強風地區獨立式塔吊方案設計與塔吊基礎計算分析

梅斌

（中鐵十八局集團北京工程有限公司 北京 100162）

1 工程概況

NO.2016G60房建工程位于南京市江寧區仙林副城青龍片區，項目基地北至三陽路、西至河清路、冬至東流路、南至四望路。共包含住宅1#-10#樓，S1、s2商業，1#、3#配電房、門衛及配套地下車庫工程，總面積146930.97m2，地上17層，地下1層。房建項目名稱為NO.2016G60地塊項目，建設單位為南京匯隆房地產有限公司，施工單位為中鐵十八局集團北京工程有限公司。

NO.2016G60地塊項目的房屋建筑高度50.25 m，地下車庫層高3.5 m，地上住宅層高3 m。建筑防火設計分類為二類高層建筑，建筑耐火等級為一級，建筑防水等級：屋面、種植屋面為一級，地下室為二級，抗震設防烈度為7度，主要結構類型為鋼筋混凝土剪力墻，設計使用年限為50 y。

本工程各主樓采用裝配整體式混凝土結構，預制構件有預制剪力墻、預制陽臺板、預制陽臺隔板、預制樓梯、預制疊合板，預制構件最大重量5.06 t左右，單塊預制疊合板凈跨最大3.8 m，PC結構最長3.4 m。裝配整體式剪力墻結構的抗震等級為三級。裝配式住宅預制裝配率（墻體、樓板、樓梯、陽臺等住宅結構中預制構件所占的比重）≥30%；預制剪力墻厚度為200 mm。預制裝配式預應力混凝土結構采用套筒植筋、高強灌漿施工的新技術施工工藝，將PC結構之間進行有效連接，增加了PC結構的施工使用率，提高施工效率。同時也帶來了吊裝問題，由于吊裝柱、結構墻板等單件的重量很大，這對塔吊的起重能力提出了很高的要求，需要起重設備能夠滿足單個構件起吊能力的要求，對塔吊的選型提出了高要求。

此外根據場地的實際情況和塔吊布置要求，并且經過對塔吊作業半徑的調查，施工塔吊需要布置在兩個建筑中間區域，距離兩棟樓房距離均較遠，塔吊的附著施工存在困難，經過業主和監理協商，最終決定塔吊必須采用無附著結構，這樣，針對達到50 m左右高度的高層建筑，獨立式塔吊的組裝高度達到了59 m，針對施工季節大風力概率較高的氣象情況，塔吊結構的安全和塔吊基礎的安全就變得尤為重要。

2 塔吊方案選擇

根據對塔吊廠家的調研，根據最大預制塊構件的重量（5.06 t）并考慮1.2的沖擊系數，最大吊重達到了6 t左右，根據現場樓距較近，為了減少塔吊的數量，降低造價，臨近的兩棟樓共用一臺塔吊，塔吊位于兩棟樓房中間，距離兩棟樓距離均較遠，不宜采用附著式塔吊。根據以上的實際情況，同時結合現場的施工半徑，經過權衡最終決定選擇QTZ100型塔式獨立型起重機，作為該項目的備選起重設備，該起重機的吊臂長65 m，滿足現場作業半徑的要求，根據塔吊廠家提供的資料和參數，采用獨立式塔吊，塔吊豎向桁架的總裝高度為59.04 m，吊臂下緣到塔吊基礎頂面之距為51.56 m，最大起吊作業高度50.5 m，塔吊的最大起吊作業高度能夠滿足施工要求，最大吊重8 t也滿足要求。

當塔吊達到最大高度時，獨立式塔吊結構的總重（不含配重）G=48 t，平衡重16 t，合計64t。塔吊主體的標準節高度2.5 m，重量10.6 kN，尺寸1.8×1.8 m，主桿件采用直徑146×16 mm無縫鋼管。吊臂長度：65 m。

塔吊的額定工作力矩=1000 kN·m，最大工作力矩=1396 kN·m。塔吊的工作幅度為2.4~50m，最大幅度額定起重量2.25 t，最大額定起重8 t。此外，塔吊的正常工作風壓250 Pa，非工作風壓1100 Pa。根據表塔吊的安裝說明，塔吊的基礎厚度不得小于1.5 m，根據施工場地的實際情況，采用的塔吊基礎尺寸為：長5.6 m×寬5.6 m×厚度1.5m，材料為C35混凝土。

