中宇头施工企业塔吊基础设计实例三.docx
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中宇头施工企业塔吊基础设计实例三
塔吊基础设计实例
(一)、整体块式钢筋混凝土基础稳定和强度的计算依据
固定式塔吊的砼基础设计应同时满足抗倾翻稳定性和强度要求。
与基础抗倾翻稳定性有关的规范及相关规定见下表:
《塔吊设计规范》
(GB/T13752-92)
《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)
上海市《地基基础设计规范》DGJ08-11-1999
地基承载力
地基土许用压应力[PB]
地基承载力特征值fa
地基承载力设计值fd
基础抗倾翻稳定性
e=(M+Fh.h)/(Fv+Fg)≤b/3
PB=2γ0(Fv+Fg)/3ba
≤[PB]
Pk=γ0(Fk+Gk)/A≤fa
Pkmax=2γ0((Fk+Gk)/3ba≤1.2fa
Pd=γ0(Fd+Gd)/A≤fd
Pdmax=2γ0((Fd+Gd)/3ba≤1.2fd
说明
计算时采用荷载标准值
计算时采用荷载标准值,无最大偏心距限制条件。
计算时采用荷载设计值,无最大偏心距限制条件。
注:
1、从塔吊偏心压应力计算公式可知,偏心距大于b/6;
2、[PB]、fa属地基容许承载力,地基承载力设计值约等于地基容许承载力乘1.25;
3、偏心距为b/3时,基础受压宽度为b/2,也就是基础只有一半面积受压,因此宜按b/2计算地基承载力设计值;
4、塔吊基础属临时设施,按规范结构重要性系数γ0取0.9。
在上海地区的工程,应按上海市《地基基础设计规范》DGJ08-11-1999进行基础抗倾翻稳定性验算。
下面详细介绍主要计算内容:
1.采用土的抗剪强度指标计算地基承载力
按地质勘察报告上提供持力层的土的粘聚力标准值ck和土的内摩擦角标准值φk,计算地基承载力设计值fd:
φd=0.7φk/1.3cd=0.7ck/2.0
fdh=0.5Nγζγγb+Nqζqγ0d+Ncζccd
fd=γdfdh
γd、Nγ、Nq、Nc均按查表φd查表
ζγ=0.6ζq=1.0+sinφdζc=1.2
2.基础抗倾翻稳定性验算
按《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)的规定,该荷载设计值可取为荷载标准值乘1.35。
地基土反力的偏心距e应满足下列条件:
e=(Md+Fhd×h)/((Fdv+Gd)≤b/3
地基土应力按下公式验算:
Pdmax=2γ0(Fdv+Gd)/3ba≤1.2fd
式中:
e—偏心距(m),为总的倾翻力矩(ΣM)除以作用在基础上的总垂直力(ΣN)之商,也等于地基土反力的合力到基础中心距离;
Md—塔吊作用在基础顶面上的弯矩(KN•m)
Fvd—塔吊作用在基础顶面上的垂直力(KN)
Fhd—塔吊作用在基础上顶面的水平力(KN)
Gd—砼基础的重力(KN)
b—基础底板长度和宽度(m)
h—塔吊基础的高度(m)
从图可知,塔基总的垂直作用力ΣN=Fdv+Gd;而ΣN又等于地基土的总反力,即ΣN=3(b/2-e)×b×Pdmax/2,移项后即得公式
(2),该公式成立的前提条件是公式
(1),即要求e≤b/3,也即合ΣN离基础边的距离应大于或等于(b/2-e)=b/2-b/3=b/6;地基土反力三角形图的底边AB长不得小于AB=3×(b/2-e)=3×b/6=b/2,所以公式
(1)基础抗倾翻稳定的条件是地基土反力三角形图顶点A的极限位置是基础中心点O。
3.基础底板的受弯、受剪、受冲切强度计算
按《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)计算。
(1).受弯计算
基础位于塔身钢构柱边的截面弯矩、剪力最大,为计算截面。
MⅠ=a12(2b+a’)(pdmax+pj)/12
底板受力钢筋可近似按下式计算:
AsⅠ=MⅠ/(0.9fyh0Ⅰ)
(2).受剪计算
VⅠ=a1l(pdmax+pj)/2(计算地基土压应力时扣除基础自重及其上的土重)
VⅠ≤0.7βhsftbh0βhs=(800/h0)1/4
