塔吊基础设计计算的若干问题探讨

浙江宝业建设集团有限公司 绍兴 312028

0 引言

近年来由于高层建筑迅猛发展，施工中固定式塔式起重机使用量急剧增加，塔吊倾覆的重大安全事故也屡屡发生，而且造成的后果往往比较严重。在塔吊倾覆的诸多因素中，塔吊基础设计不合理是主要因素之一。因此为了保证塔机的安全使用，国家相关法规明确规定必须编制塔吊安全专项施工方案，方案中必须附具详细的计算说明书。但是目前存在2 个问题[1,2]：一是塔吊生产厂家或塔吊租赁供应方在使用说明书中对许多技术参数未予明确或明确不合理，未考虑风荷载地区差异引起的塔吊倾覆力矩的不同；二是编制专项方案的项目部技术力量薄弱，不能正确把握塔吊基础的设计计算方法，编制的计算说明书带有很大的盲目性而缺乏科学合理性，未按最不利工况进行设计，致使设计的塔吊基础有很多不合理现象：一方面存在大量的浪费；另一方面存在严重的不安全因素。因此，很有必要对塔吊基础设计计算中存在的问题作进一步研究，使基础设计计算科学合理，确保塔吊使用安全。

1 对塔机使用说明书的理解

1.1 塔机使用说明书存在的问题

各塔吊生产厂提供的塔吊使用说明书相差很大：

1）有的厂家提供了在各种地耐力条件及不同使用高度时比较齐全完善的基础施工图，而有的厂家仅提供一种或两种地耐力条件下的基础施工图；

2）有的厂家提供了作用在基础上的最大倾覆力矩、水平和垂直荷载等，而有的厂家仅提供了塔吊各构件的质量和最大起吊力矩；

3）大多数生产厂提供的基础图要求地耐力为200 kPa，而施工现场实际一般达不到上述要求；

4）未在使用说明书中明确所提供的倾覆力矩和基础图是在何种风荷载条件下，强调仅是一种参考，这往往引起使用单位的误解并加以套用。

1.2 塔吊使用说明书的正确理解

作用在塔吊基础上的倾覆力矩、水平力和垂直力3 个荷载中，垂直力的大小与塔吊使用高度相关，不同使用高度的塔身结构自重不同；水平力的大小与塔身自由高度（第1节附墙件高度）、风荷载大小密切相关，不同塔身自由高度的风荷载大小明显不同；倾覆力矩与塔吊结构自重力矩、起吊力矩及风荷载引起的力矩相关，它要考虑不同工况、塔身自由高度和风荷载大小。因此在塔吊使用说明书中可以对塔身自重、平衡配重和吊重及最大起吊力矩予以明确并对塔吊使用高度、附墙件设置作出规定，而风荷载的大小却与塔吊使用所在地的基本风压、地形地貌等密切相关，这是塔机生产厂家无法事先确定的，更无法对变化的各种风荷载条件作出水平力和倾覆力矩的计算。这说明塔机使用说明书所提供的作用在基础上的最大倾覆力矩和水平力等仅是一种参考，需要使用单位根据现场的实际风荷载条件进行设计计算[3]。

2 倾覆力矩的理解与计算

2.1 倾覆力矩的理解上存在的问题

从塔吊专项方案的计算书中普遍地反映出：

1）在塔吊使用说明书未提供倾覆力矩的情况下，认为说明书中提供的最大起吊力矩就是倾覆力矩，不清楚倾覆力矩的概念和含义；

2）取最大起吊力矩和风荷载引起的力矩和；

3）直接采用塔吊使用说明书中的倾覆力矩，而不同厂家提供的倾覆力矩截然不同，如QTZ63塔吊提供的倾覆力矩有1 832 kN 、1 350 kN、1 220 kN、870 kN、 630 kN等，说明厂家间对倾覆力矩的理解与计算也存在不同。

由于不能对塔吊倾覆力矩的概念和含义有充分的理解和把握，所以在塔机专项方案的计算书中很少有对塔机倾覆力矩进行计算或说明的。

2.2 倾覆力矩的计算

作用在塔吊基础中心上的倾覆力矩应包括塔吊工作和非工作2 种状态，应包括塔吊结构自重、平衡重的自重力矩，最大起吊力矩和风荷载产生的力矩3 个部分。其计算式如下：

1）自重力矩MG的计算：塔机结构自重、平衡重的自重力矩应计算塔吊各组成部件（平衡臂、起重机构、平衡臂拉杆、起重臂、起重臂拉杆、载重小车等）和平衡重对塔吊基础中心的力矩，起重塔身部分的构件可认为其重力通过基础中心不作计算。

