強(qiáng)風(fēng)地區(qū)獨立式塔吊方案設(shè)計與塔吊基礎(chǔ)計算分析

梅斌

（中鐵十八局集團(tuán)北京工程有限公司 北京 100162）

1 工程概況

NO.2016G60房建工程位于南京市江寧區(qū)仙林副城青龍片區(qū)，項目基地北至三陽路、西至河清路、冬至東流路、南至四望路。共包含住宅1#-10#樓，S1、s2商業(yè)，1#、3#配電房、門衛(wèi)及配套地下車庫工程，總面積146930.97m2，地上17層，地下1層。房建項目名稱為NO.2016G60地塊項目，建設(shè)單位為南京匯隆房地產(chǎn)有限公司，施工單位為中鐵十八局集團(tuán)北京工程有限公司。

NO.2016G60地塊項目的房屋建筑高度50.25 m，地下車庫層高3.5 m，地上住宅層高3 m。建筑防火設(shè)計分類為二類高層建筑，建筑耐火等級為一級，建筑防水等級：屋面、種植屋面為一級，地下室為二級，抗震設(shè)防烈度為7度，主要結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土剪力墻，設(shè)計使用年限為50 y。

本工程各主樓采用裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)制構(gòu)件有預(yù)制剪力墻、預(yù)制陽臺板、預(yù)制陽臺隔板、預(yù)制樓梯、預(yù)制疊合板，預(yù)制構(gòu)件最大重量5.06 t左右，單塊預(yù)制疊合板凈跨最大3.8 m，PC結(jié)構(gòu)最長3.4 m。裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震等級為三級。裝配式住宅預(yù)制裝配率（墻體、樓板、樓梯、陽臺等住宅結(jié)構(gòu)中預(yù)制構(gòu)件所占的比重）≥30%；預(yù)制剪力墻厚度為200 mm。預(yù)制裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)采用套筒植筋、高強(qiáng)灌漿施工的新技術(shù)施工工藝，將PC結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行有效連接，增加了PC結(jié)構(gòu)的施工使用率，提高施工效率。同時也帶來了吊裝問題，由于吊裝柱、結(jié)構(gòu)墻板等單件的重量很大，這對塔吊的起重能力提出了很高的要求，需要起重設(shè)備能夠滿足單個構(gòu)件起吊能力的要求，對塔吊的選型提出了高要求。

此外根據(jù)場地的實際情況和塔吊布置要求，并且經(jīng)過對塔吊作業(yè)半徑的調(diào)查，施工塔吊需要布置在兩個建筑中間區(qū)域，距離兩棟樓房距離均較遠(yuǎn)，塔吊的附著施工存在困難，經(jīng)過業(yè)主和監(jiān)理協(xié)商，最終決定塔吊必須采用無附著結(jié)構(gòu)，這樣，針對達(dá)到50 m左右高度的高層建筑，獨立式塔吊的組裝高度達(dá)到了59 m，針對施工季節(jié)大風(fēng)力概率較高的氣象情況，塔吊結(jié)構(gòu)的安全和塔吊基礎(chǔ)的安全就變得尤為重要。

2 塔吊方案選擇

根據(jù)對塔吊廠家的調(diào)研，根據(jù)最大預(yù)制塊構(gòu)件的重量（5.06 t）并考慮1.2的沖擊系數(shù)，最大吊重達(dá)到了6 t左右，根據(jù)現(xiàn)場樓距較近，為了減少塔吊的數(shù)量，降低造價，臨近的兩棟樓共用一臺塔吊，塔吊位于兩棟樓房中間，距離兩棟樓距離均較遠(yuǎn)，不宜采用附著式塔吊。根據(jù)以上的實際情況，同時結(jié)合現(xiàn)場的施工半徑，經(jīng)過權(quán)衡最終決定選擇QTZ100型塔式獨立型起重機(jī)，作為該項目的備選起重設(shè)備，該起重機(jī)的吊臂長65 m，滿足現(xiàn)場作業(yè)半徑的要求，根據(jù)塔吊廠家提供的資料和參數(shù)，采用獨立式塔吊，塔吊豎向桁架的總裝高度為59.04 m，吊臂下緣到塔吊基礎(chǔ)頂面之距為51.56 m，最大起吊作業(yè)高度50.5 m，塔吊的最大起吊作業(yè)高度能夠滿足施工要求，最大吊重8 t也滿足要求。

