郭志亞 葉曉平 廣東建星建造集團有限公司技術(shù)質(zhì)量中心，珠海 519000

現(xiàn)有的塔機多采用現(xiàn)澆式鋼筋混凝土基礎(chǔ)，主要形式有十字交叉梁式、十字交叉與正方形組合式、正方形板塊式和四角墩式等。該基礎(chǔ)形式體積尺寸較大，混凝土用量和配筋均很可觀，且無重復利用價值，并且由于對原有結(jié)構(gòu)的影響，一般需要在工程結(jié)束后鑿除這些基礎(chǔ)，造成費工費時及各種環(huán)境污染。

譚英輝為方便施工設(shè)計了一種考慮施工偏差且整體抗傾覆穩(wěn)定性和構(gòu)件自身抗扭性較好的變截面箱型裝配式鋼結(jié)構(gòu)塔吊基礎(chǔ)；利用MIDAS?Civil軟件對鋼結(jié)構(gòu)塔吊基礎(chǔ)進行了整體分析計算，并按照相關(guān)規(guī)范規(guī)定對鋼結(jié)構(gòu)塔吊基礎(chǔ)的節(jié)點、焊縫強度等進行了計算驗證，計算結(jié)果均能夠滿足相關(guān)規(guī)范要求。本文提出了一種鋼梁和鋼管樁搭配的新型鋼結(jié)構(gòu)塔機基礎(chǔ)，按照規(guī)范計算荷載設(shè)計值，利用Midas?Gen鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計功能對鋼梁進行了設(shè)計，同時采用ABAQUS/CAE有限元建模進行了鋼連接節(jié)點的設(shè)計和驗算，本設(shè)計塔機基礎(chǔ)不需要澆筑混凝土，現(xiàn)場安裝工期短，施工方便。

1 鋼結(jié)構(gòu)塔機基礎(chǔ)設(shè)計

十字鋼梁-鋼管樁基礎(chǔ)通過十字交叉鋼梁和鋼管樁組合拼接而成，鋼梁和鋼管樁連接處采用錨栓連接和鋼板焊接。十字形基礎(chǔ)與塔式起重機之間采用高強螺栓摩擦型連接，從而形成全鋼結(jié)構(gòu)塔機基礎(chǔ)并與塔機共同工作，可用于各種型號塔機的基礎(chǔ)。

2 設(shè)計案例

2.1 設(shè)計資料

型號TC6513-6塔式起重機，臂長60m，最大吊重為6噸，最大吊高46m，距塔身中心距離為20.53m，塔身為型鋼桁架，塔身桁架結(jié)構(gòu)寬度為1.8m×1.8m，無加強節(jié)，結(jié)構(gòu)充實率為0.35。塔機工作地點為珠海市，地面粗糙度為A類。基礎(chǔ)設(shè)計的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0。

參照規(guī)范，本塔機獨立狀態(tài)下的計算高度取下式計算所得數(shù)值：

2.2 基礎(chǔ)荷載設(shè)計值計算

塔機基礎(chǔ)的設(shè)計應按獨立狀態(tài)下的工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)的荷載分別計算。塔機基礎(chǔ)工作狀態(tài)的荷載應包括塔機和基礎(chǔ)自重（永久荷載）及覆土荷載、起重荷載（可變荷載）、風荷載（可變荷載），并應計入可變荷載的組合系數(shù)。其中起重荷載可不計入動力系數(shù)；非工作狀態(tài)下的荷載應包括塔機和基礎(chǔ)的自重及覆土荷載、風荷載。本塔機設(shè)計無覆土荷載。

2.3 基礎(chǔ)形式

TC6513-6型塔式起重機基礎(chǔ)由十字鋼梁和四根鋼管樁構(gòu)成。鋼梁采用H700×700×40×50型鋼（每根鋼梁由三塊鋼板焊接而成），交叉角為90°。鋼管樁采用4根φ800×14mm螺旋鋼管（Q345），4根呈正方形布置，鋼管樁實際長度應根據(jù)具體工程地質(zhì)條件確定。相鄰樁中心距為4米。鋼管樁頂焊900×900×40mm的方形鋼板。基礎(chǔ)平面布置簡圖見圖1。

圖1 塔機基礎(chǔ)平面布置簡圖

2.4 加載工況

塔機彎矩和剪力沿對角線方向，扭矩等效為作用在支座a、b、c、d上的剪力，方向為與作用點到塔機中心的連線垂直，以下分別計算在工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)下的塔基底支座a、b、c、d的反力。

2.4.1 工作狀態(tài)

圖2 （a） 工作-塔機傾覆力矩和彎矩引起的鋼梁荷載示意圖（豎直平面）

圖2 （b） 工作-塔機風荷載 和扭矩引起的鋼梁荷載 示意圖（水平面）

2.4.2 非工作狀態(tài)

