塔机基础抗倾覆安全稳定性系数的综合应用

塔机基础抗倾覆安全稳定性系数的综合应用 刘长明 唐仲祥 苏 源 (南通海洲建设集团有限公司，南通海安 226600) 〔摘 要〕:建筑用塔式起重机基础设计及承载力技术复核，综合应用基本安全稳定性系数、动 态稳定性系数和风载稳定性系数，简化了计算程序，确保塔式起重机在安装、拆除及工作状态 抗倾翻稳定性。 〔关键词〕:塔式起重机;抗倾翻;载荷系数;地基承载力;技术复核 Comprehensive Application of Stability and Safe Coefficient of Overturning Resistance of Concrete Foundation for the Tower Crane Liu changming Tang zhongxiang Su yuan Nantong Haizhou Construction Group Company Limited, Hai An, Nantong 226600 (Abstract) Simplify the calculation and assure the stability of overturning resistance of the tower crane in installation, operation and dismantlement by applying basic safe stability coefficient, dynamic stability coefficient and wind load coefficient comprehensively for the technology review of the tower crane foundation design and load-bearing capacity (Keyword) Tower Crane, overturning resistance , load coefficient, foundation load-bearing capacity , technology review 一、前言 近年来，国民经济迅猛发展，房地产业方兴未艾，基本建设规模不断扩大，特别是高层建 筑不断增多，塔式起重机的应用非常广泛。从事生产制造、安装与拆卸、管理使用的企业及人 员日渐增多，由于国民经济体制和建筑业体制的改革，作为塔式起重机为危险性较大的特种作 业，其产品质量、安装质量及施工过程中的保养和维护都应满足国家有关规定。 塔机在安装、使用和拆卸过程中经常发生的倒塔事故，其后果都非常严重，其中包括重大 经济损失和社会影响。 塔机基础的设计，为确保塔机在安装、正常工况及风载工况下的安全稳定性，已充分考虑 了足够的安全稳定性系数。但在实际施工中，由于塔机的型号选用、塔机性能、安装高度、水 文地质、环境气候、使用时限等有所不同，必须针对实际情况进行塔机整体性安全稳定性技术 复核，以确保塔机在自重载荷、动载运行、暴风侵袭、实然卸载工况下足够的安全稳定性。 1 二、塔式起重机基础计算技术参数 建筑常用的塔式起重机为自升式塔式起重机，我国高层建筑的迅速发展，给自升式塔式起重机的发展创造了良好的条件。塔式起重机的总体组成部分为金属结构部分、机械传动部分、电器控制部分、安全保护与外部支撑的附加设施，但塔机基础部分是塔机总体稳定性的重要组成部分。 任何塔式起重机的基础设置都必须进行地基承载力技术复核，以保证塔机总体稳定性和基础足够的承载力。了解和掌握塔机基础承载力复核计算技术参数。 1、地基承载力设计值R:塔机说明书要求的地基承载力。 2、地基容许承载力设计值〔R〕:塔机基础持力层承载力特征值。 3、塔机总荷载N:基础承担的塔机(整机)总重量。 4、基础上部土重G:基础及上部土重。 5、塔机基础底面积F:满足塔机地基设计承载力的基础底面积。 6、基础宽度a:综合应用抗倾翻安全稳定性系数设计的基础宽度。 7、最大起重荷载Q:塔机允许最大起重荷载。 8、塔机平衡重N1:塔机配重块总重。 