塔式起重机基础设计若干问题的探讨

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2013年 第 5期第 39卷 总第 175期I·J之材 sichuan Building MateHals ·85 ·2013年 10月DOI：10．3969／j．issn．1672-4011．2013．05．042塔式起重机基础设计若干问题的探讨袁 珍(四川建筑职业技术学院，四川 德阳 618000)摘 要 ：在 高层建筑施工的垂直运输 中，塔式起重机(以下简称塔机)的应用越来越占据主导位置，有着不可替代的作用。但塔机的安全事故屡见报端，其安全使用问题日显重要。事故原因除了塔机材质、未严格按照工作制度执行操作规程之外，塔机的基础设计不合理 ，引起塔机倾覆 ，也是问题之一。因为塔机基础的特殊性，为此本文结合 国家规范，对塔机基础设计中的若干 问题进行 了探讨，着重对塔机基础抗倾覆进行理论上的分析，并提出个人对规范中关于偏心距限值要求的意见。

关键词：塔式起重机；基础设计；抗倾覆；偏心距中图分类号：TH213．3 文献标志码：B文章编号：1672—4011(2013)o5一oo85一o4O 前 言在大量建设高层建筑的今天，塔机以其低廉的使用费、灵活的工作高度、较大的工作覆盖面积等优点广泛应用于建筑工地。但是，国内外塔机发生事故的例子不少，有的是塔机产品本身设计原因，有的是违反了安全操作规程，有的是突发情况处理不当，其中也有很大比例是基础倾覆、地基破坏造成的。为保证塔机的工作安全，地基和基础的安全性必须予以高度重视。如果工程场地的地基承载力条件能够满足塔机生产厂家说明书的要求，按说明书要求选用独立基础的浅基础方案即可。但是在软土地区，地基承载力设计值无法达到说明书的要求，应当作地基处理或基础专项方案设计，并向有关部门报批。目前，塔机的基础设计往往由具有资质的施工总承包单位负责，虽然其施工经验丰富，但涉及基础部分的设计力量不足 ，存在 “套用设计”和 “拜托程序”的现象，针对项目具体情况的设计分析不够。本文对塔机基础设计中的若干问题进行了探讨，着重对塔机基础抗倾覆进行理论上的分析，并提出个人对规范中关于偏心距限值要求的意见。

1 塔机基础形式的选择目前较为常见的塔机基础主要有独立式基础(天然地基基础)和桩基础加钢筋混凝土承台两种形式。当地质条件较好、塔机基础位置的地基土承载力较高时可采用独立式基础，但是如果独立式基础明显受到旁边基坑开挖的影响，难以保证足够的安全距离时，需考虑采用桩基础形式。当地质条件较差、地基土承载力不够，塔机荷载较大，明显受到基坑开挖的影响或塔机对基坑支护产生较大附加荷载作者简介：袁珍(1982一)，女，陕西西安人，研究生，助教，主要从事工作：建筑给排水工程教学。

等情况下，塔机基础必须采用桩基础。

2 最不利工况的确定塔机的工况可分为附着状态和独立状态。附着状态(安装附墙装置后)时，塔机虽然增加了标准节自重，但对基础设计起控制作用的各种水平荷载及倾覆力矩、扭矩等主要由附墙装置承担，故附着状态可不计算。独立状态分为起吊重物时的工作状态和不吊重物时的非工作状态，通常是工作状态下作用在塔机基础上的竖向荷载最大、倾覆力矩较小；而非工作状态作用在基础上的竖向荷载较小、倾覆力矩较大。当塔机处于最大工作高度时，作用在基础上的竖向荷载最大，为工作状态的最不利工况；在非工作状态，当塔机在最大自由高度时，作用在基础上的倾覆力矩最大，为最不利工况。因此，JGJ／T187—2oo9(塔式起重机混凝土基础工程技术规程》(以下简称《规程》)?，塔机基础设计应按塔机独立状态下的工作状态和非工作状态的荷载分别组合，取最不利的荷载组合计算。

