强风地区独立式塔吊方案设计与塔吊基础计算分析

梅斌

（中铁十八局集团北京工程有限公司 北京 100162）

1 工程概况

NO.2016G60房建工程位于南京市江宁区仙林副城青龙片区，项目基地北至三阳路、西至河清路、冬至东流路、南至四望路。共包含住宅1#-10#楼，S1、s2商业，1#、3#配电房、门卫及配套地下车库工程，总面积146930.97m2，地上17层，地下1层。房建项目名称为NO.2016G60地块项目，建设单位为南京汇隆房地产有限公司，施工单位为中铁十八局集团北京工程有限公司。

NO.2016G60地块项目的房屋建筑高度50.25 m，地下车库层高3.5 m，地上住宅层高3 m。建筑防火设计分类为二类高层建筑，建筑耐火等级为一级，建筑防水等级：屋面、种植屋面为一级，地下室为二级，抗震设防烈度为7度，主要结构类型为钢筋混凝土剪力墙，设计使用年限为50 y。

本工程各主楼采用装配整体式混凝土结构，预制构件有预制剪力墙、预制阳台板、预制阳台隔板、预制楼梯、预制叠合板，预制构件最大重量5.06 t左右，单块预制叠合板净跨最大3.8 m，PC结构最长3.4 m。装配整体式剪力墙结构的抗震等级为三级。装配式住宅预制装配率（墙体、楼板、楼梯、阳台等住宅结构中预制构件所占的比重）≥30%；预制剪力墙厚度为200 mm。预制装配式预应力混凝土结构采用套筒植筋、高强灌浆施工的新技术施工工艺，将PC结构之间进行有效连接，增加了PC结构的施工使用率，提高施工效率。同时也带来了吊装问题，由于吊装柱、结构墙板等单件的重量很大，这对塔吊的起重能力提出了很高的要求，需要起重设备能够满足单个构件起吊能力的要求，对塔吊的选型提出了高要求。

此外根据场地的实际情况和塔吊布置要求，并且经过对塔吊作业半径的调查，施工塔吊需要布置在两个建筑中间区域，距离两栋楼房距离均较远，塔吊的附着施工存在困难，经过业主和监理协商，最终决定塔吊必须采用无附着结构，这样，针对达到50 m左右高度的高层建筑，独立式塔吊的组装高度达到了59 m，针对施工季节大风力概率较高的气象情况，塔吊结构的安全和塔吊基础的安全就变得尤为重要。

2 塔吊方案选择

根据对塔吊厂家的调研，根据最大预制块构件的重量（5.06 t）并考虑1.2的冲击系数，最大吊重达到了6 t左右，根据现场楼距较近，为了减少塔吊的数量，降低造价，临近的两栋楼共用一台塔吊，塔吊位于两栋楼房中间，距离两栋楼距离均较远，不宜采用附着式塔吊。根据以上的实际情况，同时结合现场的施工半径，经过权衡最终决定选择QTZ100型塔式独立型起重机，作为该项目的备选起重设备，该起重机的吊臂长65 m，满足现场作业半径的要求，根据塔吊厂家提供的资料和参数，采用独立式塔吊，塔吊竖向桁架的总装高度为59.04 m，吊臂下缘到塔吊基础顶面之距为51.56 m，最大起吊作业高度50.5 m，塔吊的最大起吊作业高度能够满足施工要求，最大吊重8 t也满足要求。

当塔吊达到最大高度时，独立式塔吊结构的总重（不含配重）G=48 t，平衡重16 t，合计64t。塔吊主体的标准节高度2.5 m，重量10.6 kN，尺寸1.8×1.8 m，主杆件采用直径146×16 mm无缝钢管。吊臂长度：65 m。

塔吊的额定工作力矩=1000 kN·m，最大工作力矩=1396 kN·m。塔吊的工作幅度为2.4~50m，最大幅度额定起重量2.25 t，最大额定起重8 t。此外，塔吊的正常工作风压250 Pa，非工作风压1100 Pa。根据表塔吊的安装说明，塔吊的基础厚度不得小于1.5 m，根据施工场地的实际情况，采用的塔吊基础尺寸为：长5.6 m×宽5.6 m×厚度1.5m，材料为C35混凝土。