當(dāng)塔吊達(dá)到最大高度時，獨立式塔吊結(jié)構(gòu)的總重（不含配重）G=48 t，平衡重16 t，合計64t。塔吊主體的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)高度2.5 m，重量10.6 kN，尺寸1.8×1.8 m，主桿件采用直徑146×16 mm無縫鋼管。吊臂長度：65 m。

塔吊的額定工作力矩=1000 kN·m，最大工作力矩=1396 kN·m。塔吊的工作幅度為2.4~50m，最大幅度額定起重量2.25 t，最大額定起重8 t。此外，塔吊的正常工作風(fēng)壓250 Pa，非工作風(fēng)壓1100 Pa。根據(jù)表塔吊的安裝說明，塔吊的基礎(chǔ)厚度不得小于1.5 m，根據(jù)施工場地的實際情況，采用的塔吊基礎(chǔ)尺寸為：長5.6 m×寬5.6 m×厚度1.5m，材料為C35混凝土。

3 塔吊基礎(chǔ)受力與荷載分析

3.1 塔吊受力分析

由于該工地位置位于風(fēng)口地區(qū)，且施工季節(jié)可能出現(xiàn)的瞬時風(fēng)力較大，經(jīng)過調(diào)查，該地區(qū)的有可能遭遇臺風(fēng)襲擊，風(fēng)速可超過35 m/s，對獨立式塔吊會形成嚴(yán)重的安全隱患。由于采用了獨立式的塔吊結(jié)構(gòu)，塔吊結(jié)構(gòu)與建筑結(jié)構(gòu)沒有設(shè)置附著，那么風(fēng)力荷載會對塔吊基礎(chǔ)會產(chǎn)生較大的偏心距，并且隨著塔吊組裝高度逐漸攀升，則風(fēng)荷載對塔吊基礎(chǔ)的效應(yīng)越大，甚至基底可能出現(xiàn)拉應(yīng)力而產(chǎn)生應(yīng)力重分布（土層結(jié)構(gòu)不能承受拉應(yīng)力）現(xiàn)象。顯然，最不利的情況是獨立式塔吊拼裝到最大高度59.04 m時，塔吊基礎(chǔ)的受力最大。

為了確保施工的安全，根據(jù)塔吊操作規(guī)程，由于風(fēng)速較大特別是極端大風(fēng)天氣必須停止作業(yè)的，并且塔吊的吊臂應(yīng)當(dāng)置于順風(fēng)向，減小吊臂對基礎(chǔ)的力矩。基于以上分析，塔吊應(yīng)該兩個危險情況進(jìn)行計算：（1）情況一：塔吊到最大高度時，工作狀態(tài)下達(dá)到風(fēng)壓強(qiáng)度，根據(jù)塔吊的說明書，工作條件最大風(fēng)壓強(qiáng)度為250 Pa（相當(dāng)于8級風(fēng)），由于風(fēng)速小，該工況塔吊基礎(chǔ)的應(yīng)力控制設(shè)計；（2）情況二：塔吊到最大高度，非工作狀態(tài)下達(dá)到最大風(fēng)壓強(qiáng)度，根據(jù)調(diào)查得到的當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)可達(dá)到42 m/s，換算得后風(fēng)壓強(qiáng)度按照1100 Pa計算，由于該極端天氣下，塔吊不得進(jìn)行作業(yè)，因此該情況下的塔吊基礎(chǔ)穩(wěn)定性控制設(shè)計。

綜上分析，需要對塔吊基礎(chǔ)進(jìn)行兩種情況的計算：包括強(qiáng)度計算、穩(wěn)定性兩個方面的計算，此外，還應(yīng)對該基礎(chǔ)進(jìn)行沖切計算。

3.2 塔吊基礎(chǔ)荷載分析

塔吊基礎(chǔ)荷載包括恒載和活載兩部分，計算如下：

恒載：（1）塔吊基礎(chǔ)的重量，鋼筋混凝土重力密度取24kN/m3，塔吊基礎(chǔ)混凝土自重為1130 kN。（2）塔吊結(jié)構(gòu)重量，工作狀態(tài)下，640 kN（含配重）和最大工吊重80 kN，總重為720 kN；非工作狀態(tài)下不計吊重，總重為640 kN（包含配重）。

活載，只考慮風(fēng)荷載，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB5009-2012），風(fēng)載強(qiáng)度ωk應(yīng)該如下計算：

