塔吊格构式基础计算书
本计算书主要依据本工程地质勘察报告,塔吊使用说明书、《钢结构设计规范》(GB50017-2003)、《钢结构设计手册》(第三版)、《建筑结构静力计算手册》(第二版)、《结构荷载规范》(GB5009-2001)、《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)、《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)、《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)等编制。
基本参数
1、塔吊基本参数
塔吊型号:QTZ70(JL5613); 塔吊自重Gt:852.6kN; 塔吊起升高度H:120m; 2、格构柱基本参数
格构柱计算长度lo:12.7m; 格构柱缀件节间长度a1:0.4m; 格构柱基础缀件节间长度a2:0.4m;格构柱截面宽度b1:0.4m;
3、基础参数
桩中心距a:3.9m; 桩入土深度l:22m; 桩混凝土等级:C35; 桩钢筋直径:14mm;
承台宽度Bc:5.5m; 承台混凝土等级为:C35; 承台钢筋直径:25; 承台箍筋间距:200mm;
标准节长度b:2.8m;
最大起重荷载Q:30kN; 塔身宽度B: 1.758m;
格构柱缀件类型:缀板; 格构柱分肢材料类型:L140x14; 格构柱钢板缀件参数:宽360mm,厚14mm; 桩直径d:0.8m;
桩型与工艺:泥浆护壁钻(冲)孔灌注桩; 桩钢筋型号:HRB335; 承台厚度h:1.4m; 承台钢筋等级:HRB400; 承台保护层厚度:50mm;
4、塔吊计算状态参数
地面粗糙类别:B类 城市郊区; 风荷载高度变化系数:2.38; 主弦杆材料:角钢/方钢; 主弦杆宽度c:160mm; 非工作状态:
所处城市:天津市滨海新区, 基本风压ω0:0.3 kN/m2; 额定起重力矩Me:0kN·m; 基础所受水平力P:80kN; 塔吊倾覆力矩M:1930kN·m; 工作状态:
所处城市:天津市滨海新区, 基本风压ω0:0.3 kN/m2, 额定起重力矩Me:756kN·m; 基础所受水平力P:50kN; 塔吊倾覆力矩M:1720kN·m;
非工作状态下荷载计算 一、塔吊受力计算 1、塔吊竖向力计算
承台自重:Gc=25×Bc×Bc×h=2.5×5.50×5.50×1.40×10=1058.75kN; 作用在基础上的垂直力:Fk=Gt+Gc=852.60+1058.75=1911.35kN;
2、塔吊倾覆力矩
总的最大弯矩值Mkmax=1930.00kN·m;
3、塔吊水平力计算
挡风系数计算:
φ = (3B+2b+(4B2+b2)1/2c/Bb) 挡风系数Φ=0.50;
水平力:Vk=ω×B×H×Φ+P=0.3×1.758×120.00×0.50+80.00=111.4kN;
4、每根格构柱的受力计算
作用于承台顶面的作用力:Fk=1911.35kN; Mkmax=1930.00kN·m; Vk=111.4kN;
图中x轴的方向是随时变化的,计算时应按照倾覆力矩Mmax最不利方向进行验算。
(1)格构柱竖向力的计算
Nik=(Fk+Gk)/n±Mxkxi/Σxj2 式中:n-单桩个数,n=4;
Fk-作用于桩基承台顶面的竖向力标准值; Gk-桩基承台的自重标准值; Mxk-承台底面的弯矩标准值;
xi-单桩相对承台中心轴的X方向距离; Nik-单桩桩顶竖向力标准值; 经计算得到单桩桩顶竖向力标准值
最大压力:Nkmax=Fk/4+(Mkmax×a×2-0.5)/(2×(a×2-0.5)2)=1911.35/4+(1930×3.90×2-0.5)/(2×(3.90×2-0.5)2)=827.8kN;
最小压力:Nkmin=Fk/4-(Mkmax×a×2-0.5)/(2×(a×2-0.5)2)=1911.35/4-(1930×3.90×2-0.5)/(2×(3.90×2-0.5)2)=127.8kN;
均受压计算,无抗拔要求。桩基础抗拔满足要求。
(2)格构柱顶水平剪力的计算
V0=1.2Vk/4=1.2×111.4/4=33.5kN;
二、承台验算 1、承台弯矩的计算
依据《建筑桩技术规范》(JGJ94-2008 )的第5.9.1条。 Mx = ∑Niyi My = ∑Nixi
