塔式起重机基础配筋优化分析
2022-12-12高俊峰刘欣璐
高俊峰，陈 青，刘欣璐
(远洋国际建设有限公司，北京 100020)
0 引言
塔式起重机是现代建筑施工中主要的大型施工机械之一，塔式起重机基础是为确保塔式起重机安全正常运行工作设置的临时专用基础。
在建筑施工现场平面布置中，塔式起重机既可布置于建筑基坑外，也可布置于建筑基坑内。根据塔式起重机基础位置土质及其他条件，塔式起重机基础可采用天然地基基础或桩基础。
塔式起重机厂家给出的标准基础一般是以天然地基承载力满足一定条件设计的基础，通常为边长6m左右、厚>1m的钢筋混凝土实心体。
1 决定塔式起重机基础尺寸因素分析
塔式起重机对基础产生的作用有竖向荷载(塔式起重机自重及吊重)、水平荷载(风荷载)、倾覆力矩和扭矩，如图1所示。决定塔式起重机基础尺寸的因素主要有以下3个。
1)地基承载力
塔式起重机基础在竖向荷载、水平荷载、倾覆力矩和扭矩及基础自重共同作用下，属于偏心荷载受力状态。
采用天然地基时，塔式起重机基础所受的地基反力分布情况多如图2所示，塔式起重机基础对地基产生的作用应符合GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》第5.2.1条要求，即：
pk≤fa
(1)
pkmax≤1.2fa
(2)
式中：pk为轴心荷载作用下，相应于作用的标准组合时，基础底面处的平均压力值；fa为修正后的地基承载力特征值；pkmax为偏心荷载作用下，相应于作用的标准组合时，基础底面边缘的最大压力值。
2)塔式起重机的抗倾覆验算
塔式起重机处于附着/未附着或工作/非工作状态时，其对基础的作用除竖向力、水平力外，还有较大的倾覆力矩。
因此，塔式起重机基础需有足够的尺寸和质量，以满足其在竖向荷载、水平荷载、倾覆力矩和扭矩及基础自重共同作用下的抗倾覆验算。
由于塔式起重机倾覆力矩是任意方向的，因此，应进行x，y向及45°方向抗倾覆验算。
抗倾覆验算应满足：
Mk/Mq≥1.6
(3)
Mk=(Fv+G)×0.45b
(4)
Mq=M+Fnh
(5)
3)塔式起重机基础在地基反力作用下的承载力验算(抗弯、抗剪)
理论上讲，塔式起重机基础在地基反力作用下的承载力验算(抗弯、抗剪)也是决定其尺寸的影响因素。但根据常用塔式起重机基础配筋图可知，配筋率一般为0.2%左右，远小于最大配筋率2.5%，这说明影响塔式起重机基础尺寸的关键因素是地基承载力和抗倾覆验算。
2 现行塔式起重机基础配筋及存在的问题分析
如前所述，采用天然地基时，塔式起重机基础尺寸主要是由地基承载力和抗倾覆验算决定的。图3所示为建筑工程施工常用的W6015(中联)塔式起重机在地耐力为140kN/m2条件下的标准基础尺寸和配筋图。
由图3可知，塔式起重机基础上、下层钢筋采用了完全相同的配筋。纵观塔式起重机基础受力，其所受外力主要来自于塔式起重机竖向荷载、水平荷载、倾覆力矩及地基土给予的反力，此受力状态与建筑结构设计中柱下独立基础受力完全等同，如图4所示，常用的独立基础(台阶式和斜坡式)标准配筋形式如图5，6所示。
独立基础受力状态决定了独立基础作为周边自由的受弯、剪构件不会产生负弯矩。因此，常用的台阶式或斜坡式独立基础均未在基础上侧配置水平钢筋，这与基础受力是完全吻合的。同理，在结构设计中，板类构件上层钢筋采用分离式配筋，即板类构件受压区不配置受力钢筋，如图7所示。