(3).受冲切计算
钢构柱的冲切荷载为Fl=PsA
Fl≤0.7βhpftbmh0
∵bm=(bt+bb)/2bb=bt+2h0Ⅰ∴bm=bt+h0Ⅰ
h0Ⅰ——截面有效高度,取两个配筋方向的截面有效高度的平均值;
Ps——基础底面地基反力设计值(可扣除基础自重及其上的土重),当基础偏心受力时,可取用最大的地基反力设计值;
(二)、桩承台基础稳定和强度的计算依据
塔吊桩承台基础的稳定性的计算依据是上海市标准《地基基础设计规范》(DGJ08-11-1999),桩承台强度的计算依据是《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)和《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)。
计算时全部采用荷载设计值,即按《建筑地基基础设计规范》的规定,取荷载设计值为荷载标准值乘1.35。
1.桩竖向承载力设计值
单桩竖向受压承载力:
Rd=Rsk/γs+Rpk/γp=Up∑fsili/γs+fpAp/γp
单桩抗拔承载力:
R’d=Up∑λifsili/γs+Gp
Up、Ap分别为桩身截面周长和桩端横截面面积;
fsi——桩侧第i层土的极限摩阻力标准值;
fp——桩端处土的极限端阻力标准值;
li——第i层土的厚度;
λi——桩周第i层土的抗拔承载力系数;
Gp——单桩自重设计值,自重分项系数取1.0,地下水位以下应扣除浮力,浮力分项系数取1.2。
γs、γp为承载力分项系数。
2.抗倾翻稳定性验算
Nd=γ0(Fdv+Gd)/n≤Rd
偏心受压时除满足上述条件外,还应满足:
受压一侧:
Ndmax≤1.2Rd
受拉一侧:
Nl≤R’d
Ndi=γ0(Fdv+Gd)/n±γ0(Md+Fhd×h)xi/∑xi2
n——桩的数量;
Ndi——偏心竖向力作用下第i根桩的竖向力设计值;
xi——第i根桩至y轴的距离;
3.桩承台的受弯、受剪、受冲切强度计算
(1).受弯计算
计算截面取塔身钢构柱边的截面:
My=∑Ndixi
AsⅠ=MⅠ/(0.9fyh0Ⅰ)
(2).受冲切计算
塔身钢构柱对承台的冲切
Fl=γ0Fdv(扣除承台及其上土重,作用在冲切破坏锥体上的荷载设计值,锥体与承台底的夹角不小于45º)
Fl≤4βo(bc+ao)βhpfth0
βhp——受冲切承载力截面高度影响系数;
βo=0.84/(λo+0.2)λo=ao/h00.2≤λo≤1;
角桩对承台的冲切
Nl≤β1(2c+a1)βhpfth0Ⅰ
β1=0.56/(λ1+0.2)λ1=a1/h00.2≤λ1≤1;
Nl——扣除承台及其上土重后的角桩顶竖向力设计值;
c——从角桩内边缘至承台外边缘的距离;
(3).受剪计算
V≤βhsβftb0h0
β=1.75/(λ+1.0)βhs=(800/h0)1/4λ=a/h00.3≤λ≤3;
a——柱边或承台变阶处至x、y方向计算一排桩的桩边的水平距离。
(三)、整体块式钢筋混凝土基础的设计实例
据某塔吊制造厂所提供的固定式QTZ80F塔吊在未采用附着装置前,基础受力为最大,有关数据见下表:
工况
塔机垂直力Fv(KN)
水平力Fh(KN)
倾翻力矩M(KNm)
扭矩Mk(KN)
工作状态
717.47
51.14
1493.89
212.5
非工作状态
496.43
98.63
2100.52
0
基础尺寸为6000mm×6000mm×1350mm,基础埋深d=1.0m,地下水位在自然地面下0.5m,基础底面土层φk=15.00,ck=21.0kpa,γ=18.1kN/m3,基础底面以上土层的平均γ0=13kN/m3(已扣除水的浮力)。
1.用土的抗剪强度指标计算地基承载力
φd=0.7φk/1.3=0.7×15.0/1.3=8.0770
cd=0.7ck/2.0=0.7×21.0/2.0=7.35kpa
按φd查规范表4.2.3-1和表4.2.3-2得:
γd=1.198,Nγ=0.226,
Nq=2.5,Nc=7.560,ζq=1.0+sinφd=1.140
fdh=0.5Nγζγγb+Nqζqγ0d+Ncζccd
