塔式起重机天然地基基础的设计.docx

塔式起重机天然地基基础的设计华锦耀（华丰建设股份有限公司浙江宁波315040）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：塔身自重匕、起重臂自重勺、小车和吊钩自重§、平衡臂自 重G3、平衡块自重§、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（浙江省建设机械集团有限公司制造）如图1所示。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0.20 kN/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中给出的塔机 使用地点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巧（kN/m2），应按下式计算：kw = 0.8。日日 w（1）kz s z 0式中：Pz风振系数；氏一一风荷载体型系数；七一一风压等效高度变化系数；w 基本风压（kN/m2）；塔机的风振系数七可根据不同的基本风压w0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R，当塔身为型钢或方钢管杆件的桁架时，取1.95；当塔身为 s圆钢管杆件的桁架时，可根据不同的基本风压w0和风压等效高度变化系数|1 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R 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，以 方便计算。3.3塔机工作状态时风荷载计算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:qk WkA/H（2）W k 0.8 z s z0（3）A 0BH（4）式中：0 塔机工作状态时，基本风压值取0.20 kN/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：Fvk qskH工作状态时，风荷载作用在基础顶面的力矩标准值M众应按下式计算：M k 0.5Fk H（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：qk WkA/H（7）Wk 0.8z s z 0式中：Wk 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0.35 kN/m2。非工作状态时，作用在塔机上风荷载的水平合力标准值F ,应按下式计算：skFsk qskH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：M k 0.5Fk H（10）综上所述，塔机在独立状态时，作用于基础的荷载包括翌向荷载标准值Fk，水平荷载标准值Fk，倾覆力矩荷载标准值Mk，以及基础及其上土的自重荷载标准值Gk，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 不计扭矩的作用。r 2个执图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69tm，最大吊物幅度50m，结构充实率履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 fak = 150 kPa，重度Y= 19.0 kN m3，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bX lXh=5100mmX 5100mmX 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。自然地面标高为±0.000图3塔机基础平面和A-A剖面烦1 1L处1151Q011阪1514 1 DOiA-A4.2基础所受荷载分析塔机QTZ60的竖向荷载简图如图1。4.2.1自重荷载及起重荷载塔机自重标准值：F = 401.00kN；基础自重标准值：G=5.1x5.1x1.25x25=812.8kN； 起重荷载标准值： = 60.00 kNo4.2.2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（0 = 0.20kN/m2）q = 0.8弗 p p 3 a BH / HSKz S Z 0 0=0.8 x 1.2 x 1.59 x 1.95 x 1.32 x 0.20 x 0.35 x 1.6 = 0.44kN/m22）塔机所受风荷载水平合力标准值Fk = qSK H =）.44x 4 3= 1 8k?9 23）基础顶面风荷载产生的力矩标准值Msk = 0. 5F k H = 0. 