目前塔式起重机厂家给出的天然地基条件下标准基础配筋图中，受压区(上侧)均采用与受拉区(下侧)相同的钢筋，造成了浪费。
实际上，塔式起重机基础作为大截面受弯构件，无须在受压区配置与受拉区相同的钢筋，虽然多配筋对于安全是有利的，但造成了不必要的浪费，是不合理的配筋设计。
JGJ/T 187—2019《塔式起重机混凝土基础工程技术标准》中第5.2.3条明确规定上层钢筋截面面积不宜小于下层钢筋截面面积的一半。考虑塔式起重机基础的重要性，该条文规定较《建筑地基基础设计规范》第8.2节的规定略高。塔式起重机基础在倾覆力矩作用下，受到塔式起重机锚栓等的上拔力作用，产生负弯矩，故规定基础架立筋的截面面积不宜小于受力筋截面面积的一半，必要时主筋宜上下对称配筋。
笔者认为塔式起重机立柱在倾覆力矩的作用下，对基础产生向上拉力，应进行严格的抗拔设计和验算，而不应通过加大基础上层钢筋等非主要影响因素实现，避免增加不必要的成本。
3 塔式起重机基础配筋优化建议
首先需要说明的是，本文提出的塔式起重机基础配筋优化建议是针对天然地基条件下的塔式起重机基础，因场地条件、地基承载力等因素采用桩基础或在内支撑基坑支护条件下，塔式起重机基础在基坑内采用格构式柱和桩基础时，需进行专门的受力分析和设计。
根据前述天然地基条件下的塔式起重机基础受力分析和结构设计中独立基础配筋，可对目前塔式起重机厂家提供的标准基础配筋进行以下优化设计。
1)上层钢筋优化
上层钢筋按照下层钢筋配筋间距双向布置，但上层钢筋仅按构造配筋，钢筋直径调整为12，14mm即可。将上层钢筋与下层钢筋采用相同间距布置，是为了方便布设基础抗冲切验算需配置的竖向拉结筋。
2)下层钢筋优化
由于塔式起重机基础是以塔身为中心的悬臂受弯构件，因此，基础下层钢筋可按弯矩分布进行优化。地基反力对基础产生的弯矩在基础边缘为0，在基础中心区域最大。参考结构设计中独立基础优化配筋做法，将下层钢筋长度缩减为通长配筋的90%，采用锯齿形布置方式，如图8所示，基础下层钢筋可减少10%的配筋量。
以W6015(中联)塔式起重机在地耐力140kN/m2条件下的标准基础配筋为准，将塔式起重机基础上层钢筋由φ25调减为φ12后，可节约钢材912kg，如果下层钢筋按前述方法进行优化，可节约钢材118kg。以目前的钢材价格和人工费用计算，每台塔式起重机基础可节约6 500元。
4 塔式起重机基础配筋优化应用实践及推广应用前景
自2015年开始推进塔式起重机基础配筋优化以来，按上述方法共优化了300多台塔式起重机基础配筋，代表性工程优化结果如表1所示，优化后的基础安全可靠。
表1 塔式起重机基础配筋优化代表性工程
建筑行业对资源的消耗是巨大的，1台中小型塔式起重机基础配筋优化可节约钢筋1 030kg，全国每年十几亿m2的建筑竣工交付，如果50%的塔式起重机基础采用天然基础，按2万m2建筑面积配置1台塔式起重机算，可进行基础配筋优化的塔式起重机为30 000～40 000台，可节约2.1～2.8亿元的费用。
5 结语
1)现行塔式起重机厂家提供的塔式起重机基础配筋图存在明显的过度配筋现象，特别是基础上层钢筋采用与基础下层钢筋相同面积的配筋。
2)本文建议的塔式起重机基础配筋优化仅适用于天然地基条件下的塔式起重机基础，不适用于桩基础条件下的塔式起重机基础。
3)塔式起重机基础配筋优化包括上、下层钢筋优化。上层钢筋可按受压区构造配筋，下层钢筋可参考结构工程设计中混凝土独立基础配筋，按间隔布置方式进行钢筋布置。
