既有建筑結構頂蓋增設塔機基礎的設計思路和要點分析

摘要：結合中交云灣庭項目，闡述了二批次塔機選型、定位、基礎專項設計、下部結構安全性復核驗算和方案專家論證等內容，總結出一系列在既有建筑結構頂蓋上增設塔機基礎的設計思路和施工要點，并對蓋上應用的特殊性、塔機選型與定位思路、降低風險的措施進行了闡述。

關鍵詞：既有建筑；結構頂蓋；塔機基礎；設計思路；復核驗算

0" "引言

隨著國家經濟社會的穩步發展，城市軌道交通建設越來越多，相應的TOD項目（以公共交通為導向的發展模式的項目）也應運而生。很多TOD項目一級和二級是分階段開發的，或者二級還在施工階段一級就需要投入使用。這就導致二級開發真正實施時，一級結構已經完工，需要在一級的結構頂蓋上增設用于二級施工的設備基礎。本文結合中交云灣庭項目，對既有建筑結構頂蓋上增設塔機基礎的特殊性進行了梳理，提出了此類工況塔機選型定位要點，介紹了此類塔機基礎的常規設計形式，并對塔機基礎的設計思路和施工要點進行了深入分析。

1" "工程概況

中交云灣庭項目位于佛山市南海區，為佛山地鐵2號線車輛段TOD蓋上二級開發項目。項目無地下室，裙樓一層是蓋上小區的車庫層，裙樓二層主要為地鐵車輛段層，是地鐵車組的運營服務區域，均為一級開發區域（后文中裙樓兩層簡稱蓋下）。裙樓頂蓋上主要由高層住宅、商業、學校、公建配套等建筑構成（后文簡稱蓋上）。

本項目蓋上施工時，蓋下主體結構已施工完畢，蓋上主體結構施工初期，蓋下的車輛段層就需要正式投入使用。鑒于以上情況，蓋上的塔機基礎無法采用塔身穿樓板，將基礎置于天然地基或樁基的形式，也無法采取蓋下臨時回頂支撐等常規技術措施。項目二批次主樓，由于蓋上開發順序調整，原蓋下結構預留的塔機加強區域不再具備使用條件，需要在既有的蓋下結構頂板上另行尋找合適位置布置塔機。

2" "蓋上塔機選型和定位的思路

TOD項目塔機的選型和定位除考慮滿足施工需求外，還需注意其特殊性。在蓋下結構的頂蓋上增設塔機基礎時，蓋下結構已經施工完畢，其所能承受的外力極限就是固定的，所以塔機選型時，應盡可能選擇規格小的型號。這樣塔機對下部結構施加的外力較小，結構安全系數較大，結構發生損壞的可能性較低。

二批次塔機選型過程中，對不同廠家、不同型號的塔機，按照天然地基的形式進行地基承載力驗算。選取徐工XGT6013-6S1和中聯WA6013-6A型塔機進行對比，其最不利工況下地基承載力需求如表1所示。計算參數均來自各自的廠家說明書，取最大獨立高度40m時（此時為最不利狀態），工作狀態和非工作狀態下的彎矩、水平力、垂直力和扭矩。其中：PKmin和PKmax分別代表荷載效應標準組合時，基礎底面邊緣壓力的最大值和最小值；PK代表基礎軸心荷載作用應力時，基礎底面壓力值。經過品茗安全計算軟件驗算可知，相同工況下，中聯QTZ6013型塔機對地基承載力需求更小，所以選擇將該塔機作為二批次主要垂直運輸工具。

蓋上塔機的定位有一些特殊性。通常情況下，未在前期蓋下設計時加強過的結構板，承受荷載能力無法滿足塔機基礎的受力需求。塔機隨著吊重和大臂擺動帶來的力矩變化，體現到基礎上就是基礎邊緣受力特別大，且基礎四周都有可能成為受力最大位置，這對蓋下的結構板極為不利。