5< 18.x2 4 34c（N6.m82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s' = 0.75kN/m2）Oq = 0.8aP p p rn'aBH / HSKz S Z 0=0.8 x 1.2 x 1.69 x 1.95 x 1.32 x 0.75 x 0.35 x 1.6 = 1.75 kN/m2）塔机所受风荷载水平合力标准值F' = q' - H = 1.75 x 43 = 75.25 kN VK SK3）基础顶面风荷载产生的力矩标准值MSK = 0. SK H= 0.x5 7 5x 2 5= 43 1kN-7.n8 84.2.3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M1 = 37.4 x 22 = 822.80 kN - m2最大起重荷载产生最大向前力矩标准值（Qmax较Qmin产生的力矩大）M2 = 60 x 11.5 = 690.00 kN - m3小车位于上述位置时的向前力矩标准值M3 = 3.8 x 11.5 = 43.70 kN- m4平衡臂产生的向后力矩标准值M4 = -19.8 x 6.3 = -124.74 kN - m5平衡重产生的向后力矩标准值M5 = -89.4 x 11.8 = -1054.92 kN - m4.2.4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MK = M 1 + M3 + M4 + M5住 9 M2 + M)=822.80 + 43.70 -124.74 -1054.92 + 0.9 x (690.00 + 406.78)=673.94 kN -m2) 水平荷载标准值Fk = 18.92 kN3) 竖向荷载标准值塔机自重：Fk= 401.00 kN基础自重：Gk = 812.81 kN起重荷载：%K= 60.00 kNF = Fk+ Gk + Fk = 401.00 + 812.81 + 60.00 = 1273.81 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M' = M + M + M + MK = 8 2 2. 8-0 124.74 +5 4. 9 2 1 6 1 7. 88=126 1. 02kN m无起重荷载，小车收拢于塔身边，故没有力矩M2、M3。2) 水平荷载标准值F' = 75.25 kNVK3) 竖向荷载标准值塔机自重和基础自重：FK = F+ Gk = 401.00 + 812.81 = 1213.81 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fa= fak +n 彳(b-3) +n J (d -0. 5)=150 + 0.3 x19.0 x (5.1 - 3) +1.6 x19.0 x (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。亶回（a）（b）图4双向偏心荷载作用下矩形基础的基底压力8）偏心荷载在核心区内 3）偏心荷载在核心区外p = ±Gk 一虬工 k mmbl W W=34.33 kN/m2<0401.°0+812.81 _ 2 x 1261.02 x 0.715.1x5.15.13/6应按偏心荷载合力作用点在核心区外的公式计算。、。M； + %h = 1261.02 + 75.25 x1.25 = 1 偏心 距= F 1 + *K2 401.00 + 812.81 = . mb'= l = 51 1.12 x 0.71 = 1.76m2bT = 1.76 x1.76 = 3.10m2 牝 0.125bl = 3.25m2相差5%以内，符合要求。Pk maxFk+Gk =甘81* = 130.62 kN/m2<1.2 f3b l3 x1.76 x 1.76a符合要求。5、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 :p =y（乙皿+九一p ）2kG(11)基底均布线荷载设计值q =y ( Pkmax+ Pk1 - p ) X b2Gk(12)图5板式基础地基压力示意上式中综合荷载系数r取1.35，Pgk为基础自重产生的基底压力标准值。 单向偏心荷载作用下倾覆力矩标准值：M：= M1 + M 4 + M 5 + "=822.80-124.74-1054.92+1617.88/1.2=991.37kN - mF = 75.25,T.2 = 62.71kNvk偏心距：e = Mk +或I, F + G_2（F + G ）991.37 + 62.71 x 1.255.1=0.87m > =0.85m。421.00 + 812.8162 x(421.00 + 812.81)P=kj =1= 96.00 kN m2k max31a3 X 5.1 X(5.1 2 - 0.87 )(3 x 1.68 -1.75 )x 96P = 62.67 kNm 2k13 x 1.68基底净反力基本组合的设计线荷载值：(P + P )k maxk1 P"2 gk )基础在塔身柱边截面的弯矩设计值：M = q -12 =上 x 331.07 x 1.752 = 506.95kN - m x 212另一方向弯矩设计值：M = M = 506.95kN - m5.2计算方形基础配筋x b = 1.35 x(96.00 + 62.67812.81 )5.1x 5.1/x 5.1 = 331.07 kNm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上20180，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-L 14180，竖向连接筋为由10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，应取荷载效应最 大的方向作用，即沿塔身截面（亦即方形基础）对角线方向作用，此时不但荷载效应最大， 基础底面的抵抗矩W也最小。天然地基承载的地基基础设计除满足地基承载力要求外，还应 满足双向偏心荷载作用下控制偏心距的要求，满足规定的偏心距要求是双向偏心荷载作用下 地基承载力计算公式的前提条件。基础配筋计算应采用荷载的基本组合值，但不计入基础自 重，为方便设计计算和施工，可将风荷载沿方形基础的X、y轴线分别作用，计算基础的配 筋。当场地条件允许时，宜优先选用十字形基础，以节约基础材料。附图：QTZ60塔机基础