9、塔机 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 节单位长度重N2:塔机标准节每m重量。 三、塔式起重机整体安全稳定性系数 塔式起重机根据不同的型号，其独立高度和实际安装高度不同，高度越大，整机的安装重心高、工作半径大。因此，如何保证塔机整体安全稳定性是一个极其重要的研究课题。主要为塔机金属结构的的生产质量、安装质量和基础承载力，基础承载力重点为基础底面积和基础总重。本文着重研究塔机在工作状态的抗倾覆整体稳定性，在地基承载力复核时综合应用载荷安全稳定性系数，根据塔机总荷载和持力层地基承载力特征值进行塔机基础设计和地基承载力复核。 1、根据《塔式起重机设计 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 》GB,T 13752,92的规定，塔式起重机抗倾翻稳定性需要对三种工作状态的抗倾翻稳定性进行验算。其中动态有风状态下的稳定性应充分考虑暴风侵袭状态的最不利影响。 (1)基本载荷稳定性(静态无风状态)。 (2)动载稳定性(动态有风状态)。 (3)料斗突然卸载稳定性(突然卸载状态)。 2 2、塔机各种载荷对塔式起重机的实际影响程度，在计算塔机整体安全稳定性及基础承载力复核时，应着重考虑各种载荷应乘以相应的载荷系数。在稳定性技术复核时各项载荷系数见下表: 塔机不同工况载荷安全稳定性系数 表3,2 序 工况 自重荷载 起升荷载 惯性载荷或碰撞载荷 风荷载 备注 号 基本载荷稳定性 1 1.0 1.5 0 0 (静态无风) 动载稳定性 2 1.0 1.3 1.0 1.0 (动态有风) 3 暴风侵袭 1.0 0 0 1.2 4 突然卸载 1.0 0 0 1.0 3、塔机基础承载力计算采用最不利工况安全稳定性系数进行计算，偏于安全。 (1)基本载荷安全稳定性系数K取1.5。 1 (2)动载安全稳定性系数K取1.3。 2 (3)风载安全稳定性系数K取1.2。 3 四、塔机基础设计 根据塔式起重机基础埋置深度，其很多地基持力层承载力特征值不能满足塔机安全稳定性地基设计承载力标准值。因此，必须进行塔机基础安全稳定性计算。引用公式 (N，G)?K?K?K123 ?〔R〕 (4,1) F N:基础承担的垂直总载荷。 G:基础及上部土重(不回填土时不计)。 F:塔机基础底面积。 〕:地基承载力特征值。 〔R 1、塔机基础承载力计算 (1)塔机基础上部总荷载 1)海安县中学教学楼工程，采用惠尔QTZ63T,m塔式起重机，有效臂长55m，独立安装高度40m，整机重量30.825T，最大起重量6T，平衡重13T。 塔机总重N,49.825T 2)塔机埋置深度1.15m，基础厚度1.35m，塔机原基础宽度设计宽度5.5m，高度1.35m，塔机 基础总重(不考虑回填土)G,102.94T; 3 3)塔机总荷载:152.765T; 4)地基持力层承载力特征值110Kpa。 (2)基础承载力计算 N?K?K?K123 F , 〔R〕 F:基础底面积(?); N:塔机总重(T); K1:塔机基本载荷安全稳定性系数系数K1取1.5; K2:塔机动态安全稳定性系数K2取1.30; K3:塔机风载(暴风)安全稳定性系数K3取1.20; 〔R〕:地基承载力设计标准值〔R〕取11T。 152.765×1.5×1.3×1.2 A , 11 , 32.497 B , A , 32.497 , 5.700m 塔机基础宽度B取5.700m，满足承载力要求。 4、施工安全设施计算软件计算 (1)塔机计算参数 塔吊型号:QTZ63， 塔吊起升高度H:40.00m， 塔身宽度B:1.643m， 基础埋深d:1.15m， 自重G:498.25kN， 基础承台厚度hc:1.35m， 最大起重荷载Q:60kN， 基础承台宽度Bc:5.50m(计算极限为5.424m，取5.50m)， 混凝土强度等级:C30， 钢筋级别:HRB335， 基础底面配筋直径:20mm (2)塔吊对基础中心作用力的计算 1)塔吊竖向力计算 塔吊自重:G=498.25kN(含平衡重130 kN); 4 塔吊最大起重荷载:Q=60kN; 作用于塔吊的竖向力:F,G，Q,498.25，60,558.25kN; k 2)塔吊弯矩计算 风荷载对塔吊基础产生的弯矩计算: M,733.04kN?m; kmax (3)塔吊抗倾覆稳定验算 基础抗倾覆稳定性按下式计算: e,M/(F+G)?Bc/3 kkk 式中 e??