塔式起重機的基礎設計創新形式研究*

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隨著我國建筑施工技術的發展，高層建筑增多、地下空間被充分利用，建筑施工的高度越來越高，建筑面積也越來越大，因此對于塔式起重機的選型、布置及基礎設計等都提出了很高的要求，其設計施工所占的措施費用比重也相對較高。對于不同的施工現場來說，塔式起重機型式的選擇、安裝的部位以及地基情況等條件存在很大差異，使得塔式起重機基礎形式呈現多樣性，制造商在塔式起重機使用說明書中提供的基礎圖已不能適應千變萬化的工程特點和現場環境。因此，在安裝塔式起重機前，經濟合理的配置、選擇和設計塔機基礎對整個施工過程中的安全保證、事故隱患消除、節約降本、技術高效等都起著關鍵的作用。本文的目的就是針對各種環境條件下基礎形式的選擇和設計作一個統籌建議和匯總，也能對后續施工中塔機基礎的設計提供一定的借鑒和參考。

1 塔吊基礎應用及發展現狀

塔式起重機基礎設計形式大致有行走式、底座固定式和基礎固定式3 種：行走式主要采用軌道基礎，包含碎石基礎和混凝土基礎2 種；底座固定式包含弱底架和強底架2 種。弱底架的剛度較差，一般采用十字交叉形的混凝土基礎，強底座的剛度較好，一般采用分塊式鋼筋混凝土基礎，在底架的四角預制4 塊獨立的正方形基礎；基礎固定式包含整體式鋼筋混凝土基礎和樁基承臺式鋼筋混凝土基礎2 種，大多采用方形截面，條件許可時甚至可做成建筑物地下底板、地梁等結構的一部分，樁基承臺式基礎大多為四樁方形承臺和十字叉形承臺，條件許可時可以利用工程樁，承臺可以做成建筑物底板的一部分。

目前，世界各國普遍采用基礎固定式塔式起重機作為中高層建筑物的施工機械，而現有的基礎固定式塔式起重機均采用現澆式鋼筋混凝土基礎，體積尺寸比較大，混凝土用量和配筋均很可觀，且無重復利用價值，而且由于對原有結構的影響，一般需要在工程結束后鑿除這些基礎，造成費工費時及各種環境污染。

1997年，組合式混凝土預制構件塔式起重機基礎由北京勁旅建筑集團工程師趙正義發明并研制成功，媒體簡稱“趙式塔機”。1999年7月在北京通過了鑒定，獲得國家實用新型專利。該項專利形成了對傳統整體現澆式鋼筋混凝土塔式起重機基礎具有革命性換代意義的完整的新技術體系，但該項技術僅在部分省市推廣使用，并未在全國大部分省區形成大面積使用的效應。

2 固定式塔機基礎存在的問題[1-3]

目前我們一般使用的固定式塔式起重機基礎絕大多數采用的都是現澆鋼筋混凝土基礎承臺，承臺一般為矩形，少部分為三角形，厚度一般根據錨腳長度而定，約為1 300 mm；邊長根據地基情況而定，對天然基礎，一般需6 000～7 000 mm，如地基承載力較低，還需根據計算情況增加；對樁（立柱）基礎，一般需4 000～5 000 mm；配筋方面，因為最小配筋率的限制，一般都為Φ22～25 mm@200 mm。另外由于地基承載力的原因，在軟土地區一般均需要采用樁（立柱）基礎方可滿足要求，樁一般都是另行打設，因此綜上所述，采用這種固定式塔機基礎有以下問題和不足：

（a）基礎形式的選擇上比較單一；

（b）混凝土用量和配筋量均很可觀，且無重復利用價值；

（c）受基礎形狀的限制，基礎樁或者立柱樁無法與工程樁完全結合；新增設的樁對永久結構的受力有一定的影響；

（d）可能影響到一部分永久結構的施工及后續建筑使用功能上的隱患；

（e）一般需要鑿除這些基礎，造成費工費時及各種環境污染。

3 固定式塔機基礎的新進展[4-6]

近年來，塔式起重機基礎的發展趨勢是向輕量化、重復使用、組裝拆卸快捷、社會效益和經濟效益明顯等方面發展。為了克服傳統塔式起重機基礎存在的諸多弊端并且實現上述技術目標，我們可通過分析塔式起重機基礎的受力性能以及基礎與地基的相互作用關系，來進行基礎的改進和優化，下面就目前已有的一些做法和尚未實施的一些想法作一個匯總，并提出一些使用條件和合理建議以供參考。

一般來說，目前已有的基礎形式和后續可實施的基礎形式均可分為三大類：一是另行制作，不利用永久結構的基礎；二是可利用永久結構的基礎；三是預制集成拼裝化的可拆卸重復利用的基礎。