其中 Mx,My-计算截面处XY方向的弯矩设计值; xi,yi-单桩相对承台中心轴的XY方向距离,取(a-B)/2=(3.90-1.758)/2=1.071m;
Ni1-单桩桩顶竖向力设计值;
经过计算得到弯矩设计值:Mx=My=2×1.07×827.8×1.2=2125.8kN·m。
偏大 2、承台截面主筋的计算
依据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)第7.2条受弯构件承载力计算。 αs = M/(α1fcbh02) ζ = 1-(1-2αs)1/2 γs = 1-ζ/2 As = M/(γsh0fy)
式中:αl-系数,当混凝土强度不超过C50时, α1取为1.0,当混凝土强度等级为C80时,α1取为0.94,期间按线性内插法得1.00 ;
fc-混凝土抗压强度设计值查表得16.70N/mm2; ho-承台的计算高度ho=1400.00-50.00=1350.00mm; fy-钢筋受拉强度设计值,fy=400N/mm2;
经过计算得:αs=2125.8×106/(1.000×16.700×5.5000×103×(1350.000)2)=0.013; ξ=1-(1-2×0.013)0.5=0.013; γs =1-0.013/2=0.994;
Asx =Asy=2125.8×106/(0.994×1250.000×400)=4277mm2;
由于最小配筋率为0.15%,所以最小配筋面积为: 1400×5500×0.15%=11550mm2; 建议配筋值:HRB400钢筋,14228.125mm2。
25@200。承台底面单向根数29根。实际配筋值
3、承台斜截面抗剪切计算
依据《建筑桩技术规范》(JGJ94-2008)的第5.9.10条。
桩对矩形承台的最大剪切力为V=827.8×1.2=993.36kN。我们考虑承台配置箍筋的情况,斜截面受剪承载力满足下面公式:
V≤βhsαftb0h0
其中,b0──承台计算截面处的计算宽度,b0=5500.00mm;
λ-计算截面的剪跨比,λ=a/ho,此处,a=(3900.00-1758.00)/2=1071mm, 当 λ<0.25时,取λ=0.25;当 λ>3时,取λ=3,得λ=0.79;
βhs──受剪切承载力截面高度影响系数,当h0<800mm时,取h0=800mm,h0
>2000mm时,取h0=2000mm,其间按内插法取值,βhs=(800/1350)1/4=0.877
α──承台剪切系数,α=1.75/(0.79+1)=0.97;
ho-承台计算截面处的计算高度,ho=1400.00-50.00=1350.00mm; 993.36kN≤0.877×0.97×1.57×5500×1350/1000=9916kN; 经过计算承台已满足抗剪要求,只需构造配箍筋!
四、单肢格构柱截面验算 1、格构柱力学参数
L140x14
A =37.57cm2 i =4.28cm I =688.81cm4 z0 =3.98cm 每个格构柱由4根角钢L140x14组成,格构柱力学参数如下:
Ix1=[I+A×(b1/2-z0)2] ×4=[688.81+37.57×(40.00/2-3.98)2]×4=41323.16cm4;
An1=A×4=37.57×4=150.28cm2;
W1=Ix1/(b1/2-z0)=41323.16/(40.00/2-3.98)=2579.47cm3; ix1=(Ix1/An1)0.5=(41323.16/150.28)0.5=16.58cm;
2、格构柱平面内整体强度
Nmax/An1=827.8×1.2×103/(150.28×102)=66.10N/mm2 L0x1=lo=16-2.55-0.75=12.7m; λx1=L0x1×102/ix1=12.7×102/16.58=76.60; 其中 b ── 缀板厚度,取 b=0.14m。 h ── 缀板长度,取 h=0.36m。 a1── 格构架截面长,取 a1=0.40m。 2 经过计算得 i1=[(0.14+0.362)/48+5×0.402/8]0.5=0.40m。 