=0.5×0.226×0.6×18.1×3.0+2.5×1.140×13×1.0+7.560×1.2×7.35
=3.68+37.05+66.68
=107.41kN/m2
fd=γdfdh=1.198×107.41=128.68kN/m2
2.基础抗倾翻稳定性验算
基础重量
Gd=1.2×6.0×6.0×1.35×25-1.0×10×6.0×6.0×0.5=1278.0KN
(1).核算工作状态
e=(Md+Fhd×h)/((Fdv+Gd)
=(1493.89×1.35+51.14×1.35×1.35)/(717.47×1.35+1278.0)
=2109.95/2246.58=0.939m<6.0/3=2.0m符合要求。
Pdmax=2γ0(Fdv+Gd)/3ba
=2×0.9×(717.47×1.35+1278.0)/[3×6.0×(6.0/2-0.939)]
=109.01KN/m2<1.2fd=1.2×128.68=154.42KN/m2安全。
(2).核算非工作状态
e=(Md+Fhd×h)/((Fdv+Gd)
=(2100.52×1.35+98.63×1.35×1.35)/(496.43×1.35+1278.0)
=3015.46/1948.18=1.548m<6.0/3=2.0m符合要求。
Pdmax=2γ0(Fdv+Gd)/3ba≤1.2fd
Pdmax=2×0.9×(496.43×1.35+1278.0)/[3×6.0×(6.0/2-1.548)]
=134.17kN/m2<1.2fd=1.2×128.68=154.42kN/m2安全。
3.基础底板的受弯、受剪、受冲切强度计算
砼采用C30ft=1.43N/mm2钢筋采用Ⅱ级钢fy=300N/mm2
(1).受弯计算
pj=pdmax×2.206/4.356=67.95kN/m2
MⅠ=a12(2l+a’)(pdmax+pj)/12
=2.152×(2×6.0+1.70)×(134.17+67.95)/12
=1066.66kN-m
AsⅠ=MⅠ/(0.9fyh0Ⅰ)
=1066.66×106/[0.9(1350—50)×300]
=3038.9mm2
按构造配筋要求选取φ25@200双层、双向配置。
As=31×490.9=15217.9mm2>3038.9mm2
(2).受剪计算
计算地基土压应力时宜扣除基础自重及其上的土重,在此为计算简便和安全,暂不扣除。
VⅠ=a1l(pdmax+pj)/2=2.15×6.0×(134.17+67.95)/2
=1303.67kN-m
βhs=(800/h0)1/4=(800/1300)1/4=0.886
0.7βhsftbh0=0.7×0.886×1.43×6000×1300=6917.71kN>VⅠ
满足要求。
(3).冲切计算
钢构柱的冲切荷载为Fl=PsAl=(Pdmax—Gd/A)Al
Fl=[134.17-1278.0/(6.0×6.0)]×(6.0+4.3)×0.85/2
=431.93kN
bm=bt+h0Ⅰ=1.7+1.3=3.0m;
βhp=1.0-0.1(1.35-0.8)/(2.0-0.8)=0.954
0.7βhpftbmh0=0.7×0.954×1.43×3000×1300
=3724kN>Fl满足要求。
(四)、桩承台基础计算实例
以上述QTZ80F塔机为例,在相同塔机荷载作用下,设计预制砼方桩300×300,长24m,桩承台尺寸为4000mm×4000mm×1200mm,桩承台埋深d=1.0m,地下水位在自然地面下0.5m。
其工程地质条件见下表:
地层名称
土层厚度(m)
预制桩标准值
灌注桩标准值
桩周土极限摩阻力fs(Kpa)
桩端土极限端阻力fp(Kpa)
桩周土极限摩阻力fs(Kpa)
桩端土极限端阻力fp(Kpa)
表土
1.6
不计
不计
砂质粉土夹粉粘土
1.4
15
15
砂质粉土
6.6
<6m15
6-10m40
<6m15
6-10m30
淤泥粘土
5.4
25
20
粉质粘土夹粉粘土
2.5
40
30
砂质粉土夹粉粘土
5.9
55
45
粉质粘土
4.6
80
2000
65
750
砂质粉土
3
90
5000
70
1500
粉砂
10
100
7000
80
2500
