带有初始偏差的组合式塔吊基础钢格构柱安全性能分析.pdf
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1、建筑施工第45卷第10期2101带有初始偏差的组合式塔吊基础钢格构柱安全性能分析韩 君上海建工四建集团有限公司 上海 201103摘要:通过研究施工过程中格构柱垂直度与设计理想位置偏差出现的原因,提出了带有一定垂直度偏差的格构柱的受力安全评价方法。与有限元计算结果对比表明,上述计算方法的结果可靠、计算简便。根据原因分析和计算结果,对施工过程中关键控制指标进行了分析并提出建议。关键词:塔吊;组合式基础;格构柱;有限元计算中图分类号:TU755 文献标志码:A 文章编号:1004-1001(2023)10-2101-05 DOI:10.14144/ki.jzsg.2023.10.045Safety
2、 Performance Analysis of Composite Tower Crane Foundation Steel Lattice Columns with Initial DeviationHAN JunShanghai Construction No.4(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 201103,ChinaAbstract:By studying the reasons for the deviation between the verticality of lattice columns and the designed ideal position du
3、ring the construction process,a stress safety evaluation method for lattice columns with certain verticality deviation is proposed.The comparison with the finite element calculation results shows that the above calculation method is reliable and easy to calculate.Based on the cause analysis and calc
4、ulation results,key control indicators during the construction process are analyzed and some suggestions are proposed.Keywords:tower crane;combined foundation;lattice column;finite element calculation安装完成后的垂直度与设计的垂直度往往有偏差,需要对桩孔垂直度和格构柱垂直度进行控制和监测,以保证塔吊的使用安全。现行JGJ/T 1872019塔式起重机混凝土基础工程技术规程5(以下简称“规范”)8.
5、5.5节中,规定了组合式塔式起重机基础钢立柱的安装垂直度允许偏差为0.5H/100且35 mm。条文说明中同时指出,考虑塔机基础为临时性结构,钢立柱随同灌注桩的钢筋笼安装就位,上述偏差略有放宽。现有规范中仅给出设计状态下格构柱内力计算方法,对具有一定垂直度偏差的格构柱实际受力,尤其是偏差较大的格构柱的受力安全没有涉及。文献8中介绍了采用有限元对具有垂直度偏差的格构柱受力进行评估的方法,并与现场实际监测数据进行对照。结果表明,一定偏差范围内的格构柱,虽与设计状态略有偏移,但仍可以安全工作,与监测数据的对照也显示计算方法可靠。上述计算方法基于有限元软件计算,结果相对准确,但对项目工程人员具有一定的