偏心距，即地面反力的合力至基础中心的距离; M??作用在基础上的弯矩; k F??作用在基础上的垂直载荷; k G??混凝土基础重力，G,25×5.50×5.50×1.35=1020.938kN; kk Bc??为基础的底面宽度; 计算得:e=733.04/(558.25+1020.938)=0.464m < 5.50/3=1.833m; 基础抗倾覆稳定性满足要求～ (4)地基承载力验算 依据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)第5.2条承载力计算。 计算简图: 混凝土基础抗倾翻稳定性计算: 5 e=0.464m < 5.50/6=0.917m 地面压应力计算: P,(F+G)/A kkk P,(F+G)/A + M/W kmaxkkk 式中:F??塔吊作用于基础的竖向力，它包括塔吊自重和最大起重荷载,F,558.25kN; kk G??基础自重，G,1020.938kN; kk Bc??基础底面的宽度，取Bc=5.50m; M??倾覆力矩，包括风荷载产生的力矩和最大起重力矩，M, 733.04kN?m; kk 333 W??基础底面的抵抗矩，W=0.118Bc=0.118×5.50=19.632m; 不考虑附着基础设计值: 2P,(558.25，1020.938)/5.50,52.205kPa k 2P=(558.25+1020.938)/5.50+733.04/19.632=89.544kPa; kmax 2P=(558.25+1020.938)/5.50-733.04/19.632=14.866kPa; kmin 实际计算取的地基承载力设计值为:f=110.000kPa; a 地基承载力特征值f,110.000kPa大于压力标准值P=52.205kPa，满足要求～ ak 地基承载力特征值1.2×f大于无附着时的压力标准值P=89.544kPa，满足要求～ akmax 图1 塔式起重机天然地基钢筋混凝土基础图 (5)基础受冲切承载力验算 依据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2002)第8.2.7条。 验算公式如下: F ? 0.7βfah 1hptmo 6 式中 β --受冲切承载力截面高度影响系数，当h不大于800mm时，β取1.0.当h大于等于hphp2000mm时，β取0.9，其间按线性内插法取用;取 β=0.95; hphp f --混凝土轴心抗拉强度设计值;取 f=1.43MPa; tt h --基础冲切破坏锥体的有效高度;取 h=1.30m; oo =(a+a)/2; a --冲切破坏锥体最不利一侧计算长度;ammtb a=[1.64+(1.64 +2×1.30)]/2=2.94m; m a --冲切破坏锥体最不利一侧斜截面的上边长，当计算柱与基础交接处的受冲切承t 载力时，取柱宽(即塔身宽度);取a,1.643m; t a --冲切破坏锥体最不利一侧斜截面在基础底面积范围内的下边长，当冲切破坏锥b 体的底面落在基础底面以内，计算柱与基础交接处的受冲切承载力时，取柱宽加两倍基础有效高度;a=1.64 +2×1.30=4.24; b P --扣除基础自重后相应于荷载效应基本组合时的地基土单位面积净反力，对偏心j 受压基础可取基础边缘处最大地基土单位面积净反力;取 P=107.45kPa; j 2 A --冲切验算时取用的部分基底面积;A=5.50×(5.50-4.24)/2=3.465m ll F --相应于荷载效应基本组合时作用在A上的地基土净反力设计值。F=PA; llljl F=107.45×3.46=372.32kN。 