一般通過下部結構的框架柱結合轉換梁的方式來設計基礎，將塔機基礎的受力，直接通過轉換梁傳遞到下部結構柱，以避免傳力至頂蓋永久水平構件，導致不必要風險。當然也有可能塔機可選位置位于柱距很大位置，對此可優先考慮直接利用結構本身的大跨度梁作為傳力件。如果原結構梁承載能力不足，再綜合考慮其他方案。本項目二批次塔機就遇到了這種情況，最終選擇在原結構大跨度轉換梁上增設塔機基礎。

3" "塔機基礎的設計思路和驗算方法

3.1" " 塔機基礎受力特征分析

塔機的獨立狀態及塔機與鄰近建筑物無連接狀態。此時塔機所有受力傳遞至基礎，通過基礎保持其穩定。當塔機超過最大獨立安裝高度時，就必須設置水平附墻裝置，將大部分扭矩和水平力傳遞至主體結構吸收抵抗。此時傳遞至基礎的力矩顯著減少，相應地基或下部結構需要承受的極端荷載反而更小。為此進行塔機基礎設計時，選用塔機的最大獨立高度受力組合作為驗算依據。

項目一批次塔機基礎設計過程中，專門對相同基礎尺寸時，最大獨立高度狀態（安裝高度40m且無附墻狀態）和最大安裝高度狀態（安裝高度118m有附墻狀態）對地基承載力的要求進行了驗算。結果顯示，在最大獨立高度時，塔機對地基承載力要求遠大于最大安裝高度時的要求，也進一步印證了塔機最大獨立高度狀態為基礎受力最不利狀態。

3.2" " 塔機受力工況分析

塔機出廠時，廠家說明書都會列表說明不同大臂長度組合下，最大獨立高度以內，塔機傳遞到基礎的受力組合。但此受力組合是將塔身模擬成一個整體在對基礎進行外力施加。對于傳統的板式基礎，JGJ/T187《塔式起重機混凝土基礎工程技術標準》有詳細的計算方法，本文不再贅述。

在做特殊基礎形式結構設計時，無法簡單的將塔機受力看成作用到基礎中心的一個點，而是需將塔機4個支腿的不同受力工況清晰準確的表達出來。這需要塔機廠家的技術支持，可以通過廠家技術函件的方式獲取。

本項目塔機廠家中聯結合項目兩臺塔機的施工工況，出具了技術函件，明確了此型號塔機在最大獨立高度40m時所有工況和安裝臂長下的支點反力，最大力出現在安裝臂長55m，0°和45°方向風的工況，并明確了每一個支腿反力的具體大小，為基礎設計提供了有力支撐。中聯WA6013-6A型塔機40m獨立高度55m臂長時支腿反力如表2所示。表2中的負數表示拉力，正數表示壓力；RA、RB、RC、RD分別表示塔機四個角的支腿反力。技術函件中0°方向風和45°方向風如圖1所示。

再根據廠家提供的受力組合對基礎結構進行設計，并對下部結構安全性進行驗算。需要特別注意的是，廠家只給了兩個方向，此類基礎做到了既有結構上，與天然地基默認在基礎范圍內地基承載力都相同的設定不同，既有結構各個位置的承載力都不相同，所以在驗算時需代入0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°八種工況進行驗算。

3.3" " 利用原結構模型進行安全性驗算

獲得清晰的塔機受力組合后，就需要對塔機基礎進行專項設計并對下部結構的安全性進行驗算。下部結構受力比較復雜，除了塔機新增的受力，主體結構隨著施工自重也在不斷加大，下部結構的裝修和使用也會引起結構受力變化。本項目二批次塔機基礎位于主體結構的結構轉換梁上，轉換梁本身要承載主體結構的部分荷載，此部分荷載若沒有整個項目的整體模型，很難準確的進行測算。為此在有條件的情況下，最好直接在原結構設計已經完善的模型上直接新增塔機基礎及其附屬構造，避免另行局部建模，從而導致荷載考慮不全面、不充分的影響，確保項目安全實施。

3.4" " 設計注意事項

3.4.1" "新增設的結構與原結構連接位置不要有負壓力

在塔機基礎設計時，由于傾覆力矩的作用，有可能基礎邊緣會產生負壓力，相當于塔機基礎的一側受壓，而另一側受拉。但在塔機基礎施工時，下部結構已經完工，新增加的塔機基礎及附屬構件與原結構交界部位，必定存在施工縫。