λ1=L1/iv=12.7/0.4=31.75; λ0x1=(λx12+λ12)0.5=(76.602+31.752)0.5=82.92; 查表:Φx=0.763; Nmax/(ΦxA)=993.36×103/(0.763×150.28×102)=86.63N/mm2 λmax=λ0x1=82.92<[λ]=150 满足; 单肢计算长度:l01=a1=40.00cm; 单肢回转半径:i1=4.28cm; 单肢长细比:λ1=lo1/i1=40/4.28=9.35<0.7λmax=0.7×82.92=58.04; 因截面无削弱,不必验算截面强度。 分肢稳定满足要求。 五、整体格构柱基础验算 1、格构柱基础力学参数 单肢格构柱力学参数: Ix1=41323.16(77193.93)cm4 An1=150.28cm2 W1=2579.47cm3 ix1=16.58cm 格构柱基础是由四个单肢的格构柱组成的,整个基础的力学参数: Ix2=[Ix1+An1×(b2×102/2-b1×102/2)2]×4=[41323.16+150.28×(3.90×102/2-0.40×102/2)2]×4=18574592cm4; An2=An1×4=150.28×4=601.12cm2; W2=Ix2/(b2/2-b1/2)=18574592/(3.90×102/2-0.40×102/2)=106140.53cm3; ix2=(Ix2/An2)0.5=(18574592/601.12)0.5=175.78cm; 2、格构柱基础平面内整体强度 1.2N/An+1.4Mx/(γx×W)=2293.6×103/(601.12×102)+2702×106/(1.0×106140×103)=58.56N/mm2 3、格构柱基础整体稳定性验算 L0x2=lo=12.7m; λx2=L0x2/ix2=12.7×102/175.78=7.22; An2=601.12cm2; Ady2=2×22.80=45.60cm2; λ0x2=(λx22+40×An2/Ady2)0.5=(7.222+40×601.12/45.60)0.5=24.07; 查表:φx=0.954; NEX' = π2EAn2/1.1λ0x22 NEX=191812.98N; 1.2N/(φxA) + 1.4βmxMx/(Wlx(1-1.2φxN/NEX)) ≤f 1.2N/(φxA)+1.4βmxMx/(Wlx(1-1.2φxN/NEX))=65.6N/mm2≤f=215N/mm2; 格构式基础整体稳定性满足要求。 4、刚度验算 λmax=λ0x2=24.07<[λ]=150 满足; 单肢计算长度:l02=a2=40.00cm; 单肢回转半径:ix1=16.58cm; 单肢长细比:λ1=l02/ix1=40/16.58=2.41<0.7λmax=0.7×24.07=16.8 因截面无削弱,不必验算截面强度。 刚度满足要求。 六、桩竖向极限承载力验算 单桩竖向承载力标准值按下面的公式计算: Quk=Qsk+Qpk = u∑qsikli+qpkAp u──桩身的周长,u=2.513m; Ap──桩端面积,Ap=0.503m2; 各土层厚度及阻力标准值如下表:选勘察报告11#点竖状图 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 土层名称 粉质○粘土 8粉质粘○土 土层标高 -10.85 土厚度 3.8m 4.5m 3.6m 4.0m 1.9m 2.9m 3.6m 24米 土侧阻力标准值(kPa) 34 43 58 55 54 56 62 / 土端阻力标准值(kPa) / / / / / / 800 / 91粉土 ○92粉质○粘土 10粉质粘○土 111粉质○粘土 112粉土 ○累计深度 灌注桩桩顶标高-12.4米,灌注桩计划长度22米。 由于桩的入土深度为22m,所以桩端是在第7层土层。 单桩竖向承载力验算: Quk=2.513×1137.7+800×0.503=3259.7kN; 单桩竖向承载力特征值:R=Ra= Quk/2=3259.7/2=1629.8kN; Nk=827.8kN≤1.2R=1.2×1629.8=1955.76kN; 桩基竖向承载力满足要求! 七、桩配筋计算 1、桩构造配筋计算 按照构造要求配筋。 As=πd2/4×0.65%=3.14×8002/4×0.65%=3267mm2 2、桩抗压钢筋计算 经过计算得到桩顶竖向极限承载力验算满足要求,只需构造配筋! 