2）起吊力矩MQ的计算：可直接采用塔吊使用说明书中提供的最大起吊力矩值。

3）风荷载产生的力矩MF的计算：

风荷载标准值计算式为：

（1）基本风压w0、风压高度变化系数μz应根据塔机使用所在地的实际情况取值计算；

（2）风荷载体形系数μs应考虑桁架和塔架2 种情况计算，取其较大值；

（3）挡风面积按塔身构件的实际阻风面积计算；

（4）风荷载作用高度应根据地面到塔顶的实际高度计算，风荷载引起的对塔吊的水平力可按塔身分节计算，也可先计算出塔顶的最大值，然后按沿塔高线性变化计算。

3 荷载分项系数的取值

3.1 荷载分项系数取值的问题

由于塔吊是建筑工程施工过程的辅助设备，而不是建筑物本身，对作用在基础上的各荷载没有相应的规范标准对此作出规定。因此在塔吊基础设计计算中，往往会对作用在基础上的力和力矩的荷载分项系数取值产生误解，通常会有以下几种情况：

1）竖向力、水平力和倾覆力矩的分项系数均取1.4；

2）自重、配重和吊物重引起的力及其力矩的分项系数取1.2，风荷载引起的力及其力矩的分项系数取1.4；

3）竖向力的分项系数取1.2，而水平力和倾覆力矩的分项系数取1.4。

实际上，上述几种情况的荷载分项系数的取值都缺乏对荷载分项系数的正确理解。

3.2 荷载分项系数的正确取值

根据结构荷载规范，作用在塔吊基础上的力和力矩的分项系数应按以下方法取值：

1）塔吊结构的自重和平衡配重引起的力及其力矩是恒荷载，其分项系数取1.2；

2）吊物引起的力和力矩，其大小随时间变化，属可变荷载，其分项系数取1.4；

3）风荷载按《塔式起重机混凝土基础工程技术规程》（JGJ 187—2009）附录A进行计算。

4 塔吊基础设计问题

4.1 塔吊基础的最不利验算截面

随着塔吊作业过程的转动，作用在塔吊基础上的水平力和倾覆力矩的方向是不断变化的。

从理论上讲，塔吊基础的平面应设计成圆形，但是由于圆形基础的钢筋配置非常困难，塔吊基础通常设计成正方形板、十字交叉梁形式或对称布置的四桩基础。正方形布置的基础在荷载作用方向转动的情况下，将涉及最不利验算截面的确定问题[4]。

在塔机基础设计计算中，经常有根本未考虑最不利验算截面的情况，如图1所示。往往以力矩作用在正方形边长方向，对基础极限承载力进行验算，如图1（a）所示。而实际上最不利验算截面应为正方形的斜对角方向，如图1（b）所示，在此方向基础的平面抗弯刚度最小，产生的内力最大，为最不利验算截面。上述图1（a）验算截面情况下，桩身竖向力特征值及基础弯矩的计算结果比实际图1（b）偏小约30%。

图1 2 种不同的基础验算截面

4.2 塔吊基础设计的其他问题

塔吊基础设计要满足稳定性、强度和沉降3 个方面的要求。而使用单位技术力量较为薄弱，对塔吊基础的设计要求、受力特点和复杂的施工现场条件理解不够，在塔机基础设计上往往会出现以下问题：

1）基底标高设置不合理。塔吊基础埋深不够，受附近房屋结构基础开挖或基坑开挖的影响而发生位移和不均匀沉降。

2）基础的平面布置不合理。塔吊基础一侧座落在建筑物的地下室底板、顶板或基础上，另一侧座落在加固的桩基或地基上，造成使用中沉降不均匀。

3）采用桩基的塔机基础仅考虑竖向的抗压能力而忽视抗倾覆能力的充分发挥，甚至有的将单桩设置在基础中心位置而不能起到抗倾覆作用。

4）未充分理解承台与桩基的协调作用条件。有的设计过于保守，按桩基或把承台视为板基础单个验算都能满足承载力要求；有的是承台底部土质差，不能考虑两者共同作用，按桩基或把承台视为板基础单个验算都不能满足承载力要求。

5）未考虑地下水的作用。虽然地下水引起的对基础的浮力作用减少了基底应力，但基底土的承载能力也相应降低，特别是抗倾覆能力会较大的降低。

5 结语

由于塔吊生产厂家对施工现场的风荷载状况、地基土质状况和地下水条件不熟悉，也不能很好地把握这些因素对基础承载力验算的影响；而使用单位对提供的倾覆力矩、水平力等是如何计算得到的以及对塔吊基础的受力特点和最不利验算截面等不能很好理解；甚至有些文章和参考书也缺乏对力学概念、计算要点进行系统的阐述，塔吊基础计算软件也存在不少缺陷。

因此，塔吊基础的设计计算目前仍然是一个薄弱环节，有待于进一步的研究和探讨，积累经验并建立规范化的计算体系[5,6]。