塔式起重机地基基础的设计计算和十字型基础设计实例

-1-塔式起重机地基基础的设计计算1、前言塔式起重机（以下简称塔机）地基基础的设计应根据工程地质勘察资料，综合考虑工程结构类型及布置、施工条件、环境影响、使用条件和工程造价等因素，做到因地制宜且安全经济地设计计算。塔机基础的设计应按独立状态下的工作状态和非工作状态的荷载分别计算。塔机基础工作状态的荷载应包括塔机和基础的自重荷载、起重荷载、风荷载，并应计入可变荷载的组合系数，其中起重荷载不应计入动力系数；非工作状态下的荷载应包括塔机和基础的自重荷载、风荷载。塔机在独立状态时，所承受的风荷载等水平荷载及倾覆力矩、扭矩对基础的作用效应最大；附着状态（安装附墙装置后）时，塔机虽然增加了标准节自重，但对基础设计起控制作用的各种水平荷载及倾覆力矩、扭矩等主要由附墙装置承担，故附着状态可不计算。目前各工程项目塔机的地基基础均按塔机制造商提供的基础图施工，由于这些塔机基础图在全国各地使用中所处的风荷载、工程地质差异很大，当使用地的风荷载很大时就会不安全，而在风荷载较小地区就会导致浪费保守，例如利用天然地基承载的塔机基础图常注明地基承载力特征值不得小于200KN/m2，实际上不符合因地制宜的设计原则。下面根据国家行业标准《塔式起重机混凝土基础工程技术规程》JGJ/T187-2009，通过实例说明塔机独立状态下地基基础科学合理的设计计算。2、塔机竖向荷载分析塔机的竖向荷载FK包括：塔身自重G0、起重臂自重G1、小车和吊钩自重G2、平衡臂自重G3、平衡块自重G4、最大起重荷载Qmax、最小起重荷载Qmin、塔机各分部重心至塔身中心的距离RGi、最大或最小起重荷载至塔身中心相应的最大距离RQi。将塔机各构件自重及起重荷载分别计算的目的在于分析计算竖向荷载作用下的倾覆力矩，常用的QTZ60塔机竖向荷载如图1所示。-2-Qmin=10kN50mRQmin=RG1=RQmax=RG4=RG3=H0=40mG0=251kNG1=37.4kNG2=3.8kNG3=19.8kNG4=89.4kN6.3m11.8m11.5m22mQmax=60kN图1QTZ60塔机竖向荷载简图3、塔机风荷载分析3.1塔机风荷载取值的基本规定塔机工作状态的基本风压应按0.20kN/m2取用，风荷载作用方向应按起重力矩同向计算；非工作状态的基本风压应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009中给出的50年一遇的风压取用，且不小于0.35kN/m2，风荷载作用方向应从平衡臂吹向起重臂。3.2塔机风荷载标准值计算垂直于塔机表面上的风荷载标准值kw（kN/m2），应按下式计算：kzsz00.8ww（1）式中：z——风振系数；S——风荷载体型系数；z——风压等效高度变化系数；ow——基本风压（kN/m2）；塔机的风振系数z可根据不同的基本风压0w和地面粗糙度类别及塔机的计算高度H按《塔式起重机混凝土基础工程技术规程》JGJ/T187-2009附录A表A.1.2确定。塔机的风荷载体型系数s，当塔身为型钢或方钢管杆件的桁架时，取1.95；当塔身为圆钢管杆件的桁架时，可根据不同的基本风压0w和风压等效高度变化系数z按JGJ/T187-2009附录A表A.1.3确定。塔机的风压高度变化系数，可采用等效高度变化系数Z将风荷载转化为等效均布线荷载，根据塔机不同的计算高度H、地面粗糙度，按JGJ/T187-2009附录A表A.1.4确定。3.3塔机工作状态时风荷载计算-3-工作状态时塔机风荷载的等效均布线荷载标准值qsk（kN/m）应按下列公式计算：skk/qWAH（2）kz00.8zsW（3）0ABH（4）式中：0——塔机工作状态时，基本风压值取0.20kN/m2；A——塔身单片桁架结构迎风面积（m2）；0——塔身前后片桁架的平均充实率；B——塔身桁架结构宽度（m）；H——塔机独立状态下计算高度（m），按基础顶面至锥形塔帽一半处取值。