3、桩受拉钢筋计算 桩不受拉力,不计算这部分配筋,只需构造配筋! 建议配筋值:HRB335钢筋,14根14。实际配筋值2154.04 mm2。 依据《建筑桩基设计规范》(JGJ94-2008), 箍筋采用螺旋式,直径不应小于6mm,间距宜为200~300mm;受水平荷载较大的桩基、承受水平地震作用的桩基以及考虑主筋作用计算桩身受压承载力时,桩顶以下5d范围内箍筋应加密;间距不应大于100mm;当桩身位于液化土层范围内时箍筋应加密;当考虑箍筋受力作用时,箍筋配置应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010的有关规定;当钢筋笼长度超过4m时,应每隔2m设一道直径不小于12mm的焊接加劲箍筋。 工作状态下荷载计算 一、塔吊受力计算 1、塔吊竖向力计算 承台自重:Gc=25×Bc×Bc×h=25×5.50×5.50×1.40=1058.75kN; 作用在基础上的垂直力:Fk=Gt+Gc+Q=852.60+1058.75+30.00=1941.35kN; 2、塔吊倾覆力矩 总的最大弯矩值Mkmax=1720kN·m; 3、塔吊水平力计算 挡风系数计算: φ = (3B+2b+(4B2+b2)1/2c/Bb) 挡风系数Φ=0.50; 水平力:Vk=ω×B×H×Φ+P=0.3×1.758×120.00×0.50+50.00=81.4kN 4、每根格构柱的受力计算 作用于承台顶面的作用力:Fk=1941.35kN; Mkmax=1720kN·m; Vk=81.kN; 图中x轴的方向是随时变化的,计算时应按照倾覆力矩Mmax最不利方向进行验算。 (1)、桩顶竖向力的计算 Nik=(F+G)/n±Myyi/Σyj2; 式中:n-单桩个数,n=4; F-作用于桩基承台顶面的竖向力标准值; G-桩基承台的自重标准值; My-承台底面的弯矩标准值; yj-单桩相对承台中心轴的Y方向距离; Nik-单桩桩顶竖向力标准值; 经计算得到单桩桩顶竖向力标准值 最大压力:Nkmax=Fk/4+(Mkmax×a×2-0.5)/(2×(a×2-0.5)2)=1941.35/4+(1720×3.90×2-0.5)/(2×(3.90×2-0.5)2)=797.24kN; 最小压力:Nkmin=Fk/4-(Mkmax×a×2-0.5)/(2×(a×2-0.5)2)=1745.10/4-(1039.00×3.00×2-0.5)/(2×(3.00×2-0.5)2)=173.44kN; 桩基础抗拔满足要求。 (2)、桩顶剪力的计算 V0=1.2V/4=1.2×81./4=24.5kN; 三、承台验算 1、承台弯矩的计算 依据《建筑桩技术规范》(JGJ94-2008 )的第5.9.1条。 Mx = ∑Niyi My = ∑Nixi 其中 Mx,My-计算截面处XY方向的弯矩设计值; xi,yi-单桩相对承台中心轴的XY方向距离,取(a-B)/2=(3.90-1.758)/2=1.071m; Ni1-单桩桩顶竖向力设计值; 经过计算得到弯矩设计值:Mx=My=2×1.071×797.24×1.2=2049(803.12)kN·m。 2、承台截面主筋的计算 依据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)第7.2条受弯构件承载力计算。 αs = M/(α1fcbh02) ζ = 1-(1-2αs)1/2 γs = 1-ζ/2 As = M/(γsh0fy) 式中:αl-系数,当混凝土强度不超过C50时, α1取为1.0,当混凝土强度等级为C80时,α1取为0.94,期间按线性内插法得1.00 ; fc-混凝土抗压强度设计值查表得16.70N/mm2; ho-承台的计算高度ho=1400.00-50.00=1350.00mm; fy-钢筋受拉强度设计值,fy=400N/mm2; 经过计算得:αs=2049×106/(1.0×16.7×5500×13502)=0.012; ξ=1-(1-2×0.012)0.5=0.012; γs =1-0.012/2=0.987; Asx =Asy=2049×106/(0.987×1350.000×400)=3844mm2; 由于最小配筋率为0.15%,所以最小配筋面积为: 1400×5500×0.15%=11550mm2; 建议配筋值:HRB400钢筋,14228.125mm2。 