塔吊钢管桩基础的应用

塔吊钢管桩基础在软土地基的应用

摘要与普通的钢筋混凝土塔吊基础相比，钢平台结构基础具有适用性强、荷载明确、计算简单、安装拆除方便、材料可周转使用等特点。

关键词软弱地基；塔吊钢平台；钢管桩基础

塔吊使用说明书中提供的基础设计一般都是钢筋混凝土基础。由于抗拔和抗压全部由普通的钢筋混凝土基础承担，所以塔吊钢筋混凝土基础具有平面尺寸大、体积较大、重量大的特点。在软弱地层修筑塔吊基础，这些特点就成了明显的缺点。桩基加钢平台结构基础，克服了软弱地层承载力不足的限制，地质适用性强，具有明显的优越性，随着建设领域的快速发展，塔吊钢平台基础的应用也越来越广泛。

1 工程概况

乐清湾港区铁路永乐河特大桥工程，第18、19、20三跨设计采用32m+48m+32m 单线连续梁跨,挂篮法现浇施工.施工方案在17号墩和18号墩处安装塔吊进行物料运输。该工程位于海边滩涂地带，地表为不足1m厚的粉质粘土，往下为13m厚的淤泥，灰绿-灰褐色，呈流塑状态；再下层为细圆砾土，中密、饱和。淤泥极限承载力0.04MPa, 低于按说明书上的要求值0.17MP，不适合直接套用说明书上的钢筋混凝土承台基础。

2 塔吊选型

塔吊钢平台和桩基所承受的竖向荷载主要是塔吊的自重和工作状态下的弯矩，所以确定所用塔吊的型号是计算平台桩基所承受荷载的先决条件。

2.1 塔吊型号选定

经查阅塔吊资料对比，长沙中联重工生产的TCT5010-4型塔吊，标准节尺寸为1300mm×1300mm，标准节高2.8m，采用35m长起重臂，幅度2.5最大起重量为4t。在2倍率的情况下，幅度32.5m处可起吊重量为2.0t； 4倍率的情况下，幅度32.5m 处可起吊重量为2.12t，能够满足施工要求。具体参数见图2.1

图2.1 35m臂起重性能特性

2.2 安装高度

塔吊采用螺栓固定式安装，塔吊基础顶面与桥墩承台顶面处于同一标高。根据图纸标高推算，承台顶到箱梁顶高度21.6m，吊钩基本长度2.5m，吊钩下工作空间预留高度3.5m，塔吊正常工作的基本要求高度为：

h = 21.6 m + 3.5 + 2.5 = 27.6 m

采用9节标准节，1个固定节，每节高度为2.8m，塔头高4.8m，安装高度为：

H = 2.8×10 + 4.8 = 32.8m

3 基础设计

塔吊固定节通过高强螺栓与钢平台连接，钢平台与钢管桩焊接，塔吊钢平台与钢管桩作一起承受荷载。塔吊自重及上部荷载通过钢平台传递给下部的钢管桩，依靠钢管桩来提供抗压及抗拔。

3.1 钢平台结构尺寸

塔吊基础采用钢平台加钢管桩基础。根据TCT5010A塔吊说明书给出的预埋螺栓定位尺寸，计算出塔吊固定节支腿中心间距,以便确定桩基的间距。图3.1-2

图3.1 塔吊固定节支腿尺寸

3.2 钢平台结构设计

采用4根φ60cm壁厚12mm锥底闭口钢管桩，材质Q235钢, 允许应力〔σ〕=170MP。桩长18m，桩中心间距1182mm，各钢管桩顶设置800mm×800mm×20mm钢垫板，钢平台采用400×400×13×21H型钢进行焊接成矩形框架，与桩顶钢垫板焊接，桩顶以下600mm设置钢系梁，将桩与桩之间连接一起。焊缝按照《钢结构设计规范》要求确定。具体结构见图3.2