圖3 （a） 非工-塔機傾覆力矩和彎矩引起的鋼梁荷載示意圖（豎直平面）

圖3 （b） 非工-塔機基底風 荷載引起的鋼梁荷載 示意圖（水平面）

2.5 十字鋼梁驗算與支座反力

水平力和扭矩不可忽略，鋼梁受力較復雜，使用Midas?Gen輔助設(shè)計，分別計算了把鋼梁與樁基礎(chǔ)連接視為不動鉸支座和固定支座兩種不同約束條件下，十字鋼梁自重（組合時分項系數(shù)取1.3）和工作、非工作兩種工況組合時十字鋼梁的內(nèi)力、應力、變形和支座反力。同時，使用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計功能對鋼梁進行驗算，均滿足規(guī)范要求。

2.5.1 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計以及驗算有關(guān)參數(shù)說明

1）十字鋼梁采用2組H700×700×40×50型鋼（焊接），交叉角為90°。

2）結(jié)構(gòu)安全等級為二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0取1.0。

3）鋼材使用Q235。

4）鋼梁驗算流程：按純彎和拉/壓彎驗算結(jié)果取包絡(luò)。

5）梁的撓度允許值取L/1000。

6）梁整體穩(wěn)定的等效彎矩系數(shù)查鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：βb=1.75。

2.5.2 鋼梁變形以及塔機傾角

圖4 鋼梁變形圖

鋼梁在荷載作用下發(fā)生變形，豎直方向上變形最大，水平面的變形很小，可以忽略不計。鋼梁上塔機的支撐點（a、b、c、d）處的豎直方向上變形最大。為了保證塔機能夠平穩(wěn)地工作，不發(fā)生過大的傾斜和側(cè)移，塔機的豎向變形不能太大，本設(shè)計控制在1/1000以內(nèi)。

鋼梁在不動鉸和固定兩種支座形式下的鋼梁最大變形以及塔機與水平面的傾角α的正切值tanα見下表。

鋼梁變形與塔機傾角

2.5.3 鋼梁加固

鋼梁制作過程中存在的缺陷和實際荷載可能存在微小偏心，為防止鋼梁發(fā)生局部失穩(wěn)，鋼梁適當采用加勁板加固，在a、b、c、d處采用橫向和縱向加勁板加固，同時鋼梁全長采用橫向加勁板加固。

2.5.4 支座反力

塔機在工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)中，當塔機起重臂方向轉(zhuǎn)至標準節(jié)對角線方向時，塔機基礎(chǔ)支腳此時承受最大支反力，其中一支腳承受最大向下壓力，另一支腳承受最大向上拉力。十字鋼梁與樁基礎(chǔ)連接視為不動鉸支座和固定支座兩種不同約束條件下的支座反力。

2.6 鋼梁與鋼管樁頂連接設(shè)計與驗算

考慮工程實際，鋼管樁與鋼梁按更不利狀態(tài)設(shè)計，即按固定連接設(shè)計，即視基樁為固定支座來進行連接設(shè)計和驗算。非工作條件下，塔機基礎(chǔ)受力更加不利。

鋼管樁頂焊鋼梁與鋼管樁主要通過4根φ32mm精軋螺紋鋼和4塊“凹”字形加勁板（十字鋼梁兩側(cè)各2塊）和4塊“7”字形加勁板（十字鋼梁前后各2塊）進行連接；“凹”字型加勁板通過焊腳高度為10mm，長度為0.5米的焊縫分別與鋼梁和鋼管連接；“7”字型加勁板通過焊腳高度為10mm，長度為0.5米的焊縫分別與鋼梁和鋼管連接。

2.6.1 連接處加勁板焊縫驗算

連接處焊縫荷載主要為抗拔力（豎向拉力和彎矩引起）。

焊縫最大應力：

焊縫滿足要求，僅考慮加勁板加固基本滿足抗拔力作用下受力要求，精軋螺紋鋼錨栓作為安全儲備設(shè)置。

2.6.2 鋼連接節(jié)點有限元分析

隨著有限元理論不斷完善，有限元法成為最成熟和有效的數(shù)值分析方法。有限元分析是塔機結(jié)構(gòu)分析的重要手段，其計算結(jié)果不僅詳盡，而且更具可靠性。鋼梁和鋼管樁的連接實際上是處于三向復雜應力作用下的，為確保連接在最不利工況下能夠正常工作、受力安全，使用ABAQUS/CAE有限元分析軟件對連接處受力進一步分析。

圖5 ABAQUS連接受力分析結(jié)果（單位：MPa）

在ABAQUS/CAE軟件中，建立鋼連接節(jié)點三維幾何模型，除錨栓外（錨栓作為安全儲備，建模時不考慮），其余部件幾何均為一體，使用Tie命令模擬部件之間的焊縫鏈接。導入Midas的鋼梁內(nèi)力分析結(jié)果，分析計算連接在固定支座非工作條件下連接的應力。其中，受拉支座連接處應力最大，為127.2MPa，出現(xiàn)在鋼管內(nèi)側(cè)上邊緣，連接強度滿足要求。