25@200。承台底面单向根数29根。实际配筋值 3、承台斜截面抗剪切计算 依据《建筑桩技术规范》(JGJ94-2008)的第5.9.10条。 桩对矩形承台的最大剪切力为V=956.7kN。我们考虑承台配置箍筋的情况,斜截面受剪承载力满足下面公式: V≤βhsαftb0h0 其中,b0──承台计算截面处的计算宽度,b0=5500.00mm; λ-计算截面的剪跨比,λ=a/ho,此处,a=(3900.00-1758.00)/2=1071mm, 当 λ<0.25时,取λ=0.25;当 λ>3时,取λ=3,得λ=0.79; βhs──受剪切承载力截面高度影响系数,当h0<800mm时,取h0=800mm,h0 >2000mm时,取h0=2000mm,其间按内插法取值,βhs=(800/1350)1/4=0.877; α──承台剪切系数,α=1.75/(0.79+1)=0.97; ho-承台计算截面处的计算高度,ho=1400.00-50.00=1350.00mm; 956.7kN≤0.877×0.97×1.57×5500×1350/1000=9916kN; 经过计算承台已满足抗剪要求,只需构造配箍筋! 四、单肢格构柱截面验算 1、格构柱力学参数 L14 0x14 A =37.57cm2 i =4.28cm I =688.81cm4 z0 =3.98cm 每个格构柱由4根角钢L140x14组成,格构柱力学参数如下: Ix1=[I+A×(b1/2-z0)2] ×4=[688.81+37.57×(40.00/2-3.98)2]×4=41323.16cm4; An1=A×4=37.57×4=150.28cm2; W1=Ix1/(b1/2-z0)=41323.16/(40.00/2-3.98)=2579.47cm3; ix1=(Ix1/An1)0.5=(41323.16/150.28)0.5=16.58cm; 2、格构柱平面内整体强度 Nmax/An1=956.7×103/(150.28×102)=63.66N/mm2 L0x1=lo=12.7m; λx1=L0x1×102/ix1=12.7×102/16.58=76.60; λ1=L1/iv=31.75; λ0x1=(λx12+λ12)0.5=(76.602+31.752)0.5=82.92; 查表:Φx=0.763; Nmax/(ΦxA)=956.7×103/(0.763×150.28×102)=79.58N/mm2 λmax=λ0x1=82.92<[λ]=150 满足; 单肢计算长度:l01=a1=40.00cm; 单肢回转半径:i1=4.28cm; 单肢长细比:λ1=lo1/i1=40/4.28=9.35<0.7λmax=0.7×82.92=58.04; 因截面无削弱,不必验算截面强度。 分肢稳定满足要求。 五、整体格构柱基础验算 1、格构柱基础力学参数 单肢格构柱力学参数: Ix1=41323.16cm4 An1=150.28cm2 W1=2579.47cm3 ix1=16.58cm 格构柱基础是由四个单肢的格构柱组成的,整个基础的力学参数: Ix2=[Ix1+An1×(b2×102/2-b1×102/2)2]×4=[41323.16+150.28×(3.90×102/2-0.40×102/2)2]×4=18574592cm4; An2=An1×4=150.28×4=601.12cm2; W2=Ix2/(b2/2-b1/2)=18574592/(3.90×102/2-0.40×102/2)=106140cm3; ix2=(Ix2/An2)0.5=(18574592/601.12)0.5=175.78cm; 2、格构柱基础平面内整体强度 1.2N/An+1.4Mx/(γx×W)=2329.60×103/(601.12×102)+2408×106/(1.0×106140.53×103)=61.44N/mm2 3、格构柱基础整体稳定性验算 L0x2=lo=12.7m; λx2=L0x2/ix2=12.7×102/175.78=7.22; An2=601.12cm2; Ady2=2×22.80=45.60cm2; λ0x2=(λx22+40×An2/Ady2)0.5=(7.222+40×601.12/45.60)0.5=24.07; 查表:φx=0.95; NEX' = π2EAn2/1.1λ0x22 NEX=191812.98N; 1.2N/(φxA) + 1.4βmxMx/(Wlx(1-1.2φxN/NEX)) ≤f 1.2N/(φxA)+1.4βmxMx/(Wlx(1-1.2φxN/NEX))=68.7N/mm2≤f=300N/mm2; 格构式基础整体稳定性满足要求。 