工作状态时，作用在塔机上风荷载的水平合力标准值Fvk应按下式计算：vkskFqH（5）工作状态时，风荷载作用在基础顶面的力矩标准值Msk应按下式计算：sksk0.5MFH（6）3.4塔机非工作状态时风荷载计算非工作状态时塔机风荷载的等效均布线荷载标准值qsk应按下列公式计算：skk/qWAH（7）kzsz00.8W（8）式中：kW——非工作状态时，风荷载标准值（kN/m2）；0——非工作状态时的基本风压（kN/m2），应按当地50年一遇的风压取用，且不小于0.35kN/m2。非工作状态时，作用在塔机上风荷载的水平合力标准值skF应按下式计算：skskFqH（9）非工作状态时，风荷载作用在基础顶面上的力矩标准值应按下式计算：sksk0.5MFH（10）综上所述，塔机在独立状态时，作用于基础的荷载包括竖向荷载标准值kF，水平荷载标准值vkF，倾覆力矩荷载标准值kM，以及基础及其上土的自重荷载标准值kG,见图2。考虑一般塔机基础所受的扭矩TK较小，远小于混凝土基础1/4的开裂扭矩[T]，故设计中可-4-不计扭矩的作用。图2基础荷载4、地基承载力设计计算示例4.1工程概况4.1.1塔机概况根据工程实况，采用塔机型号为QTZ60，塔身为方钢管桁架结构，塔身桁架结构宽度为1.6m，最大起重量为6t，最大起重力矩为69t·m，最大吊物幅度50m，结构充实率0=0.35，独立状态塔机最大起吊高度40m，塔机计算高度43m（取至锥形塔帽的一半高度），现场为B类地面粗糙度。4.1.2地基基础概况根据现场的工程地质勘察报告，持力层地基为可塑状态的粉质粘土，地基承载力特征值ak150fkPa，重度3γ19.0kNm，地下水位在自然地面下3m以下，且无软弱下卧层，故采用天然地基上方形基础，其尺寸为b×l×h=5100mm×5100mm×1250mm，混凝土强度等级C25。基础埋置深度为1.5m，基础顶面不覆土。塔机工作地点为深圳市，塔机基础示意图如图3。AAA-A0.000自然地面标高为±图3塔机基础平面和A-A剖面4.2基础所受荷载分析塔机QTZ60的竖向荷载简图如图1。-5-4.2.1自重荷载及起重荷载塔机自重标准值：K401.00FkN；基础自重标准值：K5.15.11.2525812.81GkN；起重荷载标准值：qK60.00FkN。4.2.2风荷载计算1工作状态下塔机塔身截面对角线方向所受风荷载标准值1）塔机所受风均布线荷载标准值（00.20kN/m2）SKzSZ000.8/qBHH0.81.21.591.951.320.200.351.60.44kN/m22）塔机所受风荷载水平合力标准值VKSK0.444318.92FqHkN3）基础顶面风荷载产生的力矩标准值SKvK0.50.518.9243406.78MFHkNm2非工作状态下塔机塔身截面对角线方向所受风荷载标准值1）塔机所受风线荷载标准值（深圳市0.75OkN/m2）SKzSZ00.8/qBHH0.81.21.691.951.320.750.351.61.75kN/m2）塔机所受风荷载水平合力标准值SK1.754375.25VKFqHkN3）基础顶面风荷载产生的力矩标准值SKSK0.50.575.25431617.88MFHkNm4.2.3塔机的倾覆力矩塔机自身产生的倾覆力矩，向前（起重臂方向）为正，向后为负。