A

图3.2 钢平台结构示意图

3.3 单桩基承受的荷载

桩基承受的重量包括塔吊的自重、起重的重力矩、钢平台和钢管桩自身的重量。

1)塔吊自重

依据塔吊说明书上的各构件重量，得出塔吊重量如下表。

2)钢平台重量

400型H型钢每米重量为 172kg/m

按使用12米计算，12 × 172 = 20.6 KN

3)钢管桩的自重

桩长18m，0.6×3.14×0.012×18×7.8×103kg/m3 =31.7 KN

4)钢垫板重量

0.8×0.8×0.02×7.8 ＝1 KN

5)总重量

359.4+ 20.6 + 31.7×4 +1×4 =510.8 KN 6)单桩承载力

塔吊基础桩宜采用钢管桩，桩顶竖向力设计值由下式确定： N k F k G k

n M

+

+a -√2

其中 N k -- 单桩桩顶竖向力设计值；

F k -- 钢管桩的总竖向力设计值；

G k -- 钢平台和钢管桩的自重； n -- 桩的数量；

M -- 塔吊工作工况弯矩 M = 1170kN.m ； a -- 塔身宽度 a=1.3m ；

N k =510.8÷4±1170÷(1.3×1.414) = 152.9±636.49 单桩顶最大竖向压力N k max = 764.19 kN 单桩顶最大竖向拔力N k min = 508.79 kN

3.4 桩基验算

为保证塔吊作业过程中的安全稳定，基础施工前需要对桩基的稳定性进行验算。桩基采用钢管摩擦桩。主要利用土层对桩的侧阻力承受荷载。桩长采用18m ，淤泥中桩长13m ，细圆砾土中桩长5m 。 3.4.1 承载力验算

偏心竖向力作用下除满足上式外，单桩应满足下式的要求：

Ra --单桩竖向承载力特征值

单桩竖向承载力特征值 Ra 应按下式确定：

R a --单桩竖向承载力特征值 K --安全系数，规范中取 K ＝2

根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值按下式估算：

Q UK = Q SK + Q PK = U ∑q sik l i + λp q pk A p

式中：

U -- 桩的周长

q

sik

-- 桩的极限侧阻力，JGJ94-2008表5.3.5-1中，淤泥取值20，细圆砾土取值160

l

i

-- 桩周土层厚度，淤泥8m，细圆砾土10m

λp -- 桩端土塞效应系数λp = 1，

q

pk -- 极限端阻力标准值表 5.3.5－2 q

pk

取值 10000

A

p

-- 桩端面积，

Q

UK

= 0.6×3.14(13×20+5×160) +1×10000×3.14×(0.32-0.2882)

=2218.6KN

Ra = Q

UK

/2 = 1109.3 KN ＞ N k max = 764.19 kN

经计算承载力满足要求。

3.4.3 抗拔性能验算

按下列公式同时验算群桩基础呈整体破坏和呈非整体破坏时基桩的抗拔承载力：

式中：

N

k

——按荷载效应标准组合计算的基桩拔力；

T

gk

——群桩呈整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值，按规范第 5.4.6 条确定；

T

uk

——群桩呈非整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值，按规范第 5.4.6 条确定；

G

gp

——群桩基础所包围体积的桩土总自重除以总桩数，密度取值1.5；

G

P

——基桩自重；

1)群桩呈非整体破坏时，基桩的抗拔极限承载力标准值按下式计算：

式中：

u i——桩身周长，对于等直径桩u = πd

λ

i

——抗拔系数，按规范表 5.4.6-2 取值0.7

T

uk

= ∑λi q sikＵi l i = 0.7×0.6×3.14(13×20+5×160) = 1397.9 KN

T

uk

/2 + G P = 2321.1÷2 + 31.7 = 1192.2 KN

730.7 KN ＞ 508.79 KN

2)群桩呈整体破坏时，基桩的抗拔极限承载力标准值按下式计算：

式中ｕl——桩群外围周长ｕl = 4 × 1.982

T

gk

=ｕl∑λi q sik l i /4 = 4×1.982×0.7×(13×20+5×160) ÷4 =1470.6 KN