我们往往认为工作状态比非工作状态不利而忽略非工作状态的计算，但实际并非如此。根据塔式起重机工作原理，平衡臂两端分别为平衡块 G和吊重 Q(见图1)。平衡块用于平衡吊重对塔基底部产生的倾覆力矩，平衡块和吊重产生的倾覆力矩差由塔式起重机的基础承担。此外，塔式起重机需要承受风荷载作用产生的倾覆力矩，在最大独立高度时 ，风由吊重吹向平衡块方向是最不利的。

图 1 塔机受力情况图2 承台受力情况以某厂家生产的 QTZ80(zJ5710)型塔式起重机为例 · 86·2013年 10月2013年 第 5期第 39卷 总第 175期(见表 1)。

表 1 QTZSO(ZJ5710)型塔式起重机性能Fv Fh M1 M M工况／kN ／kN ／(kN·m) ／(kN·m) ／(kN·m)非工作状态 449 7l 1668 0 O工作状态 509 31 1039 875 2701段定桩基中心距 b=2．4 nl，承 台尺寸为 4×4×1．35(m)，承台自重 Gk=4×4×1．35×25=540 kN，见图2。根据 GB5007—201 1《建筑地基基础设计规范》 中公式8．5．4— 2：桩顶反力标准值 ：QIk=(Fk+Gk)／n±Mxk×Yl／~Y也±Mvk×xj／∑x当平衡臂与x轴成45。角，非工作状态下(负值为上拔力)：Q (49+540)／4±(1668+95·85) 等 2·4／[2×(孚 4 ={7 67．02k
．
NⅣ当平衡臂与x轴成45。角，工作状态下：Q (509+540)／4±(1039+41-85) 等 2·4／[2×(字 4 ={5 80．8
． ，
kNⅣ或 Q (509+540)／4±875×√
-5
2
- ×2．4／[2×(拿×2．4 = 520．
Ⅳ
1kⅣ当平衡臂与 轴成0。角，非工作状态下：Q ： (49+540)／4±(1668+95．85)× [4 x( = 614．7 kNⅣ当平衡臂与 轴成0。角，工作状态下：Q。 = (509+540)／4±(1039+41．85)× !A／[4× ^
( 埘 s× ( = 669．7 k
．
N
， Ⅳ因此，QTZ80(ZJ5710)型塔式起重机当平衡臂与X轴成45。角的非工作状态是桩顶反力标准值最大的工况，各厂家生产的常见型号塔式起重机荷载参数也基本都有此规律。

在设计中切忌想当然，基础设计方案中塔式起重机必须依据可靠的荷载来源，对各种工况作用在不同角度进行验算。

3 最不利荷载效应组合和抗力限值1)按地基承载力确定基础底面积及埋深或按单桩承载力确定桩数时，传至基础或承台底面上的荷载效应按正常使用极限状态下荷载效应的标准组合。相应的抗力采用地基承载力特征值或单桩承载力特征值。

2)计算地基变形时，传至基础底面上的荷载效应按正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合。相应的限值应为地基变形允许值。

3)计算基坑边坡或斜坡稳定性，荷载效应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，但其分项系数均取 I．0；考虑塔机基础的使用特点，做出可不作地基变形验算和地基稳定性验算的相应规定，将其验算控制在较少范围。

4)确定基础或桩承台高度、计算基础内力、确定配筋和验算材料强度时，传给基础的荷载效应组合和相应的基底反力，按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合计算，并应采用相应的分项系数 j：基础所受垂直力 1．2基础所受倾覆力矩及扭矩 1．4基础所受水平力 1．44 塔机基础设计与施工计划的配合目前不少工程项 目桩基工程往往有建设单位在工程土建施工单位投标之前已制定分包施工 ，于是塔机基础的设计与施工常常滞后于主体建筑桩基工程和地下室土建工程，给塔机基础布置与设计带来了不必要的麻烦，例如 j：1)沿海软土地区土质条件差，比较合理的塔基设计方案宜用桩基，但是工程桩已经提前打完，桩机已撤退，本来与工程桩一起施工多打几根桩很容易，现在不得不另谋方案。