式中：

ω0：基本風(fēng)壓(kN/m2)，根據(jù)3.1部分，工作狀態(tài)取0.25 kpa，非工作狀態(tài)取1.1 kpa；βz：高度Z處的風(fēng)振系數(shù)，取50 m高度，取1.0；

μs：風(fēng)荷載體型系數(shù)；按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，續(xù)表8.3.1中塔架的規(guī)定進(jìn)行計算，塔吊主體結(jié)構(gòu)的μs=1.54，吊臂結(jié)構(gòu)的μs=1.3；

μz：風(fēng)壓高度系數(shù)。取值1.6。

根據(jù)3.1的分析，兩種情況相應(yīng)風(fēng)載強(qiáng)度ωk值如下：

（1）工作狀態(tài)下，豎直塔架的風(fēng)載強(qiáng)度：ωk=1.0×1.54×1.6×0.25=0.62 kPa。吊臂的風(fēng)載強(qiáng)度：：ωk=1.0×1.3×1.6×0.25=0.52 kpa。

（2）非工作狀態(tài)：塔架：ωk=1.0×1.54×1.6×1.1=2.7 kpa，吊臂位于順風(fēng)向，不計及風(fēng)載影響。

根據(jù)以上風(fēng)荷載的計算和分析，風(fēng)荷載合力計算如下（風(fēng)載強(qiáng)度乘以迎風(fēng)面積）：

工作狀態(tài)下：塔架風(fēng)荷載F工=0.62 kpa×30 m2=18.6 kN，吊臂風(fēng)荷載F工=0.52 kpa×10 m2=5.2 kN；

非工作狀態(tài)下：塔架風(fēng)荷載F非工=2.7 kpa×30 m2=81 kN，吊臂在順風(fēng)向，不需計算。

3.3 荷載組合

根據(jù)以上荷載分析計算，參照《大型塔式起重機(jī)混凝土基礎(chǔ)工程技術(shù)規(guī)程》（JGJT 301-2013）進(jìn)行荷載組合。荷載組合系數(shù)：對恒載（自重、配重、起吊重量）取分項系數(shù)1.35；對活載（風(fēng)載）取1.4。分2種荷載組合進(jìn)行計算。

（1）荷載組合1，獨立式最大高度59 m，工作狀態(tài)最大風(fēng)力條件下，恒載（包括吊重80 kN）與風(fēng)荷載組合。

符號規(guī)定如下：

FK1：塔吊相關(guān)荷載（塔架自重+配重+最大起重重量）標(biāo)準(zhǔn)值，為720 kN；

GK1：混凝土的基礎(chǔ)重量標(biāo)準(zhǔn)值，為1130 kN；

Mk1：塔架、吊臂風(fēng)荷載對基底產(chǎn)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）荷載組合2：獨立式最大高度59 m，非工作狀態(tài)，最大風(fēng)壓強(qiáng)度下，恒載（不含吊重）與風(fēng)荷載進(jìn)行組合。

FK2：塔吊相關(guān)荷載（塔架自重+配重）標(biāo)準(zhǔn)值，為640 kN；

GK2：混凝土的基礎(chǔ)重量標(biāo)準(zhǔn)值，為1130 kN；

Mk2：塔架風(fēng)荷載（吊臂在順風(fēng)向，不計算風(fēng)載力矩）標(biāo)準(zhǔn)值對基底產(chǎn)生的力矩：

4 塔吊基礎(chǔ)計算

4.1 塔吊基礎(chǔ)強(qiáng)度計算

計算按照基礎(chǔ)的獨立基礎(chǔ)計算，基礎(chǔ)尺寸為：長5.6 m×寬5.6 m×厚度1.5 m。截面面積A=31.36 m2，抵抗矩為：29.27 m3，地基強(qiáng)度計算的荷載取標(biāo)準(zhǔn)值：