3 塔吊基础受力与荷载分析

3.1 塔吊受力分析

由于该工地位置位于风口地区，且施工季节可能出现的瞬时风力较大，经过调查，该地区的有可能遭遇台风袭击，风速可超过35 m/s，对独立式塔吊会形成严重的安全隐患。由于采用了独立式的塔吊结构，塔吊结构与建筑结构没有设置附着，那么风力荷载会对塔吊基础会产生较大的偏心距，并且随着塔吊组装高度逐渐攀升，则风荷载对塔吊基础的效应越大，甚至基底可能出现拉应力而产生应力重分布（土层结构不能承受拉应力）现象。显然，最不利的情况是独立式塔吊拼装到最大高度59.04 m时，塔吊基础的受力最大。

为了确保施工的安全，根据塔吊操作规程，由于风速较大特别是极端大风天气必须停止作业的，并且塔吊的吊臂应当置于顺风向，减小吊臂对基础的力矩。基于以上分析，塔吊应该两个危险情况进行计算：（1）情况一：塔吊到最大高度时，工作状态下达到风压强度，根据塔吊的说明书，工作条件最大风压强度为250 Pa（相当于8级风），由于风速小，该工况塔吊基础的应力控制设计；（2）情况二：塔吊到最大高度，非工作状态下达到最大风压强度，根据调查得到的当地最大风可达到42 m/s，换算得后风压强度按照1100 Pa计算，由于该极端天气下，塔吊不得进行作业，因此该情况下的塔吊基础稳定性控制设计。

综上分析，需要对塔吊基础进行两种情况的计算：包括强度计算、稳定性两个方面的计算，此外，还应对该基础进行冲切计算。

3.2 塔吊基础荷载分析

塔吊基础荷载包括恒载和活载两部分，计算如下：

恒载：（1）塔吊基础的重量，钢筋混凝土重力密度取24kN/m3，塔吊基础混凝土自重为1130 kN。（2）塔吊结构重量，工作状态下，640 kN（含配重）和最大工吊重80 kN，总重为720 kN；非工作状态下不计吊重，总重为640 kN（包含配重）。

活载，只考虑风荷载，根据《建筑结构荷载规范》（GB5009-2012），风载强度ωk应该如下计算：

式中：

ω0：基本风压(kN/m2)，根据3.1部分，工作状态取0.25 kpa，非工作状态取1.1 kpa；βz：高度Z处的风振系数，取50 m高度，取1.0；

μs：风荷载体型系数；按照《建筑结构荷载规范》，续表8.3.1中塔架的规定进行计算，塔吊主体结构的μs=1.54，吊臂结构的μs=1.3；

μz：风压高度系数。取值1.6。

根据3.1的分析，两种情况相应风载强度ωk值如下：

（1）工作状态下，竖直塔架的风载强度：ωk=1.0×1.54×1.6×0.25=0.62 kPa。吊臂的风载强度：：ωk=1.0×1.3×1.6×0.25=0.52 kpa。

（2）非工作状态：塔架：ωk=1.0×1.54×1.6×1.1=2.7 kpa，吊臂位于顺风向，不计及风载影响。

根据以上风荷载的计算和分析，风荷载合力计算如下（风载强度乘以迎风面积）：

工作状态下：塔架风荷载F工=0.62 kpa×30 m2=18.6 kN，吊臂风荷载F工=0.52 kpa×10 m2=5.2 kN；

非工作状态下：塔架风荷载F非工=2.7 kpa×30 m2=81 kN，吊臂在顺风向，不需计算。

3.3 荷载组合

根据以上荷载分析计算，参照《大型塔式起重机混凝土基础工程技术规程》（JGJT 301-2013）进行荷载组合。荷载组合系数：对恒载（自重、配重、起吊重量）取分项系数1.35；对活载（风载）取1.4。分2种荷载组合进行计算。

（1）荷载组合1，独立式最大高度59 m，工作状态最大风力条件下，恒载（包括吊重80 kN）与风荷载组合。

符号规定如下：

FK1：塔吊相关荷载（塔架自重+配重+最大起重重量）标准值，为720 kN；

GK1：混凝土的基础重量标准值，为1130 kN；

Mk1：塔架、吊臂风荷载对基底产生的力矩（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）荷载组合2：独立式最大高度59 m，非工作状态，最大风压强度下，恒载（不含吊重）与风荷载进行组合。