2)一层地下室的土方已放坡开挖后才考虑塔机基础的施工，但塔机为附墙式，他又不能放在基坑放坡线之外，造成塔机基础分为位于原土，部分位于回填土的不利局面；同时，塔基土压力也对地下室侧墙有影响。

3)发生上述情况下，有时不得不考虑塔基下放到与地下室底板同一标高上，这种方案的问题是当地下室为回填土方时，塔身的一部分将被埋入土中；同时，塔基底板上部的土壤压在基础上，虽可增加塔机的整体稳定性，但也大大增加塔基上的土重，设计时应予注意。

5 塔机基础的抗倾覆稳定性以下就塔机抗倾覆的受力分析和基础设计时如何对抗倾覆进行有效的控制两方面展开阐述。

5．1 独立式基础I)独立式基础受力分析。

(1)基础受力分析：塔机基础在基顶处由塔身传来的力有：塔机作用于基础顶的竖向荷载 F、水平荷载 F 倾覆力矩(包括塔机 自重、起重荷载、风荷载等引起的力矩)荷载 M以及基础及其上土的自重荷载 G。(见图 3)。在以上各种力的作用下，以倾覆力矩作用最为不利，使塔机基础变为偏心受压独立基础，与轴心受压基础的区别是基底土壤的反力分布不同，因而在确定基础底面外形尺寸、基础高度和基底配筋时，需要考虑这一特点 ，并按基底土壤反力大的一侧来控制基础的设计计算。

(2)基础底面土壤反力分析：根据上述各种力的作用，利用力的平移法则，可将他们简化为作用于基底的偏心压力N (见图3a)其偏心距e=M ／N。(M。为作用于基底的总弯矩设计值，即M =M+F h；N 为作用于基底的总压力设计值，即N。=F+G)。偏心距e为合力N 作用点到基础中心点的距离，当N 作用点偏离中心点时，基底土壤反力产生最大、最小土壤反力；当N 作用点偏离中心点增大到一定位置时，只有最大基底土壤反力，而最小土壤反力为零。

口材之 =si● 口C · 88·2O13年 lO月I·J迂材Sichuan Building Materials2013年 第 5期第 39卷 总第 175期倾覆，规范要求桩主筋通长配置，主筋伸入承台的长度必须大于40 d(d为主筋直径)。

1)桩基础抗倾覆受力分析计算简图如图4，塔机的倾覆力矩 M在平面内是随机变化的，且当他在基础对角线方向时，基础处于最危险状态(因为该状态下只有对角线上的某一根桩承受拔力或承受压力)，验算时一定要取对角线上的两根桩进行验算抗拔和抗压。

M+F h±(F+G)Ll—R1L2=0(h为基础高度；L2为对角线上两根桩的中心距离；L =2L ；“±”中“+”为压力；“一”为拔力)对上式简化后得：R．： ④ =——— — ——— (‘ L2 。

引用JGJ4—8o(工业与民用建筑灌注桩基础设计与施工规程》 中承受拔力的桩基的抗拔稳定性计算公式(2—3—8)和单桩轴向受压承载力计算公式(2—3—4)得：T≤k'rtD∑lifi+0．9G ⑤P=,rrD∑li‘+ARi ⑥式中 T_单桩桩顶的轴向拉(拔)力，kN；一 抗拔容许摩阻力与受压容许摩阻力的比例系数 ，根据建筑物重要性 、荷载性质、桩的施工质量、桩的入土深度和设计参数准确程度等，采用0．4～0．7；D一桩径，m；li一桩周第 i层土的厚度，m；‘一桩周第 i层土的容许摩应力 ，kN／m ，按该设计与施工规程中的表2．3．4—1取值；P一单桩轴向受压容许承载力，kN；G一按设计桩径确定的桩身 自重，kNA一桩身横截面面积 ，m ；R；一土的容许端承力，kN／m ；按该规程中的表 2．3．4— 4取。