（1）荷載組合1強(qiáng)度計算：

基礎(chǔ)底面的最大、最小應(yīng)力為：

基礎(chǔ)最大最小壓應(yīng)力均為正值，沒有出現(xiàn)應(yīng)力重分布。

地基處理后承載力特征值為200 kPa>84.3 kPa，滿足要求。

（2）荷載組合2強(qiáng)度計算：

出現(xiàn)了應(yīng)力重分布，e=M/N=1.19 m 計算得到應(yīng)力重分布系數(shù)λ=2.5，

最大壓應(yīng)力為：λ(FK2+GK2)/A=141 kPa<200 kPa，滿足要求。

4.2 抗傾覆穩(wěn)定性計算

根據(jù)分析，對于獨立式達(dá)到最大高度時，荷載組合2下，豎向壓力小（沒有吊重），水平風(fēng)荷載大（超過12級），因此塔吊基礎(chǔ)的傾覆風(fēng)險最大，所以以下只計算荷載組合2的傾覆穩(wěn)定即可。抗傾覆計算分析如圖1所示。

圖1 塔吊基礎(chǔ)穩(wěn)定性計算示意圖（單位：m）

傾覆力矩為風(fēng)荷載設(shè)計值對基礎(chǔ)D點取矩；穩(wěn)定力矩為基底形心豎向合力對D點取矩。M穩(wěn)≥1.2M傾（參照《大型塔式起重機(jī)混凝土基礎(chǔ)工程技術(shù)規(guī)程》。

根據(jù)3.2和3.3部分的計算，荷載組合2條件下的穩(wěn)定力矩M穩(wěn)為豎向合力對基礎(chǔ)的傾覆邊取矩，傾覆力矩M傾為水平風(fēng)荷載對基礎(chǔ)的傾覆邊取矩。

穩(wěn)定力矩M穩(wěn)和傾覆力矩M傾如下：

M穩(wěn)/M傾=1.97>1.2滿足要求。

4.3 基礎(chǔ)受沖切承載力計算

依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》需對基礎(chǔ)進(jìn)行沖切計算，如圖2示。對荷載組合1和荷載組合2均需進(jìn)行計算。

圖2 塔吊基礎(chǔ)沖切計算圖式（單位：mm）

其計算公式如下：

βhp：受沖切承載力截面高度影響系數(shù)，取0.9。

ft：混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，C35混凝土，取值1520 kPa。

am：沖切破壞椎體最不利一側(cè)計算長度，am=（at+ab）/2=3.3 m，at為沖切錐體最不利一側(cè)斜截面上的邊長為1.8 m；ab為沖切破壞錐體的最不利一側(cè)斜截面在基礎(chǔ)底面積范圍內(nèi)的下邊長，ab=1.8+2×1.5=4.8 m。

h 0：基礎(chǔ)沖切破壞錐體的有效高度，取1.5 m。

允許沖切力設(shè)計值：0.7βhp×ft×am×h0=0.7×0.9×1520×3.3×1.5=4740 kN。

Fl：相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合時作用在A1上的地基土的凈反力設(shè)計值，為Pj×Al。

Pj：扣除基礎(chǔ)自重后相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合時的地基土單位面積凈反力，對偏心受壓基礎(chǔ)可取基礎(chǔ)邊緣處最大地基土單位面積凈反力。

Al：沖切驗算時取用的部分基底土面積（陰影部分）：Al=0.4×(4.8+5.6)/2=2.08 m2；

經(jīng)過計算，荷載組合1、2下的Fl依次為145.6 kN、258.8 kN均遠(yuǎn)小于4740 kN，滿足要求。

5 結(jié)論

根據(jù)于南京市江寧區(qū)仙林副城青龍片區(qū)房建項目房屋間距較近的特點，綜合考慮了塔吊的工作半徑和吊重等數(shù)據(jù)，采用了一臺獨立式塔吊同時滿足相鄰兩棟樓的建筑施工，相當(dāng)于節(jié)省了一臺塔吊，大大降低了造價。

針對房建地區(qū)在施工季節(jié)風(fēng)級很大的特點，每年出現(xiàn)1-2次12級以上大風(fēng)天氣，對獨立式塔吊基礎(chǔ)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行了計算，此外還進(jìn)行了沖切計算，計算結(jié)果表明塔吊基礎(chǔ)的計算項目均滿足要求。在施工過程中出現(xiàn)了一次12級風(fēng)的情況，塔吊的工作狀態(tài)良好，塔吊基礎(chǔ)也沒有出現(xiàn)任何異常。目前房建施工已經(jīng)完成，塔吊正在拆除。施工實踐表明，無論是強(qiáng)風(fēng)還是最大吊重狀態(tài)，該獨立式塔吊均能夠安然無恙，這可為相似工程的塔吊方案選擇和塔吊基礎(chǔ)設(shè)計提供借鑒。