塔吊基礎(chǔ)設(shè)計計算的若干問題探討

浙江寶業(yè)建設(shè)集團有限公司 紹興 312028

0 引言

近年來由于高層建筑迅猛發(fā)展，施工中固定式塔式起重機使用量急劇增加，塔吊傾覆的重大安全事故也屢屢發(fā)生，而且造成的后果往往比較嚴重。在塔吊傾覆的諸多因素中，塔吊基礎(chǔ)設(shè)計不合理是主要因素之一。因此為了保證塔機的安全使用，國家相關(guān)法規(guī)明確規(guī)定必須編制塔吊安全專項施工方案，方案中必須附具詳細的計算說明書。但是目前存在2 個問題[1,2]：一是塔吊生產(chǎn)廠家或塔吊租賃供應(yīng)方在使用說明書中對許多技術(shù)參數(shù)未予明確或明確不合理，未考慮風(fēng)荷載地區(qū)差異引起的塔吊傾覆力矩的不同；二是編制專項方案的項目部技術(shù)力量薄弱，不能正確把握塔吊基礎(chǔ)的設(shè)計計算方法，編制的計算說明書帶有很大的盲目性而缺乏科學(xué)合理性，未按最不利工況進行設(shè)計，致使設(shè)計的塔吊基礎(chǔ)有很多不合理現(xiàn)象：一方面存在大量的浪費；另一方面存在嚴重的不安全因素。因此，很有必要對塔吊基礎(chǔ)設(shè)計計算中存在的問題作進一步研究，使基礎(chǔ)設(shè)計計算科學(xué)合理，確保塔吊使用安全。

1 對塔機使用說明書的理解

1.1 塔機使用說明書存在的問題

各塔吊生產(chǎn)廠提供的塔吊使用說明書相差很大：

1）有的廠家提供了在各種地耐力條件及不同使用高度時比較齊全完善的基礎(chǔ)施工圖，而有的廠家僅提供一種或兩種地耐力條件下的基礎(chǔ)施工圖；

2）有的廠家提供了作用在基礎(chǔ)上的最大傾覆力矩、水平和垂直荷載等，而有的廠家僅提供了塔吊各構(gòu)件的質(zhì)量和最大起吊力矩；

3）大多數(shù)生產(chǎn)廠提供的基礎(chǔ)圖要求地耐力為200 kPa，而施工現(xiàn)場實際一般達不到上述要求；

4）未在使用說明書中明確所提供的傾覆力矩和基礎(chǔ)圖是在何種風(fēng)荷載條件下，強調(diào)僅是一種參考，這往往引起使用單位的誤解并加以套用。

1.2 塔吊使用說明書的正確理解

作用在塔吊基礎(chǔ)上的傾覆力矩、水平力和垂直力3 個荷載中，垂直力的大小與塔吊使用高度相關(guān)，不同使用高度的塔身結(jié)構(gòu)自重不同；水平力的大小與塔身自由高度（第1節(jié)附墻件高度）、風(fēng)荷載大小密切相關(guān)，不同塔身自由高度的風(fēng)荷載大小明顯不同；傾覆力矩與塔吊結(jié)構(gòu)自重力矩、起吊力矩及風(fēng)荷載引起的力矩相關(guān)，它要考慮不同工況、塔身自由高度和風(fēng)荷載大小。因此在塔吊使用說明書中可以對塔身自重、平衡配重和吊重及最大起吊力矩予以明確并對塔吊使用高度、附墻件設(shè)置作出規(guī)定，而風(fēng)荷載的大小卻與塔吊使用所在地的基本風(fēng)壓、地形地貌等密切相關(guān)，這是塔機生產(chǎn)廠家無法事先確定的，更無法對變化的各種風(fēng)荷載條件作出水平力和傾覆力矩的計算。這說明塔機使用說明書所提供的作用在基礎(chǔ)上的最大傾覆力矩和水平力等僅是一種參考，需要使用單位根據(jù)現(xiàn)場的實際風(fēng)荷載條件進行設(shè)計計算[3]。