4、刚度验算 λmax=λ0x2=24.07<[λ]=150 满足; 单肢计算长度:l02=a2=40.00cm; 单肢回转半径:ix1=16.58cm; 单肢长细比:λ1=l02/ix1=40/16.58=2.41<0.7λmax=0.7×24.07=16.8 因截面无削弱,不必验算截面强度。 刚度满足要求。 六、桩竖向极限承载力验算 单桩竖向承载力标准值按下面的公式计算: Quk=Qsk+Qpk = u∑qsikli+qpkAp u──桩身的周长,u=2.513m; Ap──桩端面积,Ap=0.503m2; 各土层厚度及阻力标准值如下表: 选勘察报告11#点竖状图 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 土层名称 粉质○粘土 8粉质粘○土 土层标高 -10.85 土厚度 3.8m 4.5m 3.6m 4.0m 1.9m 2.9m 3.6m 24米 土侧阻力标准值(kPa) 34 43 58 55 54 56 62 / 土端阻力标准值(kPa) / / / / / / 800 / 91粉土 ○92粉质○粘土 10粉质粘○土 111粉质○粘土 112粉土 ○累计深度 灌注桩桩顶标高-12.4米,灌注桩计划长度22米 由于桩的入土深度为22m,所以桩端是在第7层土层。 单桩竖向承载力验算: Quk=2.513×1137.7+800×0.503=3259.7kN; 单桩竖向承载力特征值:R=Ra= Quk/2=3259.7/2=1629.8kN; Nk=797.24kN≤1.2R=1.2×1629.8=1955.76kN; 桩基竖向承载力满足要求! 七、桩配筋计算 1、桩构造配筋计算 按照构造要求配筋。 As=πd2/4×0.65%=3.14×8002/4×0.65%=3267mm2 2、桩抗压钢筋计算 经过计算得到桩顶轴向压力设计值满足要求,只需构造配筋! 3、桩受拉钢筋计算 桩不受拉力,不计算这部分配筋,只需构造配筋! 建议配筋值:HRB335钢筋,14根14。实际配筋值2154.04 mm2。 依据《建筑桩基设计规范》(JGJ94-2008), 箍筋采用螺旋式,直径不应小于6mm,间距宜为200~300mm;受水平荷载较大的桩基、承受水平地震作用的桩基以及考虑主筋作用计算桩身受压承载力时,桩顶以下5d范围内箍筋应加密;间距不应大于100mm;当桩身位于液化土层范围内时箍筋应加密;当考虑箍筋受力作用时,箍筋配置应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010的有关规定;当钢筋笼长度超过4m时,应每隔2m设一道直径不小于12mm的焊接加劲箍筋。 八、格构柱施工要求(工程经验) 1、格构柱端锚入混凝土承台长度不小于450mm和1/3承台厚度;混凝土强度等级不小于C35; 2、格构柱锚入桩基中的长度不小于2000mm,并需增加箍筋和主筋数量,确保焊接质量桩混凝土等级不小于C30; 3、吊(插)入桩孔时,应控制钢构柱的垂直与水平二个方向的偏位。特别需防止浇捣混凝土后钢构柱的偏位,施工方案中必须有防偏位措施(采用模具等定位方法)。 4、钢构柱应在工厂制作,成品后运往工地。现场焊接水平杆与斜撑杆(柱间支撑)等构件,必须持有焊接上岗证,原则上仍应由生产厂家派员施焊。 5、单肢钢构柱内部需留有足够空间,浇捣混凝土中应采取有效手段保证混凝土的填充率达到95%以上。 6、开挖土方时,塔机钢构柱周围的土方应分层开挖,钢构柱之间的水平与斜撑杆(或柱间支撑),连接板等构件,必须跟随挖土深度而及时设置并焊接。 7、塔机使用中,要经常观察钢筋混凝土连接块的变形情况;经常观察地脚螺栓松动情况,随时拧紧;经常观察塔机的垂直度,发现超差及时纠正。
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