高桩承台HC塔吊桩的设计与施工

高桩承台PHC塔吊桩的设计与施工摘要：本文通过工程实例，详细介绍PHC管桩作为高桩承台塔吊桩的设计与施工，着重说明了该种类型塔吊桩的施工要点。关键词：PHC管桩高桩承台塔吊基础设计与施工1前言塔吊作为土建工程中主体结构施工中最主要的垂直运输工具，其自身的结构安全可靠性至关重要，其中塔吊基础的设计尤为关键。对于福建沿海地区普遍软基厚度较大，塔吊的基础常采用高桩承台形式，塔吊桩多采用钻孔灌注桩。预应力高强混凝土管桩（简称PHC管桩）由于其具有承载力高、质量稳定可靠、施工速度快、造价较低等优点已广泛应用在工程桩中，本文以福州***广场项目为例讨论PHC管桩作为高桩承台塔吊桩的在工程中的应用。2工程概况福州***广场位于福州市***科技园区，地下一层，地上主楼15层，附楼5层，框剪结构，总建筑面积17863m2，为中国******股份有限公司福建省***投资兴建的办公、培训综合楼。桩基采用静压预应力高强混凝土管桩。3工程地质情况拟建场地地貌属福州冲淤积平原，原场地为菜地、荒地，地形尚平。地基土为第四系沉积，由杂填土、粘土、淤泥、淤泥质土、粉质粘土、残积土、强风化岩组成，基底为燕山期花岗岩。根据福州市建筑设计院的岩土工程勘察报告，场地土层自上而下分布概况如下：杂填土：灰黑色、浅黄色等色，松散、稍湿，以粘土为主，层厚1.0～1.9m，该层堆填时间大于10年；粉质粘土Ⅰ：浅黄色、褐黄色，湿，可塑，以粉质粘土为主，次为粘土，粘性较强，层厚0.6～1.4m；淤泥：深灰色、灰黑色。流塑-软塑，饱和，该层为高压缩性软土，层厚4.4～5.4m；粉质粘土Ⅱ：浅灰黄、浅灰色，湿，可塑，粉质粘土为主，局部为粘土层厚3.5～5.7m；淤泥质土：深灰色、灰黑色，饱和，软塑，为高压缩性软土层厚6.5～12.9m；粉质粘土Ⅲ：浅灰黄、浅灰色，湿、可塑，以粉质粘土为主，局部随含砂量增加，相变为中密状粉土，层厚1.3～14.8m；淤泥质土：深灰色，灰黑色，饱和，软塑，为高压缩性软土层厚1.8～7.0m；粉质粘土Ⅳ：浅灰黄、浅灰色，湿，可塑，层厚1.7～6.7m；残积砂质粘性土：浅灰白色，上部可塑，向深部变为硬塑，湿，层厚17.3～22.6m；10.强风化花岗岩：浅灰白色，湿，硬，属软岩岩体，岩体基本质量等级为Ⅴ级，母岩以花岗岩为主，层厚0.6～6.6m；11.中风化花岗岩：浅灰色，湿，较坚硬-坚硬，母岩主要为花岗岩，岩体基本质量登记为Ⅲ—Ⅳ级。4塔吊选型与布置根据工程实际情况和施工需要，拟采用一台QTZ63的塔吊作为主要的垂直运输设备，臂长45m左右，最大起重力6t，臂端起重力1.2t，最大倾覆力矩1796kN.m（非工作状态），总功率60KW，自重（包括压重）P1=450KN，最大起重荷载P2＝60KN，扭距Mt=290KN.m，标准节为1.367米×1.367米。根据施工场地的实际情况，综合考虑塔吊的最大服务范围及安拆条件，塔吊布置在拟建培训楼的西北向，位于地下室基坑内，塔吊中心东距④轴2.0m，北距E轴4.0m，塔吊基础平面尺寸为4000mm×4000mm×800mm，基础顶标高为-1.900m。塔吊在土方开挖前安装到位，土方开挖开始即可投入使用，服务半径基本可覆盖建筑物平面的每个角落。5塔吊基础设计由于塔吊基础需布置在地下基坑内，承台需采用高桩承台形式。目前工程中这种形式的塔吊桩多采用钻孔灌注桩。