6、技术门槛,且组合式塔吊基础受力简单、传力路径明确,工作时处于弹性受力状态。因此,本文基于结构力学和结构设计基本概念,提出了带有初始偏差的组合式塔吊基础中格构柱受力性能的简化计算方法。落地式塔式起重机(又称塔吊)质量大、安装位置高,一旦发生事故后果严重。对塔吊事故进行的统计和研究表明,在事故类别中,倒塌事故在塔吊事故中占比最大1-2。唐琳瑶等3、况宇琦等4对塔吊坍塌的事故原因进的分级研究表明,塔吊基础的可靠性与塔吊事故的关联度较高。因此,塔吊基础的安全有效是保证塔吊应用安全的重要前提。常用的塔吊基础有板式基础、十字形基础、桩基础、组合式基础等形式5,其中板式基础、十字形基础、桩基础等在土方开挖至
7、基坑底时与底板一起施工并预埋底座,在地下室结构施工之前投入使用。但实际工程中,有时在土方阶段就需要塔吊投入使用,上述常规基础无法满足要求,一般需要使用组合式基础6-7,其由承台、钢立柱、桩基共同组成,其中钢立柱以格构式钢柱最为常用。在桩基施工阶段同步施工,土方开挖前投入使用,随着土方开挖,格构柱逐渐暴露在基坑中。工程施工中格构柱随桩基钢筋笼一起安装在桩孔内,作者简介:韩 君(1988),女,博士,高级工程师。通信地址:广东省深圳市福田区福保街道福田保税区市花路5号长富金茂大厦1号楼5403(518031)。电子邮箱:收稿日期:2022-11-02科学研究SCIENTIFIC RESEARCH2
8、02310Building Construction21021 问题背景分析1.1 偏差产生原因分析首先通过梳理塔吊基础施工的工序,分析垂直度偏差产生的可能原因,塔吊基础施工的过程如下:桩基(及格构柱)施工承台基础开挖桩(格构柱)顶处理承台基础钢筋绑扎塔吊固定支腿预埋承台混凝土浇筑及养护塔吊安装验收挖土格构柱柱间支撑安装。其中桩基施工时工序为:钻孔灌注桩定位钻进成孔(泥浆护壁)第1次清孔下放钢筋笼及格构柱下导管第2次清孔(要求最终沉渣厚度不大于50 mm)水下浇筑混凝土。格构柱吊装前必须在硬地坪面上做好定位点,用16 mm厚铁板和M16膨胀螺丝固定在地面上,固定架在钢筋笼下沉后固定在预埋的铁板
9、上,并用经纬仪找准格构柱的安装方向,而后用履带吊吊起格构柱居中插入固定架内并迅速地与钢筋笼焊接,如图1所示。焊接完成后,将格构柱及钢筋笼下沉至设计标高,确认格构柱无偏差后,安装导管浇灌混凝土。其中,按照图集22G813钢筋混凝土灌注桩中要求,为保证桩基础保护层厚度,每2 m间距需布置定位钢片,沿周长布置且每个截面不少于3个,可认为钢筋笼与桩孔壁之间的间距可以得到保证。桩钢筋笼为机械化自动加工成形,格构柱为工厂加工成形,仅格构柱与桩钢筋笼连接部分在现场进行焊接。宽8焊缝720角钢与4根桩身主筋间断焊接焊缝长度1 m800图1 格构柱与桩的锚固方式分析上述过程,产生偏差的原因可能有2个,其一为格构
10、柱与钢筋笼现场焊接时未保持同一直线,其二为桩孔垂直度偏差。1)钢筋笼与格构柱现场焊接时,由于现场焊接精度限制,使塔吊格构柱与钢筋笼之间不能保持同一直线,造成两者呈现一定角度,最终引起格构柱垂直度偏差,如图2(b)所示。2)当格构柱偏差超过孔径与钢筋笼之间空间限值时,往往与桩孔本身倾斜有关,由桩孔本身倾斜叠加格构柱与钢筋笼焊接偏差形成,如图2(c)所示。现行建筑地基基础工程施工质量验收标准95.1.4中,规定泥浆护壁钻孔桩垂直度允许偏差1/100。综上所述,桩孔的垂直度偏差和格构柱与钢筋笼之间 桩钢筋笼设计格构柱桩孔桩孔地面地面地面桩底面桩底面桩底面460800460800460800桩钢筋笼偏
11、移后格构柱偏移桩孔偏移后格构柱桩钢筋笼(a)理想状态(b)格构柱倾斜(c)桩孔倾斜格构柱倾斜图2 塔吊格构柱偏差原因分析 连接角度是引起格构柱垂直度偏差的最重要原因。此外,桩孔形状不规则、钢筋笼定位偏差等其他因素也可能会对格构柱垂直度偏差存在一定影响。当然,实际工程中出现的垂直度偏差,可能是多种因素叠加后的体现。1.2 现行规范的局限性规范4.1.1节规定了塔吊在独立状态时,作用于基础的荷载应包括塔机作用于基础顶的竖向荷载(F)、水平荷载(Fv)、倾覆力矩(包括塔机自重、起重荷载、风荷载等引起的力矩)荷载(M)、扭矩荷载(T),以及基础及其上土的自重荷载(G)。规范6.3.2节给出了格构柱偏心