桩承台重量
Gd=1.2*4.0*4.0*1.2*25—1*10*4.0*4.0*0.5=496.0KN
1.单桩竖向承载力设计值
Rd=Rsk/γs+Rpk/γp=Up∑fsili/γs+fpAp/γp
Rsk=Up∑fsili
=1.2*(1.4*15+3.0*15+3.6*40+5.4*25+2.5*40+5.9*55+1.6*80)
=1077kN
Rpk=fpAp=2000*0.3*0.3=180kN
ρp=Rpk/(Rpk+Rsk)=180/(1077+180)=0.1432
查表得:
γs=1.7432γp=1.076
Rd=Rsk/γs+Rpk/γp=1077/1.7432+180/1.076=785.1kN
2.单桩抗拔承载力
R’d=Up∑λifsili/γs+Gp
Gp=1.0*25.0*0.3*0.3*24.0-1.2*10.0*0.3*0.3*24.0
=28.08kN-m
R’d=0.6*1077.0/1.6+28.08=431.96kN
3.倾翻稳定性验算
(1).核算工作状态
Nd=γ0(Fdv+Gd)/n=0.9*(717.47*1.35+496.0)/4
=329.53KNNdi=γ0(Fdv+Gd)/n±γ0(Md+Fhd*h)xi/∑xi2
=329.53±0.9*(1493.89*1.35+51.14*1.35*1.2)/(4*1.70)
=329.53±277.89
由上可见,桩全部受压。
Ndmax=607.42kN≤1.2Rd=1046.76kN满足要求。
(2).核算非工作状态
Nd=γ0(Fdv+Gd)/n=0.9*(496.43*1.35+496.0)/4
=262.39KNNdi=γ0(Fdv+Gd)/n±γ0(Md+Fhd*h)xi/∑xi2
=262.39±0.9*(2100.52*1.35+98.63*1.35*1.2)/(4*1.70)
=262.39±396.46
受压桩Ndmax=658.85KN≤1.2Rd=1046.76KN满足要求。
抗拔桩Nl=107.07KN≤R’d=431.96KN满足要求。
4.桩承台的受弯、受剪、受冲切强度计算
砼采用C30ft=1.43N/mm2钢筋采用Ⅱ级钢fy=300N/mm2
(1).受弯计算
计算截面取塔身钢构柱边的截面:
My=∑Ndixi=2×658.85×0.85=1120.04KN-m
AsⅠ=MⅠ/(0.9fyh0Ⅰ)
=1120.04×106/[0.9(1200—60)×300]=3638.86mm2
ρjmin=45ft/fy=0.2145>0.2
Asmmin=0.2145%×4000×1200=10296mm2>3638.86mm2
故按构造配筋。
φ25@200双层、双向配置。
As=21×490.9=10308.9mm2>10296mm2
(2).受冲切计算
βhp=1.0-0.1×(1.2-0.8)/(2.0-0.8)=0.967
A.塔身钢构柱对承台的冲切
λo=ao/h0=0.7/1.140=0.6140.2≤λo≤1;
βo=0.84/(λo+0.2)=1.0319
4βo(bc+ao)βhpfth0
=4*1.0319*(1700+700)*0.967*1.43*1140
=15616.2KN
Fl=Fdv=0.9×717.47×1.35=871.73KN(扣除承台及其上土重,作用在冲切破坏锥体上的荷载设计值,锥体与承台底的夹角不小于45o)
满足要求。
B.角桩对承台的冲切
λ1=a1/h0=0.7/1.140=0.6140.2≤λ1≤1;
β1=0.56/(λ1+0.2)=0.688
β1(2c+a1)βhpfth0=0.688*(2*450+700)*0.967*1.43*1140
=1735.3KN≥Ndmax=658.85KN
满足要求。
(3).受剪计算
λ=a/h0=0.7/1.140=0.6140.3≤λ≤3;
β=1.75/(λ+1.0)=1.084βhs=(800/h0)1/4=0.915
βhsβftb0h0=0.915*1.084*1.43*4000*1140
=6467.7KN>2*658.85=1317.7KN
满足要求。