由于钻孔灌注桩施工周期较长，造价高，场地污染严重；同时考虑到本项目工程桩采用PHC管桩，该桩型施工便捷、造价低，而且本工程土方开挖深度不大，塔吊基础附近工程桩较为稀疏，为此塔吊基础桩采用4根直径500mm、壁厚100mm的PHC预制管桩，桩身混凝土强度等级C80，桩间距为3.0m，桩尖采用十字型桩尖。<一>塔吊桩设计1.塔吊基础承台顶面的竖向力与弯矩计算⑴塔吊自重(包括压重)P1=450KN⑵塔吊最大起重荷载P2=60KN⑶作用于桩基承台顶面的竖向力P=P1+P2=510KN⑷塔吊基础承台自重F=25×4×4×0.8=320KN⑸塔吊的倾覆力矩M=1796KN.m2.塔吊基础单桩承载力验算当塔吊吊臂位于承台对角线位置时，桩基受力处于最不利状态，桩顶所受最大竖向力N=(P+F)/4+M/（3×1.414）=（510+320）/4+1796/4.243=631KN根据地质勘察报告和桩基设计规范，设计桩长27米，有效桩长24.3米，桩端持力层为第六层粉质粘性土层，单桩承载力为：Q=qp×A+Up×∑qsi×Li根据桩基设计规范和地质勘察报告，参考塔吊基础附近8＃，14＃钻孔数据，塔吊桩侧阻力标准值及端阻力标准值见下表：序号土层名称土层厚度（m）进入深度（m）侧阻力标准值qss(Kpaa)端阻力标准值qpp(Mpaa)1杂填土1.403502粉质粘土Ⅰ0.904003淤泥4.93.11204粉质粘土Ⅱ3.93.9502.05淤泥质土10.810.82506粉质粘土Ⅲ8.16.56007淤泥质土3.101408粉质粘土Ⅳ1.007009砂质粘性土20.5075Q=0.5×3.14×(3.1×12+3.9×50+10.8×25+6.5×60)=1401KN安全系数取2Q÷2=700KN＞631KN故单桩承载力满足要求。根据现场桩基施工记录桩号入土深度压力表读数(Mppa)实际压桩力(kNN)1#塔吊装281414412#塔吊装281313493#塔吊装281212564#塔吊装28121156实际压力值接近设计值。3.塔吊桩抗拔验算N拔=M／(3×1.414)）-(P+F)／4=1796/4.243-（510+320）/4=216KNU拔=Up×∑qs×Li=1401／2=700KN＞N拔=216KN故塔吊桩抗拔验算满足要求。<二>承台设计1.承台截面配筋计算M=Ni×Xi=[(P+F)/2+M/（3×1.414）]×[(4-1.367)/2-0.5]=[(（510+320）/2+2150/4.243)]×0.817=752.8KN·mas=M／fCbh02=752.8×106/14.3×4000×6752=0.029ξ=1-(1-2×as)1/2=0.029As=fcbh0ξ／fy=14.3×675×4000×0.029/310=3611.9mm2塔吊承台配筋：Ф18@200mm双向配筋。2.承台抗冲切验算⑴塔吊对承台的冲切验算塔吊冲切力FL=F+P=450+60+320=830KNFL抗=2[β0x(bc+a0y)+β0y(hc+a0x)]βhpfth0=2×2×[0.808×(1.367+0.567)]×1×1.43×103×0.675=6033.5KN＞FL=830KN其中β0x=β0y=0.84/(λ0x+0.2)=0.84/(a0x/h0+0.2)=0.84/(567/675+0.2)=0.808因此塔吊对承台的冲切满足要求。