2)桩基础设计的控制。通过以上受力分析，桩基础设计必须从以下几方面进行控制：①桩类型的控制：对预制桩要慎重使用，因预制桩主筋较小，桩表面光滑，难以满足抗拔要求；还有预制桩的桩径较小，难以满足抗压要求。因此采用预制桩要重点验算其抗拔和抗压两个指标 ，条件允许的情况下最好采用灌注桩；②桩稳定性和均匀沉降的控制：桩侧受土压力作用，其稳定性需验算(与围护结构结合可不验算稳定性)。桩设计长度必须达到所需的持力层，否则影响沉降不均，特别是预制桩，其抗压能力靠持力层的承载力决定；③桩的成本控制：塔机的抗倾覆靠桩的抗拔来控制后，承台的尺寸规格可相对缩小 ，以降低基础成本，缩小量由验算确定。因此，塔机桩基础抗倾覆的控制，主要从桩 的抗拔来控制，与桩承台的尺寸规格大小关系不大。

采用桩基的情况主要有：①现场土质地耐力不满足；②现场场地受客观原因限制。

6 结 语塔机是高层建筑施工垂直运输 的核心施工机械设备，在施工过程中，塔机使用的安全直接影响到工程的施工进度质量以及成本问题，进而影响企业的形象和声誉。保证塔机使用安全必须从塔机基础设计阶段抓起，重视塔机抗倾覆的控制，从而降低成本投入 ，提高安全施工系数。

[ID：000725]参 考 文 献：[1] JGJ／T187—2009 塔式起重机混凝土基础工程技术规程[s].

[2] GB5007—2011 建筑地基基础设计规范[S].

[3] 徐立胜，任升高．塔式吊机基础设计合理性的探讨[M]．建筑施工，2003，25(3).

[4] GB／T13752—92 塔式起重机设计规范[s].

[5] 顾晓鲁，钱鸿缙，等．地基与基础[M]．3版．北京：中国建筑工业出版社，2003.

[6] 华南理工大学等．基础工程[M]．2版．北京：中国建筑工业 出版社，2008.

[7] JGJ4—80，工业与民用建筑灌注桩基础设计与施工规程[S].

(上接第 81页)由其实用功能所决定的，这是工业厂房建筑设计的局限性。

建筑外观设计长期以来被忽略，但随着工艺的革新、结构形式的变化、建筑材料的发展，加上人的创作意识等，个体建筑的体型空间组织及其艺术处理还是能够变化的。从总体上来说 ，个体建筑造型主要靠结构构件、围护构件以及色彩来体现，要符合工业厂房自身应有的简洁、明快的建筑特点。如动力中心主厂房的汽机房、除氧间、煤仓间、锅炉间这四大部分，决定了以锅炉房为主体的阶梯式体形轮廓，而建筑体型感强烈的锅炉房与烟囱已经诠释了他的内涵。

5 结 语由于动力中心工艺的特殊性，其设备和管线布置相对集中，而系统又长，并且对防水、防火、防腐蚀、防振动以及防静电等有严格要求，所以对动力中心各建筑物的建筑设计不同于一般的工业厂房设计，因此在这类建筑的设计上，一定要备加细心 ，同各专业人士多加沟通，及时解决各种可能出现的问题。

[ID：OOO644]参 考 文 献：[1] GB 50352—2005 民用建筑设计通则[s].

[2] GB 50229—2006 火力发电厂与变电站设计防火规范[s][3] GB 50016—2006 建筑设计防火规范[S].

[4] GB 50011—2010 建筑抗震设计规范[S].