2 傾覆力矩的理解與計算

2.1 傾覆力矩的理解上存在的問題

從塔吊專項方案的計算書中普遍地反映出：

1）在塔吊使用說明書未提供傾覆力矩的情況下，認為說明書中提供的最大起吊力矩就是傾覆力矩，不清楚傾覆力矩的概念和含義；

2）取最大起吊力矩和風(fēng)荷載引起的力矩和；

3）直接采用塔吊使用說明書中的傾覆力矩，而不同廠家提供的傾覆力矩截然不同，如QTZ63塔吊提供的傾覆力矩有1 832 kN 、1 350 kN、1 220 kN、870 kN、 630 kN等，說明廠家間對傾覆力矩的理解與計算也存在不同。

由于不能對塔吊傾覆力矩的概念和含義有充分的理解和把握，所以在塔機專項方案的計算書中很少有對塔機傾覆力矩進行計算或說明的。

2.2 傾覆力矩的計算

作用在塔吊基礎(chǔ)中心上的傾覆力矩應(yīng)包括塔吊工作和非工作2 種狀態(tài)，應(yīng)包括塔吊結(jié)構(gòu)自重、平衡重的自重力矩，最大起吊力矩和風(fēng)荷載產(chǎn)生的力矩3 個部分。其計算式如下：

1）自重力矩MG的計算：塔機結(jié)構(gòu)自重、平衡重的自重力矩應(yīng)計算塔吊各組成部件（平衡臂、起重機構(gòu)、平衡臂拉桿、起重臂、起重臂拉桿、載重小車等）和平衡重對塔吊基礎(chǔ)中心的力矩，起重塔身部分的構(gòu)件可認為其重力通過基礎(chǔ)中心不作計算。

2）起吊力矩MQ的計算：可直接采用塔吊使用說明書中提供的最大起吊力矩值。

3）風(fēng)荷載產(chǎn)生的力矩MF的計算：

風(fēng)荷載標準值計算式為：

（1）基本風(fēng)壓w0、風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz應(yīng)根據(jù)塔機使用所在地的實際情況取值計算；

（2）風(fēng)荷載體形系數(shù)μs應(yīng)考慮桁架和塔架2 種情況計算，取其較大值；

（3）擋風(fēng)面積按塔身構(gòu)件的實際阻風(fēng)面積計算；

（4）風(fēng)荷載作用高度應(yīng)根據(jù)地面到塔頂?shù)膶嶋H高度計算，風(fēng)荷載引起的對塔吊的水平力可按塔身分節(jié)計算，也可先計算出塔頂?shù)淖畲笾?，然后按沿塔高線性變化計算。

3 荷載分項系數(shù)的取值

3.1 荷載分項系數(shù)取值的問題

由于塔吊是建筑工程施工過程的輔助設(shè)備，而不是建筑物本身，對作用在基礎(chǔ)上的各荷載沒有相應(yīng)的規(guī)范標準對此作出規(guī)定。因此在塔吊基礎(chǔ)設(shè)計計算中，往往會對作用在基礎(chǔ)上的力和力矩的荷載分項系數(shù)取值產(chǎn)生誤解，通常會有以下幾種情況：

1）豎向力、水平力和傾覆力矩的分項系數(shù)均取1.4；

2）自重、配重和吊物重引起的力及其力矩的分項系數(shù)取1.2，風(fēng)荷載引起的力及其力矩的分項系數(shù)取1.4；

3）豎向力的分項系數(shù)取1.2，而水平力和傾覆力矩的分項系數(shù)取1.4。

實際上，上述幾種情況的荷載分項系數(shù)的取值都缺乏對荷載分項系數(shù)的正確理解。

3.2 荷載分項系數(shù)的正確取值

根據(jù)結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，作用在塔吊基礎(chǔ)上的力和力矩的分項系數(shù)應(yīng)按以下方法取值：