⑵角桩对承台的冲切验算角桩最大冲切力NL=NMax=(P+F)/4+M/（3×1.414）=714KNNL抗=[β1x(c2+a1y/2)+β1y(c1+a1x/2)]βhpfth0=2×2×[0.538×(0.75+0.567/2)]×1×1.43×103×0.675=2147KN＞NL=714KN其中β1x=β1y=0.56/(λ1x+0.2)=0.56/(a0x/h0+0.2)=0.56/(567/675+0.2)=0.538因此角桩对承台的冲切满足要求。3.承台斜截面抗剪切验算斜截面受到的最大VMax=[(P+F)/2+M/（3×1.414）]=838KNV抗=βhpβftb0h0=βhp[1.75/(λ+1.0)]ftb0h0=1×[1.75/(567/675+1.0)]×1.43×103×0.675×4=3672.1KN＞VMax=838KN因此承台斜截面抗剪切验算满足要求。<三>PHC管桩高桩稳定性设计由于PHC管桩高强、抗弯和抗水平力较弱、脆性、桩身抗弯刚度较低等特点，考虑到塔身受水平力和扭距的作用，使得桩基在塔吊基础底2.0米范围内产生较大的水平力和弯距作用，故应对PHC管桩进行加固处理，采取以下两种措施：1.开挖面以上部分管桩采取填芯处理且填芯应填至开挖面下至少2.0m，以增强桩基与基础板的锚固和高桩部分的抗水平力和弯距作用，分析地质报告拟填芯至第四层粉质粘土Ⅱ层。2.在-3.800m处设一圈钢桁架，采用两块6mm厚、100mm高、半径250mm半圆形钢板将PHC管桩与桁架抱箍连接起来，使得四根塔吊桩形成一个整体，也有利于增强整体稳定性和抗弯强度。（如图1）图1高桩承台剖面图6塔吊桩的施工1．PHC管桩的施工应严格按照静力压桩施工工艺标准施工，定位应准确，压桩过程中应检查压力、桩垂直度、接桩间歇时间、桩的连接质量及压入深度，确保施工质量。2．PHC管桩施工完毕后，应尽快进行塔吊承台土方的开挖，开挖到位后塔吊桩建议进行动测，以确保桩身的完整性，同时立即进行第一项加固填芯处理。填芯采用直径250mm钢筋笼，配筋为主筋6Ф18，箍筋φ10@200mm，加劲箍筋φ14@2000，钢筋笼底部采用3mm厚钢托板，吊筋为3φ10，沉至PHC管桩相应标高处，然后浇捣C30微膨胀混凝土。填芯混凝土应分层浇筑，并采用长轴插入式振动棒振捣密实，浇注前应注意把管桩孔内的泥沙清理干净。（如图2）图2PHC管桩填芯剖面图3．填芯施工完毕后进行塔吊基础承台的施工。PHC管桩应锚入基础承台板100mm，同时填芯钢筋笼的主筋（6Ф18）应锚入承台，锚固长度为45d。承台钢筋上层钢筋端部应有90°弯钩，弯钩平直段为10d。塔吊的预埋件与承台钢筋应焊接牢固，并注意控制预埋件的标高。基础承台混凝土强度等级为C30，施工时应注意振捣密实并留置试块，当基础承台混凝土强度等级达到设计值后，方可进行塔吊的安装。4．土方开挖时先进行塔吊周边的开挖，开挖应注意分层，四个方向轮流开挖，同时应避免碰及塔吊桩。当土方开挖至-4.300m处时，应立即进行第二项加固处理。采用两块6mm厚、100mm高、半径250mm半圆形钢板将PHC管桩与桁架抱箍连接起来，两块半圆形钢板之间采用螺栓连接，钢桁架采用角钢焊接，水平主杆件采用L50*4角钢，斜杆采用L40*3.5角钢，焊缝必须符合规范要求，具体作法如图3、4、5、6。钢桁架施工完毕后再进行后续土方的开挖。图3钢桁架立面图图4钢桁架平面图图5钢抱箍大样图图6钢桁架剖面图5．由于塔吊穿过地下室顶板，考虑到地下室顶板的防水处理，3-4轴交E-F轴间整跨板后浇。参考后浇带作法，板只浇捣梁边出来300mm部分，板筋绑扎搭接接头上下、左右分别错开留置，同时接头位置的板中加焊一道3mm厚300mm宽的钢板止水带，四周闭合。7结束语本