為了避免對原結構的破壞，此處鋼筋多采用植筋方式進行連接，施工質量可靠性較弱。為避免出現風險，在進行基礎設計時，可適當增加基礎厚度及基礎自重，保證連接部位在最不利狀態下始終保持正壓力，防止出現傾覆風險。本項目塔機廠家說明書中，基礎最小尺寸為5.4m×5.4m×1.0m，進行塔機基礎設計時，按相關規范取夠安全系數后，將基礎截面增加至6.0m×6.0m×1.1m，以保證塔機在極端工況下的抗傾覆能力。

3.4.2" "盡可能減輕質量

前文也提到過，在下部結構已經施工完成的情況下，新增的荷載越小，下部結構的安全冗余度越高，下部結構安全系數就越大。所以在滿足設計規則和安全系數的前提下，新增結構要盡量設計的輕巧，以減少結構自重，從而降低安全事故發生的可能性。

3.4.3" "規劃好基礎與原結構傳力路徑

傳統的板式塔機基礎與地基或下部結構貼合的越緊密越好，但對于既有結構上增設的塔機基礎，在設計時就需要將傳力途徑考慮清楚。比如結構頂板是原結構受力的薄弱部位，一般設計時不將其作為傳力構件進行考慮。在基礎施工時，一定要將新增的塔機基礎和原結構的頂板作脫開處理，以避免出現設計外的傳力途徑，導致既有結構的意外損壞。

3.4.4" "周邊區域正常施工荷載要預留足夠

蓋上施工不同于常規地面，蓋下設計時一定要按照不同區域的需求取活荷載。受施工場地限制，不太可能做到蓋上塔機周邊很寬的區域，不做任何使用。需要提前規劃好整個場地的各階段總平面布置，將施工過程中可能發生的荷載組合形式都考慮進行，并在基礎設計和下部結構安全性驗算的時就一并代入，從而保證不同施工階段施工始終安全。

4" "降低風險的措施

在做基礎設計時，可以考慮采用最不利狀態進行驗算，但是在實際施工中，還需要采取一定施進一步降低安全風險。

4.1" " 按最大獨立高度驗算并降低實際初裝高度

本項目塔機基礎設計和結構安全性驗算時，均按照55m臂長，最大獨立高度40m進行驗算。塔機使用中，對基礎最不利的因素為傾覆力矩，它將導致基礎受力向某一個方向聚集，受力集中。如果能有效降低傾覆力矩，對塔機本身和原結構的安全均有很大益處。經過反復研究，最終確定3#塔機大臂60m初裝高度28m，4#塔機大臂45m初裝高度36.4m，即可滿足正常使用需求。此時傾覆力矩比驗算的最不利狀態分別降低26.3%和6.7%。初裝高度以上頂升時，可安裝第一道附墻或增加一道臨時附墻，以降低基礎受到的傾覆力矩，降低安全風險。

4.2" " 嚴格控制周邊堆載

塔機周邊一定區域內，可采用圍擋隔開，嚴禁增加額外的荷載，保證結構安全。

4.3" " 做好下部結構受力構件監測

要做好監測工作，特別要注重下部結構受力構件的監測。蓋上塔機基礎直接作用于下部結構的受力構件，若下部構件發生破壞，最直觀的表象就是結構開裂。為此加大對下部結構受力構件的監測，比進行塔機基礎的沉降觀測和塔身的垂直度觀測更直接有效，更容易發現危險源。

5" "結語

本文結合中交云灣庭項目，闡述了二批次塔機選型、定位、基礎專項設計、下部結構安全性復核驗算和方案專家論證等內容，總結出一系列在既有建筑結構頂蓋上增設塔機基礎的設計思路和施工要點，并對蓋上應用的特殊性、塔機選型與定位思路、降低風險的措施進行了闡述，同時對特殊環境下塔機基礎設計的注意事項進行了深入分析，為今后類似工程摸索出了一套有效的解決方案，降低了因考慮不周而可能發生的風險。

參考文獻

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