1大臂自重产生的向前力矩标准值137.422822.80MkNm2最大起重荷载产生最大向前力矩标准值（maxQ较minQ产生的力矩大）26011.5690.00MkNm3小车位于上述位置时的向前力矩标准值33.811.543.70MkNm4平衡臂产生的向后力矩标准值419.86.3124.74MkNm5平衡重产生的向后力矩标准值-6-589.411.81054.92MkNm4.2.4综合分析计算1工作状态下塔机对基础顶面的作用及基础自重1）标准组合的倾覆力矩标准值K13452SK0.9MMMMMMM（）=822.8043.70124.741054.920.9(690.00406.78)673.94kNm2）水平荷载标准值VK18.92FkN3）竖向荷载标准值塔机自重：K401.00FkN基础自重：KG812.81kN起重荷载：qK60.00FkNKKKqKG401.00812.8160.001273.81FFFkN2非工作状态下塔机对基础顶面的作用及基础自重1）标准组合的倾覆力矩标准值K145SK822.80124.741054.921617.881261.02kNmMMMMM无起重荷载，小车收拢于塔身边，故没有力矩2M、3M。2）水平荷载标准值VK75.25FkN3）竖向荷载标准值塔机自重和基础自重：KKKG401.00812.811213.81FFkN3比较上述两种工况的计算，可知本例塔机在非工作状态时对基础传递的倾覆力矩最大，故应按非工作状态的荷载组合进行地基基础设计。4.3塔机基础按方形基础验算地基承载力4.3.1计算修正后的地基承载力特征值aakddm(3)(0.5)ffbd1500.319.0(5.13)1.619.0(1.50.5)192.37kN/m24.3.2地基承载力验算按《塔式起重机混凝土基础工程技术规程》JGJ/T187-2009的规定验算，风荷载产生的倾覆力矩沿方形基础对角线作用，见图4。-7-（a）（b）图4双向偏心荷载作用下矩形基础的基底压力（a）偏心荷载在核心区内（b）偏心荷载在核心区外KKminGpkykxkxyMMFblWW3401.00+812.811261.020.71234.335.15.15.1/6kN/m20应按偏心荷载合力作用点在核心区外的公式计算。偏心距12·1261.0275.251.251.12401.00812.81kVKKKMFhemFF5.11.120.711.762blm221.761.763.100.1253.25blmblm相差5%以内，符合要求。KKmaxG1213.81p130.62331.761.76kFblkN/m21.2af5、基础内力及配筋设计计算示例5.1计算方形基础内力计算基础内力时，应将塔机作用于基础的4根立柱所包围的面积作为塔身柱截面，计算受弯的最危险截面取柱边缘处（图5）。基底净反力可采用单向偏心荷载作用下，荷载效应基本组合值按公式（11）求得基底的平均净压力设计值p：kmaxk1kG()2pppp（11）基底均布线荷载设计值kmaxk1k()b2Gppqp（12）-8-minmax1ll图5板式基础基地压力示意上式中综合荷载系数r取1.35，GKP为基础自重产生的基底压力标准值。基础在塔身柱边截面的弯矩设计值：211497.302xMqlkNm另一方向弯矩设计值：497.30yxMMkNm5.2计算方形基础配筋根据国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010-2002计算基础底面配筋，考虑对称式配筋，基础顶面同底面配筋。本例基础底面双向配筋为20@180，受力筋按基础最小配筋率配置，属构造配筋，基础顶面双向配筋14@180，竖向连接筋为Φ10双向@500。6、结束语通过上述论述和实例计算，说明塔式起重机基础属高耸结构的基础，风荷载产生的倾覆力矩往往在地基基础设计中起控制作用，当塔机使用地的风荷载较大时，不能盲目套用“塔机使用说明书”中的基础图，否则会不安全。其次，塔机承受风荷载作用，应取荷载效