塔吊承台桩基础的常规设计与计算.doc

塔吊承台桩基础的常规设计与计算
○ 王国平 （中铁建工集团承包总公司）
日前，在深圳市关外地区的房地产开正发热火朝天。其中众多的建筑地基是采用的是土方回填后的素填土，由于土体没有固结，承载力无法确定或勘察院不提供承载力，在塔吊施工时采用一般承台基础无法保证塔吊的使用安全。为了使塔吊能够正常安全的使用，在塔吊基础设计时必须采用承台桩基础。由于塔吊基础的设计一直没有统一规定的计算方式，施工一般只是直接套用厂家的基础设计图，对于具体的设计计算缺乏具体概念，桩基础的设计计算更是加没有可以借鉴、参照之处。本人参阅了大量的建筑技术规范后对塔吊桩基础设计做了一个技术总结，希望能给大家在塔吊桩基础设计时带来较大的方便，同时对塔吊设计的原理作较完整的理解，可以对塔吊厂家设计说明的基础进行适当的修改，以达到在节约施工成本为目的的同时充分保证塔吊架体的稳定安全。下面按一般FO/23B型塔吊，无附墙的最大自由高度作为设计模型进行设计示例。

1、首先确定设计参数
塔吊型号:FO/23B,最大4绳起重荷载10t；
塔吊无附墙起重最大高度H=59.8m,塔身宽度B=2.0m；
承台基础混凝土强度:C35, 厚度Hc=1.35m，承台长度Lc或宽度Bc=6.25m；
承台钢筋级别:Ⅱ级,箍筋间距S=200mm,保护层厚度:50mm；
承台桩假设选用4根φ400×95（PHC-A）预应力管桩，已知每1根桩的承载力特征值为1700KN；
参考塔吊说明书可知：
塔吊处于工作状态（ES）时：
最大弯矩Mmax=2344.81KN·m 最大压力Pmax=749.9KN
塔吊处于非工作状态（HS）时：
最大弯矩Mmax=4646.86KN·m 最大压力Pmax=694.9KN
2、对塔吊基础抗倾覆弯矩的验算
取塔吊最大倾覆力矩，在工作状态（HS）时：Mmax=4646.86KN·m，计算简图如下：

2.1 x、y向，受力简图如下：

以塔吊中心O点为基点计算：
M1=M=4646.86KN·m
M2=2.125·RB
M2=M1 2.125·RB=4646.86
RB=2097.9KN＜2×1800=3600KN（满足要求）

2.2 z向，受力简图如下：

以塔吊中心O点为基点计算：
M1=M=4646.86KN·m
M2=3·RB
M2=M1 3·RB=4646.86
RB=1548.95KN＜1800KN（满足要求）
3、承台桩基础设计
3.1 塔吊基础承台顶面的竖向力与弯矩计算
计算简图如下：

上图中X轴的方向是随机变化的，设计计算时应按照倾覆力矩M最不利方向进行验算。
3.1.1 桩顶竖向力的计算(依据《建筑桩技术规范》JGJ94-94的第5.1.1条)

其中 n——单桩个数，n=4；
F——作用于桩基承台顶面的竖向力设计值，等同于前面塔吊说明书中的P；
G——桩基承台的自重；G=25.1×Bc×Bc×Hc=25.1×6.252×1.35=1323.63KN
Mx,My——承台底面的弯矩设计值(KN•m)；
xi,yi——单桩相对承台中心轴的X、Y方向距离(m)；
Ni——单桩桩顶竖向力设计值(KN)。
经计算可得到单桩桩顶竖向力设计值:
最大压力：
N=(749.9+1323.63)/4+4646.86×(4.00 / 1.414)/[2×(4.00/1.414)2]=1339.7KN
现场实际施工中，承台桩选用4根φ400×95（PHC-A）预应力管桩，单根桩的承载力特征值为1700KN（＞1339.7KN）；
3.1.2 矩形承台弯矩的计算(依据《建筑桩技术规范》JGJ94-94的第5.6.1条)

其中 MX1,My1——计算截面处X、Y方向的弯矩设计值(KN•m)；
xi,yi——单桩相对承台中心轴的X、Y方向距离(m)；
Ni1——扣除承台自重的单桩桩顶竖向力设计值(KN)，Ni1=Ni-G/n。
经过计算得到弯矩设计值：
Mx1=My1=2×(1339.7-1323.63/4)×(4.00/1.414)=5707.45KN·m
3.2 求矩形承台截面受力主筋
由于塔吊说明书均为国外版本国内直接套用，基础所配钢筋为“高强度钢筋”，施工中对“高强度”无法定性，因此在设计时针对现场实际情况进行计算取值。
依据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)第7.5条受弯构件承载力计算。

其中 M—— 计算截面处的弯矩设计值(KN•m)；
K——安全系数，取1.4；
h0——承台计算截面处的计算高度,h0=1300mm；
fy——钢筋受拉强度设计值，fy=300N/mm2。
X向，弯矩设计值Mx1=5707.45KN•m
配筋面积 Asx=1.4×5707.45×106/(0.9×1300×300)=22764.8mm2
选择31Φ32（@200,实供A=24930.2mm2）
Y向，弯矩设计值My1=5707.45KN•m
配筋面积 Asx=1.4×5707.45×106/(0.9×1300×300)=22764.8mm2
选择31Φ32（@200,实供A=24930.2mm2）
3.3 矩形承台截面抗剪切的验算
依据《建筑桩技术规范》(JGJ94-94)的第5.6.8条和第5.6.11条。
根据前面计算方案可以得到X、Y方向桩对矩形承台的最大剪切力,考虑对称性，
记为V=1339.7KN
考虑承台配置箍筋的情况，斜截面受剪承载力应满足下面公式：

其中 γ0——建筑桩基重要性系数，取1.0；
β——剪切系数,β=0.05；
fc——混凝土轴心抗压强度设计值，fc=16.70N/mm2；
b0——承台计算截面处的计算宽度，b0=6250mm；
h0——承台计算截面处的计算高度，h0=1300mm；
fy——钢筋受拉强度设计值，fy=300.00N/mm2；
S——箍筋的间距，S=200mm。
实际计算：βfcb0h0＋1.25fyAsv h0/（s）=（0.05×16.7×6250×1300＋1.25×300×24930.2×1300/200）×10-3=67551KN＞＞γ0V=1.0×1339.7=1339.7KN
经过计算承台完全可以满足抗剪要求。
4、工程应用
在深圳市宝安区“日出·印象花园”项目中，塔吊基础底地基土为素填土，土体未固结，由于勘察设计单位无法提供地基承载力（承载力为零），施工中塔吊基础承台桩采用4根φ400×95（PHC-A）预应力管桩，设计院提供桩承载力特征值为1700KN。工程中选用了型号为FO/23B（塔身截面2×2m），起重臂长50m，臂端最大吊重为2.3t，4绳时最大起重量为10t，自由（最大）高度59.8m。工程施工全过程安全无事故。

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