3 塔吊基礎受力與荷載分析

3.1 塔吊受力分析

由于該工地位置位于風口地區，且施工季節可能出現的瞬時風力較大，經過調查，該地區的有可能遭遇臺風襲擊，風速可超過35 m/s，對獨立式塔吊會形成嚴重的安全隱患。由于采用了獨立式的塔吊結構，塔吊結構與建筑結構沒有設置附著，那么風力荷載會對塔吊基礎會產生較大的偏心距，并且隨著塔吊組裝高度逐漸攀升，則風荷載對塔吊基礎的效應越大，甚至基底可能出現拉應力而產生應力重分布（土層結構不能承受拉應力）現象。顯然，最不利的情況是獨立式塔吊拼裝到最大高度59.04 m時，塔吊基礎的受力最大。

為了確保施工的安全，根據塔吊操作規程，由于風速較大特別是極端大風天氣必須停止作業的，并且塔吊的吊臂應當置于順風向，減小吊臂對基礎的力矩。基于以上分析，塔吊應該兩個危險情況進行計算：（1）情況一：塔吊到最大高度時，工作狀態下達到風壓強度，根據塔吊的說明書，工作條件最大風壓強度為250 Pa（相當于8級風），由于風速小，該工況塔吊基礎的應力控制設計；（2）情況二：塔吊到最大高度，非工作狀態下達到最大風壓強度，根據調查得到的當地最大風可達到42 m/s，換算得后風壓強度按照1100 Pa計算，由于該極端天氣下，塔吊不得進行作業，因此該情況下的塔吊基礎穩定性控制設計。

綜上分析，需要對塔吊基礎進行兩種情況的計算：包括強度計算、穩定性兩個方面的計算，此外，還應對該基礎進行沖切計算。

3.2 塔吊基礎荷載分析

塔吊基礎荷載包括恒載和活載兩部分，計算如下：

恒載：（1）塔吊基礎的重量，鋼筋混凝土重力密度取24kN/m3，塔吊基礎混凝土自重為1130 kN。（2）塔吊結構重量，工作狀態下，640 kN（含配重）和最大工吊重80 kN，總重為720 kN；非工作狀態下不計吊重，總重為640 kN（包含配重）。

活載，只考慮風荷載，根據《建筑結構荷載規范》（GB5009-2012），風載強度ωk應該如下計算：

式中：

ω0：基本風壓(kN/m2)，根據3.1部分，工作狀態取0.25 kpa，非工作狀態取1.1 kpa；βz：高度Z處的風振系數，取50 m高度，取1.0；

μs：風荷載體型系數；按照《建筑結構荷載規范》，續表8.3.1中塔架的規定進行計算，塔吊主體結構的μs=1.54，吊臂結構的μs=1.3；

μz：風壓高度系數。取值1.6。

根據3.1的分析，兩種情況相應風載強度ωk值如下：

（1）工作狀態下，豎直塔架的風載強度：ωk=1.0×1.54×1.6×0.25=0.62 kPa。吊臂的風載強度：：ωk=1.0×1.3×1.6×0.25=0.52 kpa。

（2）非工作狀態：塔架：ωk=1.0×1.54×1.6×1.1=2.7 kpa，吊臂位于順風向，不計及風載影響。

根據以上風荷載的計算和分析，風荷載合力計算如下（風載強度乘以迎風面積）：

工作狀態下：塔架風荷載F工=0.62 kpa×30 m2=18.6 kN，吊臂風荷載F工=0.52 kpa×10 m2=5.2 kN；

非工作狀態下：塔架風荷載F非工=2.7 kpa×30 m2=81 kN，吊臂在順風向，不需計算。

3.3 荷載組合

根據以上荷載分析計算，參照《大型塔式起重機混凝土基礎工程技術規程》（JGJT 301-2013）進行荷載組合。荷載組合系數：對恒載（自重、配重、起吊重量）取分項系數1.35；對活載（風載）取1.4。分2種荷載組合進行計算。

（1）荷載組合1，獨立式最大高度59 m，工作狀態最大風力條件下，恒載（包括吊重80 kN）與風荷載組合。

符號規定如下：

FK1：塔吊相關荷載（塔架自重+配重+最大起重重量）標準值，為720 kN；

GK1：混凝土的基礎重量標準值，為1130 kN；

Mk1：塔架、吊臂風荷載對基底產生的力矩（塔架力臂取值30 m，吊臂力臂取50 m）：

Mk1=18.6×30+5.2×50=818 kN·m。

（2）荷載組合2：獨立式最大高度59 m，非工作狀態，最大風壓強度下，恒載（不含吊重）與風荷載進行組合。

FK2：塔吊相關荷載（塔架自重+配重）標準值，為640 kN；

GK2：混凝土的基礎重量標準值，為1130 kN；

Mk2：塔架風荷載（吊臂在順風向，不計算風載力矩）標準值對基底產生的力矩：

4 塔吊基礎計算

4.1 塔吊基礎強度計算

計算按照基礎的獨立基礎計算，基礎尺寸為：長5.6 m×寬5.6 m×厚度1.5 m。截面面積A=31.36 m2，抵抗矩為：29.27 m3，地基強度計算的荷載取標準值：

