工程使用此类组合式塔吊基础较多，此类组合式塔吊基础较常规塔吊基础在受力计算及施工环节较为复杂，尤其是浙江省地标对其受力计算要求较国标要求更为严格。

萧政储出 [2013]40 号地块一标段工程 3 台塔吊均采用此类组合式塔吊基础，使用安全、稳定，目前 3 栋塔楼主体结构已封顶。

本工程组合式塔吊基础的设计与施工可为同类工程提供一定借鉴和参考。