1）塔吊結(jié)構(gòu)的自重和平衡配重引起的力及其力矩是恒荷載，其分項系數(shù)取1.2；

2）吊物引起的力和力矩，其大小隨時間變化，屬可變荷載，其分項系數(shù)取1.4；

3）風(fēng)荷載按《塔式起重機混凝土基礎(chǔ)工程技術(shù)規(guī)程》（JGJ 187—2009）附錄A進行計算。

4 塔吊基礎(chǔ)設(shè)計問題

4.1 塔吊基礎(chǔ)的最不利驗算截面

隨著塔吊作業(yè)過程的轉(zhuǎn)動，作用在塔吊基礎(chǔ)上的水平力和傾覆力矩的方向是不斷變化的。

從理論上講，塔吊基礎(chǔ)的平面應(yīng)設(shè)計成圓形，但是由于圓形基礎(chǔ)的鋼筋配置非常困難，塔吊基礎(chǔ)通常設(shè)計成正方形板、十字交叉梁形式或?qū)ΨQ布置的四樁基礎(chǔ)。正方形布置的基礎(chǔ)在荷載作用方向轉(zhuǎn)動的情況下，將涉及最不利驗算截面的確定問題[4]。

在塔機基礎(chǔ)設(shè)計計算中，經(jīng)常有根本未考慮最不利驗算截面的情況，如圖1所示。往往以力矩作用在正方形邊長方向，對基礎(chǔ)極限承載力進行驗算，如圖1（a）所示。而實際上最不利驗算截面應(yīng)為正方形的斜對角方向，如圖1（b）所示，在此方向基礎(chǔ)的平面抗彎剛度最小，產(chǎn)生的內(nèi)力最大，為最不利驗算截面。上述圖1（a）驗算截面情況下，樁身豎向力特征值及基礎(chǔ)彎矩的計算結(jié)果比實際圖1（b）偏小約30%。

圖1 2 種不同的基礎(chǔ)驗算截面

4.2 塔吊基礎(chǔ)設(shè)計的其他問題

塔吊基礎(chǔ)設(shè)計要滿足穩(wěn)定性、強度和沉降3 個方面的要求。而使用單位技術(shù)力量較為薄弱，對塔吊基礎(chǔ)的設(shè)計要求、受力特點和復(fù)雜的施工現(xiàn)場條件理解不夠，在塔機基礎(chǔ)設(shè)計上往往會出現(xiàn)以下問題：

1）基底標高設(shè)置不合理。塔吊基礎(chǔ)埋深不夠，受附近房屋結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)開挖或基坑開挖的影響而發(fā)生位移和不均勻沉降。

2）基礎(chǔ)的平面布置不合理。塔吊基礎(chǔ)一側(cè)座落在建筑物的地下室底板、頂板或基礎(chǔ)上，另一側(cè)座落在加固的樁基或地基上，造成使用中沉降不均勻。

3）采用樁基的塔機基礎(chǔ)僅考慮豎向的抗壓能力而忽視抗傾覆能力的充分發(fā)揮，甚至有的將單樁設(shè)置在基礎(chǔ)中心位置而不能起到抗傾覆作用。

4）未充分理解承臺與樁基的協(xié)調(diào)作用條件。有的設(shè)計過于保守，按樁基或把承臺視為板基礎(chǔ)單個驗算都能滿足承載力要求；有的是承臺底部土質(zhì)差，不能考慮兩者共同作用，按樁基或把承臺視為板基礎(chǔ)單個驗算都不能滿足承載力要求。

5）未考慮地下水的作用。雖然地下水引起的對基礎(chǔ)的浮力作用減少了基底應(yīng)力，但基底土的承載能力也相應(yīng)降低，特別是抗傾覆能力會較大的降低。

5 結(jié)語

由于塔吊生產(chǎn)廠家對施工現(xiàn)場的風(fēng)荷載狀況、地基土質(zhì)狀況和地下水條件不熟悉，也不能很好地把握這些因素對基礎(chǔ)承載力驗算的影響；而使用單位對提供的傾覆力矩、水平力等是如何計算得到的以及對塔吊基礎(chǔ)的受力特點和最不利驗算截面等不能很好理解；甚至有些文章和參考書也缺乏對力學(xué)概念、計算要點進行系統(tǒng)的闡述，塔吊基礎(chǔ)計算軟件也存在不少缺陷。

因此，塔吊基礎(chǔ)的設(shè)計計算目前仍然是一個薄弱環(huán)節(jié)，有待于進一步的研究和探討，積累經(jīng)驗并建立規(guī)范化的計算體系[5,6]。