3.1 不利用永久結構的基礎

不利用永久結構的基礎可分為固定式基礎、壓重式基礎、梁柱式基礎等。

3.1.1 固定式基礎

固定式基礎一般有天然基礎、樁基礎和格構式立柱高承臺基礎。

天然基礎一般為矩形，也可做成十字形（圖1），適用于土質條件較好的施工場地，且在塔吊基礎埋置深度范圍內最薄處不小于1.5 m，土層地基承載力特征值不小于210 kPa。對于地基承載力較小的土層，使用天然基礎需擴大其底面積，鋼筋混凝土用量、人工及后續鑿除的工作量均較大，經濟性不強。當基礎高度因需滿足塔式起重機預埋螺桿的要求而較高時（如h≥1 350 mm），為減少材料及工耗，可采用坡形頂面或臺階形頂面的基礎，這種做法對樁基礎也同樣適用，基底面積一般沒有變化，基底反力分布也不受影響，但坡形頂面或臺階變階處需滿足抗沖切要求。

圖1 天然基礎形式示意

樁基礎通常適用于施工場地土質條件差且在塔吊基礎埋置深度適用范圍內無穩定原土層或者置換土層，或受場地限制須將塔吊基礎深埋的情況（如埋置在地下室底板下）。樁型原則上選用與工程樁同類型樁型以利于施工方便，樁數原則上為4 根，以形成群樁承載。為增加塔吊基礎穩定性，也可以做成3 根樁形成的等邊三角形承臺。如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 四樁承臺

圖3 高樁立柱承臺

圖4 三樁承臺

對于地下室面積較大、埋深較深（一般超過7 m）、特別是有主裙樓而裙樓面積大、主樓較高、塔機需附墻設置而必須穿過裙樓結構的情況，可在基礎樁中接入鋼結構立柱（一般是做成角鋼格構柱）形成高樁承臺，承臺位置一般需與結構頂板及支撐位置兼顧協調考慮。

3.1.2 壓重式基礎

壓重式塔吊一般有2 種形式：軌道式和固定式，常用來在結構制作場地作為垂直運輸機械，也可用于高度不高于45 m的建（構）筑物。壓重式塔吊的底座面積都比較大，呈正方形，壓重塊一般都設置在塔身下部，塔吊上部傳遞下來的荷載由下部4 個支座來承受，4 個支座安裝在4個獨立基礎或軌道上，也可以是一整個基礎上（圖5）。由于塔身置于整個塔座的中央，壓重塊在整個塔底座面積上分布安放。塔身與四周的邊緣形成力矩關系，在塔吊負重時，形成力的平衡關系，防止傾覆。

圖5 壓重式基礎

壓重式基礎的優點在于其基礎厚度滿足抗彎、抗剪及抗沖切等受力要求即可，不存在基礎高度因需滿足塔式起重機預埋螺桿長度而過厚的情況，因此比固定式塔機基礎要來得經濟，且安裝拆卸方便，但其對地基承載力的要求較高（一般需滿足土層地基承載力特征值不小于180 kPa），且建筑適用高度有限制，一般不能設置附墻，少數類型的塔機可以設置1 道附墻。

軌道式基礎一般適用于行走式塔式起重機，對于長寬比較大的建筑物和場地，且建筑物高度不超過40 m（如展覽館、倉庫等）時，使用行走式塔機較為經濟。目前的發展趨勢是推行裝配式鋼筋混凝土縱梁式軌道基礎。在2 根縱梁之間設置若干鋼筋混凝土連系梁，以保證軌距不變。

3.1.3 梁柱式基礎

梁柱式基礎主要是基于前述固定式基礎而進一步優化發展而來。

一般來說，對于固定式塔機基礎，其主要受力點在于底腳所在處，作用在底腳上的集中力通過合成彎剪扭的方式由基礎傳遞給地基或者立柱，對于天然基礎，其基底面積決定了反力的分布，面積越大則反力越小，并以此來適應不同的地基承載力；但對立柱基礎或者樁基礎，基礎面積并不起決定作用，而是立柱或者樁基承載力，因此將承臺基礎設計成梁格形式，可以簡化受力，節約材料和人工，也符合我國關于深入推進建筑節能、加快發展綠色建筑、減少建筑建造和使用過程的能源資源消耗的政策，其推廣應用對于建筑施工節能、綠色施工、減少能耗等具有重要的意義。

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梁柱式基礎形式主要設計構想就是將塔機錨腳直接設置在主梁（也可以通過一級次梁傳遞到主梁上）并通過梁的受力傳遞到樁或者立柱上，梁截面的設計除應滿足強度、變形和構造要求外，尚需考慮塔機錨腳的埋置深度，同時還要考慮梁的側向穩定性，對高樁基礎還需考慮梁柱的整體穩定。

由于梁格的布置在平面上可以基本不受限制，因此梁端立柱樁位的選擇可以全部利用工程樁，而不必再另外打樁，但考慮到經濟合理性及梁柱的整體穩定性，建議梁的跨度以不超過8 m為宜，梁格布置以不超過二級次梁為宜，梁截面高度不超過1 400 mm（圖6）。