（1）荷載組合1強度計算：

基礎底面的最大、最小應力為：

基礎最大最小壓應力均為正值，沒有出現應力重分布。

地基處理后承載力特征值為200 kPa>84.3 kPa，滿足要求。

（2）荷載組合2強度計算：

出現了應力重分布，e=M/N=1.19 m 計算得到應力重分布系數λ=2.5，

最大壓應力為：λ(FK2+GK2)/A=141 kPa<200 kPa，滿足要求。

4.2 抗傾覆穩定性計算

根據分析，對于獨立式達到最大高度時，荷載組合2下，豎向壓力小（沒有吊重），水平風荷載大（超過12級），因此塔吊基礎的傾覆風險最大，所以以下只計算荷載組合2的傾覆穩定即可。抗傾覆計算分析如圖1所示。

圖1 塔吊基礎穩定性計算示意圖（單位：m）

傾覆力矩為風荷載設計值對基礎D點取矩；穩定力矩為基底形心豎向合力對D點取矩。M穩≥1.2M傾（參照《大型塔式起重機混凝土基礎工程技術規程》。

根據3.2和3.3部分的計算，荷載組合2條件下的穩定力矩M穩為豎向合力對基礎的傾覆邊取矩，傾覆力矩M傾為水平風荷載對基礎的傾覆邊取矩。

穩定力矩M穩和傾覆力矩M傾如下：

M穩/M傾=1.97>1.2滿足要求。

4.3 基礎受沖切承載力計算

依據《建筑地基基礎設計規范》需對基礎進行沖切計算，如圖2示。對荷載組合1和荷載組合2均需進行計算。

圖2 塔吊基礎沖切計算圖式（單位：mm）

其計算公式如下：

βhp：受沖切承載力截面高度影響系數，取0.9。

ft：混凝土軸心抗拉強度設計值，C35混凝土，取值1520 kPa。

am：沖切破壞椎體最不利一側計算長度，am=（at+ab）/2=3.3 m，at為沖切錐體最不利一側斜截面上的邊長為1.8 m；ab為沖切破壞錐體的最不利一側斜截面在基礎底面積范圍內的下邊長，ab=1.8+2×1.5=4.8 m。

h 0：基礎沖切破壞錐體的有效高度，取1.5 m。

允許沖切力設計值：0.7βhp×ft×am×h0=0.7×0.9×1520×3.3×1.5=4740 kN。

Fl：相應于荷載效應基本組合時作用在A1上的地基土的凈反力設計值，為Pj×Al。

Pj：扣除基礎自重后相應于荷載效應基本組合時的地基土單位面積凈反力，對偏心受壓基礎可取基礎邊緣處最大地基土單位面積凈反力。

Al：沖切驗算時取用的部分基底土面積（陰影部分）：Al=0.4×(4.8+5.6)/2=2.08 m2；

經過計算，荷載組合1、2下的Fl依次為145.6 kN、258.8 kN均遠小于4740 kN，滿足要求。

5 結論

根據于南京市江寧區仙林副城青龍片區房建項目房屋間距較近的特點，綜合考慮了塔吊的工作半徑和吊重等數據，采用了一臺獨立式塔吊同時滿足相鄰兩棟樓的建筑施工，相當于節省了一臺塔吊，大大降低了造價。

針對房建地區在施工季節風級很大的特點，每年出現1-2次12級以上大風天氣，對獨立式塔吊基礎的強度和穩定性進行了計算，此外還進行了沖切計算，計算結果表明塔吊基礎的計算項目均滿足要求。在施工過程中出現了一次12級風的情況，塔吊的工作狀態良好，塔吊基礎也沒有出現任何異常。目前房建施工已經完成，塔吊正在拆除。施工實踐表明，無論是強風還是最大吊重狀態，該獨立式塔吊均能夠安然無恙，這可為相似工程的塔吊方案選擇和塔吊基礎設計提供借鑒。