重庆航空港建设有限公司重庆江北国际机场新建航站楼工程
QTZ63塔机人工挖孔桩基础设计计算
由重庆航空港建设有限公司承建的重庆江北国际机场新建航站楼工程拟选用4台QTZ63型塔机，拟定其中两台塔机中心所在部位处于新近回填土区域，且该基础地基持力层埋置较深。如采用筏板式基础，则地基基坑开挖深度大，经放坡后其开挖方量大，并对周边桩基础影响大。原塔机基础对地基承载能力要求这大于或等于0.2Mpa，筏板设计尺寸为：4.2×4.2×1.4m，配筋为：双层双向Φ14﹫240，架立筋为：φ10﹫480，砼强度C35（JGJ33-2001规定）。拟设计桩：截面尺寸：φ1500㎜，开挖至中风化泥岩层，嵌入深度为1000㎜，桩基础泥岩天然单轴极限抗压强度标准值frc=5Mpa，配筋：24Φ22，估计桩深度8000㎜，桩砼标号C30，fc=14.3Mpa。
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- 设计依据
1)、《塔式起重机设计规范》GB/T13752-92
2）、《塔式起重机安装与拆卸技术规范》DB50/5021-2002
3）、《建筑桩基技术规范》JGJ94－94
4）、《混凝土结构设计规范》GB50010-2002
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- 桩受力分析
1)、塔机的桩主要承受弯矩，其次还有扭转力矩，水平荷载及竖向荷载，是一种典型的大偏心压弯构件。由于塔机的扭转力矩及水平剪力较小，而竖向荷载又有利于抗弯，所以应重点对弯矩进行分析。
2）、塔机独立桩基的受力模型：塔机独立桩基桩顶受一恒定弯矩，桩身受桩周土的水平抗力，水平抗力桩顶为零，桩顶以下3～4倍桩径深度抗力较小，呈线性变化，越深抗力越大而变化较小，可将桩视为嵌固。由上述可得出如下结论：
（1）、水平承载桩的水平位移和水平极限承载力主要受地面以下深度为3～4倍桩直径范围内的土性决定，且承台周围进行了回填，受土侧压力的作用时，水平荷载作业有效高度应取值为承台高度加3倍桩径。
（2）、桩内力分布上大下小，桩顶土抗力为零，内力最大，与塔机砼基础承台相连的桩顶为危险截面。
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- 塔机受力参数
取：由塔机使用说明书以及塔机所在部位地质取值：
M=1210KN•m（最大弯矩）
MK=259KN•m（最大扭矩）
Fv=620KN （垂直荷载）
Fh=59KN （水平荷载）
h2=8m
由右图设计取值：
b=4.2×4.2m h1=1.4m
h2=8m h3=1m
v=40.6m3 （含挖孔桩）
Fg=568(承台)+397.6(桩)
=965.6KN
e = = =0.98 m
式中：h=h1+hˊ =1.4+3×1.5=5.9m
e ＜ b/3，符合规范GBT13752要求。
4、桩基础承载能力计算
1）、桩基础竖向荷载公式
N= Fv + Fg +M/e =620+965.6+1210/0.98=2820 KN
2）、地基设计承载能力验算
桩基地基承载能力标准值计算公式
Quk=Qsk+Qrk+Qpk
式中：Qsk ---单桩竖向极限承载力标准值
Qsk ---极限侧阻力标准值，取值Qsk =0
Qrk ---嵌岩极限总侧阻力标准值
Qrk =μξsfrchr
μ—桩周长，μ=πD=π×1.5=4.72 m
ξs ---嵌岩修正系数，hr/d=0.67, ξs取值为0.025
frc ----地基承载力标准值，根据拟定frc =5000Kpa
hr ----嵌岩深度，取值1m
Qrk =μξsfrchr=4.72×0.025×5000×1=590 KN
Qpk---总极限端阻力标准值
Qpk=ξpfrcAp
ξp ---端阻力修正系数，hr/d=0.67，ξp取值为0.5
frc ----地基承载力标准值，根据拟定frc =5000Kpa
Ap ---桩基面积，πD2/4=π×1.52/4=1.767 ㎡
Qpk=ξpfrcAp=0.5×5000×1.767=4417.5 KN
Quk=Qsk+Qrk+Qpk=0+590+4417.5=5007.5 KN
桩基地基验算:
1.2N=1.2×2820=3384 KN < Quk=5007.5KN
满足地基承载能力要求。
3）、桩基承载能力计算
（1）、桩基承载能力应力公式σ=( Fv + Fg)/A+M/W
式中：W=πd3/32=331.3×106㎜2
σ=( Fv + Fg)/A+M/W=(620+965.6) ×103/1.767×106+1210×106/331.3×106
=6.45 N/㎜2
（2）、桩基承载应力验算 取γ0=1.1
γ0σ< fc
1.1×6.45=7.09 N/㎜2 <14.3 N/㎜2
所以桩基满足承载能力要求。
- 桩配筋计算
采用等效截面代换法对桩配筋进行计算，原理是将圆形截面矩用正方形截面矩等效代换即，即，然后按矩形截面计算配筋。
因为桩使用期仅1～2年，所以钢筋保护层取35mm；桩砼标号C30，fc=14.3Mpa（砼强度高有利于桩抵抗变形）；钢筋为Ⅱ级钢，fc=300 N/㎜2；取＝1。
如上图，A区为90°圆心角所对应的区域，即等效为矩形等效截面的一边，D区为受压区，由圆截面简化计算法中可知其受压区弓形高度为0.16r×0.75＝0.12米，那么D区B区均在受拉区，C区距中性轴太近不考虑，因为塔吊受力方向不定，其桩应按圆周均匀配筋。B区的配筋效果与A区相比，根据作图法是力臂长度3/4的比例关系，钢筋作用按弹性比例3/4折减，B区钢筋的实际作用为A区的。那么A区钢筋承担2/3的弯矩，B区钢筋承担1/3的弯矩，AB区所含半圆内钢筋截面积，桩基的钢筋总量为。可配2422，钢筋总截面积为，配筋率为0.516 % 。
关于纵筋配置：纵筋数量最好按4的倍数，按1/2配通长筋，按1/4配5～6倍桩径深的筋，按1/4配3倍桩径深的筋，长短筋间隔分布，符合内力分布规律，既安全又节约。纵筋必须全部伸入承台并锚固35d。
6、工作状态的水平力验算
桩顶水平力验算公式：
γ0 Fh≤αmd2(1+0.5NG/γmftA)(1.5d2+0.5d)1/5
αm--综合系数46KN
d-----桩身设计直径1.5m
NG –按各组合计算桩顶的永久荷载产生的轴向力(620+568)KN
ft----混凝土轴心抗拉强度1.43N/㎜2
A----桩身截面积：πD2/4=π×1.52/4×106=1.767×106 ㎜2
γ0--重要性系数 取1.1
γm--桩身截面模量塑性系数 圆形截面γm=2
Fh-----桩顶水平力为59KN
γ0 Fh =1.1×59=64.9KN
αmd2[(1+0.5NG)/ γmftA](1.5d2+0.5d)1/5
=46×1.52×[1+(0.5×1188)]÷(2×1.43×1.767×103)×(1.5×1.52+0.5×1.5) 1/5
=46×1.52×1.117×1.32
=152.6KN
桩顶抗水平力满足要求。
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