圖6 梁柱式基礎平面示意

該種基礎的最大優點是可充分利用工程樁而不必另外增設樁位，且梁格能充分受力，傳遞荷載清晰，材料上和人工上都能有很大的節省降本空間。缺點與固定式基礎一樣，也是不能重復利用，需要鑿除基礎，造成費工費時及各種環境污染等，因此此法如能與永久結構結合則更好。

3.2 利用永久結構的基礎

永久結構可以指建筑物地下室或者上部結構柱梁板，也可以是基坑支護結構中的擋墻、支撐、立柱等臨時構件。按照以上說法，并結合目前已有的工程應用，此類基礎可分為：僅利用永久結構柱、利用永久結構柱梁并加強、利用支護結構、利用大底板、綜合利用等幾種情況。

3.2.1 利用大底板

針對塔機須穿越地下室結構梁板的情況，如前述的鋼立柱高樁承臺，在基坑挖深不大于5 m的時候（一般為地下1 層），考慮到節約降本，在各方面條件允許的情況下，可先施工一部分底板結構作為塔機基礎，這樣既節省了基礎費用，又無需后續鑿除，是最為經濟的做法。對于地下室底板結構為筏板結合下翻承臺的形式，此法最為適用，一般將塔機位置布置在某個柱網網格的中央，利用該網格內的筏板結構和四角的4 個承臺樁承載塔機荷載，如底板厚度不足，可考慮將局部范圍的底板加厚做成上翻或者下翻的臺階。

3.2.2 僅利用永久結構柱

針對塔機須穿越地下室結構梁板的情況，如前述的鋼立柱高樁承臺，在基坑挖深大于5 m或者可能達到十幾米的時候，考慮到節約降本，且應避免地下室結構開洞的情況下，可考慮利用地下室結構柱，在頂板柱頂上設置基礎梁作為塔機承載結構，基礎梁底應與永久結構梁板分開受力，通過短柱與結構柱連接并傳遞荷載。此法在柱距大于5 m時，考慮到基礎梁設計截面及配筋均較大，不建議采用。此法缺點仍然與固定式基礎一樣，不能重復利用，需要后續鑿除。

3.2.3 利用永久結構柱梁并加強

在4.2.2的基礎上，不另外再施工基礎梁，而是直接利用結構頂板梁，必要時增加一些輔助次梁，通過輔助次梁→結構梁→柱→底板的路徑將荷載逐級傳遞到地基上，如結構梁不能滿足承載力要求，可將其通過增加截面、增加配筋量等臨時措施予以加強以滿足要求。這種方法基礎即為永久結構的一部分，無需工后鑿除，較為經濟環保。

3.2.4 利用支護結構

如基坑支護設計采用鉆孔灌注樁或者地下連續墻等強度和剛度均較大的結構，且塔機位置可作適當調整的情況下，可將基礎位置調整至支護結構附近，全部或者部分利用支護結構承載塔機基礎，如能全部利用支護結構，則不另外再增設立柱樁或者其他承載構件，否則應增加立柱樁與支護共同承載。如后世博B片區央企總部B02、B03地下空間工程的塔吊基礎就直接利用了地下連續墻作為基礎承載構件。

3.2.5 綜合利用

所謂綜合利用就是將上述幾種方法中的幾種結合起來運用，例如在適當的條件下，可以利用支護結構及永久結構柱梁共同作為基礎的承載點，一方面利用支護結構的強度和剛度，另一方面也可避免對永久結構作過多的加固，影響原建筑的使用功能或者施工功能。

3.3 預制集成拼裝化基礎

塔式起重機基礎的最終發展趨勢是預制集成化，目前來看，預制集成化有2 種形式，一種是預制混凝土拼裝式基礎，另一種就是鋼結構拼裝式基礎，其中鋼結構近年來不僅發展較快，而且勢頭較猛，顯示出極好的應用前景，從發展趨勢看，鋼結構肯定是今后發展的熱點。

對于預制混凝土基礎構件，其設計構思的原則應是力求做到構件數量最少化、構件形式最簡化、構件連接最優化，因此這類基礎形式應結合盾構管片連接的優點特點以及木結構構件連接的一些特點，結合形成一種榫式連接預制塔式起重機基礎制作的思路；對于鋼結構基礎構件，構思原則應是利用高強螺栓，因其施工方便、拆除靈活、受力明確、安全性好等優點，可成為鋼結構基礎的主要連接手段。

預制基礎的優點是環保高效、裝拆方便、重復利用率高、無需養護等，但其制作精度以及變形控制要求相對較高，如精度不夠或者周轉次數較多的情況下，會影響拼裝以及節點結合的緊固性，從而也會影響其承載力，因此設計時應考慮到這些因素。

4 結語

塔式起重機基礎形式的選擇應根據建筑工程的所在場地條件、建筑結構條件、地質條件、塔式起重機本身的特點予以綜合評判確定，最終目的就是要采用最為簡潔、最為經濟合理的基礎形式來滿足塔式起重機基底承載力的要求，從而起到節約降本、安全環保、提高工效的效果。