FK2：塔吊相关荷载（塔架自重+配重）标准值，为640 kN；

GK2：混凝土的基础重量标准值，为1130 kN；

Mk2：塔架风荷载（吊臂在顺风向，不计算风载力矩）标准值对基底产生的力矩：

4 塔吊基础计算

4.1 塔吊基础强度计算

计算按照基础的独立基础计算，基础尺寸为：长5.6 m×宽5.6 m×厚度1.5 m。截面面积A=31.36 m2，抵抗矩为：29.27 m3，地基强度计算的荷载取标准值：

（1）荷载组合1强度计算：

基础底面的最大、最小应力为：

基础最大最小压应力均为正值，没有出现应力重分布。

地基处理后承载力特征值为200 kPa>84.3 kPa，满足要求。

（2）荷载组合2强度计算：

出现了应力重分布，e=M/N=1.19 m 计算得到应力重分布系数λ=2.5，

最大压应力为：λ(FK2+GK2)/A=141 kPa<200 kPa，满足要求。

4.2 抗倾覆稳定性计算

根据分析，对于独立式达到最大高度时，荷载组合2下，竖向压力小（没有吊重），水平风荷载大（超过12级），因此塔吊基础的倾覆风险最大，所以以下只计算荷载组合2的倾覆稳定即可。抗倾覆计算分析如图1所示。

图1 塔吊基础稳定性计算示意图（单位：m）

倾覆力矩为风荷载设计值对基础D点取矩；稳定力矩为基底形心竖向合力对D点取矩。M稳≥1.2M倾（参照《大型塔式起重机混凝土基础工程技术规程》。

根据3.2和3.3部分的计算，荷载组合2条件下的稳定力矩M稳为竖向合力对基础的倾覆边取矩，倾覆力矩M倾为水平风荷载对基础的倾覆边取矩。

稳定力矩M稳和倾覆力矩M倾如下：

M稳/M倾=1.97>1.2满足要求。

4.3 基础受冲切承载力计算

依据《建筑地基基础设计规范》需对基础进行冲切计算，如图2示。对荷载组合1和荷载组合2均需进行计算。

图2 塔吊基础冲切计算图式（单位：mm）

其计算公式如下：

βhp：受冲切承载力截面高度影响系数，取0.9。

ft：混凝土轴心抗拉强度设计值，C35混凝土，取值1520 kPa。

am：冲切破坏椎体最不利一侧计算长度，am=（at+ab）/2=3.3 m，at为冲切锥体最不利一侧斜截面上的边长为1.8 m；ab为冲切破坏锥体的最不利一侧斜截面在基础底面积范围内的下边长，ab=1.8+2×1.5=4.8 m。

h 0：基础冲切破坏锥体的有效高度，取1.5 m。

允许冲切力设计值：0.7βhp×ft×am×h0=0.7×0.9×1520×3.3×1.5=4740 kN。

Fl：相应于荷载效应基本组合时作用在A1上的地基土的净反力设计值，为Pj×Al。

Pj：扣除基础自重后相应于荷载效应基本组合时的地基土单位面积净反力，对偏心受压基础可取基础边缘处最大地基土单位面积净反力。

Al：冲切验算时取用的部分基底土面积（阴影部分）：Al=0.4×(4.8+5.6)/2=2.08 m2；

经过计算，荷载组合1、2下的Fl依次为145.6 kN、258.8 kN均远小于4740 kN，满足要求。

5 结论

根据于南京市江宁区仙林副城青龙片区房建项目房屋间距较近的特点，综合考虑了塔吊的工作半径和吊重等数据，采用了一台独立式塔吊同时满足相邻两栋楼的建筑施工，相当于节省了一台塔吊，大大降低了造价。

针对房建地区在施工季节风级很大的特点，每年出现1-2次12级以上大风天气，对独立式塔吊基础的强度和稳定性进行了计算，此外还进行了冲切计算，计算结果表明塔吊基础的计算项目均满足要求。在施工过程中出现了一次12级风的情况，塔吊的工作状态良好，塔吊基础也没有出现任何异常。目前房建施工已经完成，塔吊正在拆除。施工实践表明，无论是强风还是最大吊重状态，该独立式塔吊均能够安然无恙，这可为相似工程的塔吊方案选择和塔吊基础设计提供借鉴。