12、竖向力作用下的桩顶作用计算公式,但该公式仅适用于对于4根格构柱呈完全规则的正方形布置的内力计算10。本文研究所面临的实际问题,是4个格构柱呈现不同方向和不同程度的垂直度偏差,如图3所示。4根格构柱在柱底平面呈现不规则四边形,无法采用规范6.3.2节中的公式直接计算,且不规则四边形的形心与原有设计形心出现一定偏差,造成塔身、既有混凝土承台几何形心与格构柱底面形心不能重合,塔吊竖向荷载在格构柱底面平面上产生附加弯矩。注:设计位置 实际位置 实际形心位置图3 格构柱底部平面示意2 组合式塔吊基础格构柱受力计算方法2.1 计算方法概况由上述误差原因可知,格构柱顶在地面控制定位,可韩君:带有初始偏差的组
13、合式塔吊基础钢格构柱安全性能分析建筑施工第45卷第10期2103认为位置较准确。因此,假定格构柱柱顶位置为原设计位置,柱底为偏移后位置,由于格构柱垂直度不规则偏移引起的布置形状改变和形心偏移,使得格构柱底面内力分配发生变化。本文计算方法主要解决柱底平面的形心偏移及形状不规则2个问题,其分析过程如图4所示,其中灰色表示计算过程。柱顶准确柱底偏差柱底平面实际形心与合力作用点偏移格构柱内力重分布移轴原理等效计算作用格构柱内力计算格构柱承载力验算格构柱偏差原因分析图4 计算方法概述图根据移轴原理,原坐标系下的荷载可以等效为作用在实际形心的竖向荷载、水平力、倾覆弯矩和竖向荷载偏心引起的附加弯矩,分别以承
14、台几何形心投影和实际形心建立坐标系(x,y)和(x,y),如图5所示。南北xxy西东xy(10,10)xy(10,10)xy(30,30)xy(30,30)xy(40,40)xy(40,40)xy(20,20)xy(20,20)xyy 图5 坐标系示意格构柱原设计坐标分别为(xi0,yi0),垂直度偏差表示为(xi,yi),考虑垂直度偏差后的柱底实际坐标为(xi,yi),其中:xixi0 xi,yiyi0yi。在进行实际工程的偏移测量时,所用的竖向距离一般为承台顶面与结构底板顶面之间的距离(h1),承载力的计算高度实际为承台中线至桩顶的高度(h2),因此测量所得垂直度偏差需要相应按比例调整。假
15、定工程测量中数据为(xi0,yi0),则有:xixi0h2/h1,yiyi0h2/h1,h1Hhrh/2h,h2Hhr。其中,H为格构柱高度,h为承台高度,hr为格构柱伸入灌注桩的锚固长度,h为底板厚度。柱底截面的实际形心位置为(x0,y0),形心位置可由如下简化计算:x0 xi/n,y0 yi/n。塔吊传递至基础荷载作用在格构柱顶面原形心的竖向荷载为FGGp2,水平荷载为Fv,弯矩为MFv(Hhrh/2),其中,Gp2为格构式钢柱总重,为自重作用分项 系数。考虑附加弯矩后,作用在格构柱底平面实际形心的弯矩如下:Mx(MFvhv)x(FGGp2)y0(1)My(MFvhv)y(FGGp2)x0
16、(2)hvHhrh/2(3)其中,hv为水平力力臂(承台顶面与桩顶平面之间的 距离)。根据桩顶作用计算方法,每一根格构柱和竖向力分别如下计算:()()()()QnFGGyyM yyxxM xx22200piixiiyi00!+-=cRR+-(4)单根格构式钢柱所受轴力为:NiQicos Fisin (5)其中,为格构柱倾斜角。2.2 案例计算以工程常见的中联重科塔式起重机TC7530-16T基础为案例,按上述方法进行计算。典型组合式基础的平面分布和立面布置如图6所示,基础的详细参数如表1所示,格构柱具体偏差值如表2所示。2 8702 1005 000XY2 8705 00033直径800旋挖桩
17、入中/微不小于2.5 m/1.0 m160 mm160 mm16 mmL160140160厚10止水钢板基础底板10.10 m440 mm300 mm12 mm7 60012 0009 2009 00022200 mm200 mm20 mm牛腿L400 mm200 mm12 mm塔吊承台原始地面标高(约0.60 m)下放格构柱前,在每根格构柱顶部对角焊接角钢伸至地面标高用以格构柱定位250300600600600600200600600600600600600600600600600600600600600600350350150200(a)塔吊基础布置(b)塔吊格构柱立面图6 塔吊基础布置以
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