l 允许冲切力:0.7×0.95×1.43×2940.00×1300.00=3634530.90N=3634.53kN > F= l372.32kN; 实际冲切力不大于允许冲切力设计值，所以能满足要求～ (6)承台配筋计算 1)抗弯计算 依据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2002)第8.2.7条。计算公式如下: 2M=a[(2l+a')(P+P-2G/A)+(P-P)l]/12 I1maxmax 式中:M --任意截面I-I处相应于荷载效应基本组合时的弯矩设计值; I a --任意截面I-I至基底边缘最大反力处的距离;取a=(Bc-B)/2,11 (5.50-1.64)/2=1.93m; P --相应于荷载效应基本组合时的基础底面边缘最大地基反力设计值，取max 2107.45kN/m; P --相应于荷载效应基本组合时在任意截面I-I处基础底面地基反力设计值，[BcP-a1(P-1.2×P)]/Bc,[5.50×107.452,1.93×(107.452,1.2×maxmaxmin 7 14.866)]/5.50=76.006kPa; G --考虑荷载分项系数的基础自重，取G=1.35×25×Bc×Bc×hc=1.35×25×5.50 2×5.50×1.35=1378.266kN/m; l --基础宽度，取l=5.50m; a --塔身宽度，取a=1.64m; a' --截面I - I在基底的投影长度, 取a'=1.64m。 2 经过计算得M=1.93×[(2×5.50+1.64)×(107.45+76.01-2×I 21378.27/5.50)+(107.45-76.01)×5.50]/12=415.96kN?m。 2)配筋面积计算 2 α = M/(αfbh) s1c0 1/2 δ = 1-(1-2α) s γ = 1-δ/2 s A = M/(γhf) ss0y 式中，α --当混凝土强度不超过C50时， α取为1.0,当混凝土强度等级为C80时，取为0.94,l1 期间按线性内插法确定，取α=1.00; l 2 fc --混凝土抗压强度设计值，查表得fc=14.30kN/m; h --承台的计算高度，h=1.30m。 oo 6332经过计算得: α=415.96×10/(1.00×14.30×5.50×10×(1.30×10))=0.003; s 0.5 ξ=1-(1-2×0.003)=0.003; γ=1-0.003/2=0.998; s 632 A=415.96×10/(0.998×1.30×10×300.00)=1068.23mm。 s 2由于最小配筋率为0.15%,所以最小配筋面积为:5550.00×1350.00×0.15%=11137.5mm。 2故取 A=11137.5mm。 s 2建议配筋值:HRB335钢筋， 20@150mm。承台底面单向根数36根。实际配筋值11311.2 mm。 5、塔机基础总重复核 Q?Q12 Q:计算基础总重(T)，5.7×5.7×1.35×2.4=105.27T 1 Q:按塔机稳定性要求的基础总重(T)，说明书要求不少于98T。 2 Q,105.27?Q=98T 12 满足基础总重及稳定性要求。 8 五、基础承载力复核及电算结果分析 1、塔机基础设计、技术复核时综合采用基本安全稳定性系数、动态稳定性系数和风载稳定性系数时，基础底面积及承载力比电算计算极限提高5%。 2、动载安全稳定性系数已考虑了动态有风工况，当同时考虑暴风侵袭时风载安全稳定性系数时，当K取1.2时，基础底面积及承载力比电算计算极限提高0.977%。 2 3、塔机基础采用桩基础时，综合采用基本安全稳定性系数、动态稳定性系数和风载稳定性系数，确定塔机及基础在最不利工况下的单桩承载力和设计桩长。 六、结束语 塔式起重机在最大幅度和最大载荷都是处于不利位置，作用着最大工作风压和对稳定性不利的升降起动、制动惯性力以及回转时的离心力。 塔机安全稳定性计算时，吊重力矩作为唯一的倾翻力矩，其载荷安全稳定性系数取值相对较大。 塔机基础设计，综合应用基本安全稳定性系数、动态稳定性系数和风载稳定性系数，进行塔机天然地基基础和桩基基础的安全技术复核，简化了计算程序，并确保塔式起重机工作状态抗倾翻稳定性。 图2 塔式起重机安装使用图 2010年12月 30日 9