置于建筑結構內的固定式塔吊基礎的設計研究

張 宇

1. 上海市機械施工集團有限公司 上海 200072；

2. 上海面向典型建筑應用機器人工程技術研究中心 上海 200070

塔式起重機（以下簡稱“塔吊”）具有較大的起升高度和工作幅度，并且結構簡單、拆裝方便。在高層、超高層的工業和民用建筑施工中，塔吊得到了非常廣泛的應用[1-8]。在固定式塔吊專項方案中，塔吊基礎的設計、實施是塔吊能夠得以安全、高效工作的重要前提。

固定式塔吊基礎有板式（矩形、方形）、十字形、樁基及組合式等形式。塔吊使用說明書中一般會給出塔吊基礎的建議方案，但在工程實施中，由于塔吊位置及施工進度的影響，塔吊基礎無法按常規做法實施。若能將塔吊基礎置于建筑結構內，將會很好地解決這一難題。本文將塔吊基礎分為預埋塔吊基礎和后置塔吊基礎，結合具體案例，總結和分析利用建筑結構設計塔吊基礎的方法，為更多的工程應用提供參考。

1 塔吊荷載

塔吊在獨立狀態時，所承受的由風載荷等水平載荷及傾覆力矩、水平扭矩對基礎的作用效應最大。當塔吊處于附著狀態時，即安裝附墻裝置后，雖然增加了標準節質量，但是此時塔吊所承受的各種水平載荷及傾覆力矩、扭矩等主要由附墻裝置承擔，基礎僅主要承擔塔吊自身的質量，所以對塔吊基礎進行設計時，僅需考慮獨立狀態的情況即可。

塔吊作用于基礎的荷載應包括塔吊作用于基礎頂部的豎向荷載Fk、水平荷載Fvk、傾覆力矩Mk、扭矩荷載Tk，以及基礎及其上的土的自重荷載Gk。荷載數據一般需要由塔吊制造商提供（圖1）。

當對塔吊基礎進行分析計算時，可以將塔吊作用于基礎上的荷載分配至每個塔身主肢位置，主要考慮以下荷載對基礎的作用（圖2）。

圖2 塔身立柱荷載

塔吊繞水平x軸作用時，塔身主肢作用到基礎上的荷載具體可表示為：

2 塔吊基礎結構介紹

2.1 預埋塔吊基礎的設計研究

預埋塔吊基礎是指在建筑結構的大底板、承臺等未完成混凝土澆筑施工前，將塔吊基礎結構所需的構件（塔吊底腳、基礎節等）預埋到建筑結構中，塔吊基礎與底板澆筑成為一體，建筑結構的大底板或承臺在施工期間兼作塔吊基礎。塔吊基礎區域現澆混凝土厚度應根據大底板或承臺結構的受力情況，以及塔吊基礎節埋深要求等做相應調整，條件允許時宜與原設計底板同厚度，無法滿足時可增大區域厚度。

工程案例1中，塔吊基礎與大底板澆筑成為一體（圖3），經復核計算，利用大底板混凝土板及樁基即可承受塔吊的荷載。但是在實際施工中，往往會因考慮到鋼結構構件的質量及塔吊安裝位置的影響，而選用中型或重型塔吊，這對塔吊基礎的承載力提出了較高的要求，建筑原結構可能無法承受。

圖3 工程案例1

工程案例2為局部加厚原設計大底板形成塔吊基礎，但由于此塔吊基礎與周圍大底板澆筑成為一體，因此從結構受力角度而言，塔吊荷載并非僅由加厚的塔吊承臺區域所承擔，需考慮承臺與大范圍底板形成的共同受力體系。如圖4所示，由于本案例中大底板下方樁基排布十分不規則，因此建立有限元分析模型進行大底板的受力分析。

圖4 工程案例2

本文采用Midas Gen軟件進行建模分析，塔吊承臺和大底板均選用厚板單元，板厚按承臺和底板分區賦值。工程案例1中板厚為大底板厚度，工程案例2中塔吊承臺處板厚較大，其余為大底板厚度。

為避免集中點荷載使板單元產生應力集中的問題，本文中的塔吊荷載根據荷載分布形式，換算為塔吊主肢處的局部板單元壓力荷載進行施加。

樁基以對應位置處的節點豎向彈簧約束進行模擬（圖5、圖6）。同樣的，為避免集中點約束造成應力集中的問題，本工程案例中，每根樁對應有9個板單元節點，樁基的豎向彈簧剛度統一按200 kN/mm考慮，即于每根樁基對應位置處的節點施加22 kN/mm的豎向彈簧剛度約束。不考慮樁間土體對承臺和大底板的有利作用。

圖5 工程案例1

圖6 工程案例2

利用軟件計算出各板單元的剪力值、彎矩值及樁頂反力值，并根據設計圖紙提供的底板、承臺、樁基信息復核承載力，可按GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》6.5節中的相關公式對塔吊基礎的受沖切承載進行驗算。

預埋塔吊基礎要按照JGJ/T 187—2019《塔式起重機混凝土基礎工程技術標準》的相關要求設計實施。固定支腿或預埋節的安裝要符合塔吊使用說明書的要求。圖7為混凝土澆筑前后的塔吊預埋節。

圖7 塔吊預埋節

2.2 后置塔吊基礎的設計研究

后置塔吊基礎是指建筑結構已完成，利用結構受力特點，將塔吊基礎安裝在已有建筑結構之上，通常采用后植埋件形式實現。

在工程案例3中，鋼結構施工前大底板及承臺結構均已完成，根據施工需要，M900D塔吊要布置在工程案例3所示的位置（圖8），因此需要在既有承臺結構之上安裝塔吊。經設計計算，預埋件埋設在承臺之上，用于安裝作為塔吊基礎的2組轉換鋼梁，再進行塔吊的安裝工作。

圖8 工程案例3

工程案例4也遇到了類似情況（圖9），在塔吊安裝前，頂板結構均已完成，為了充分利用已有結構，布置塔吊時選擇利用承載力較高的混凝土梁。預埋件埋設在混凝土梁上，依次安裝2組轉換鋼梁作為塔吊基礎。

圖9 工程案例4

計算轉換梁及埋件支反力時，塔吊傳遞的荷載作為集中力加載到塔吊立柱位置處（圖10）。塔吊荷載直接作用于上層轉換梁，進而傳遞到下層轉換梁及埋件位置，計算出各層梁的剪力、彎矩值。需考慮不同工況下的塔吊荷載，并計算最不利工況下轉換梁的受力及埋件支反力（圖11、圖12）。

圖10 轉換梁布置示意

圖11 水平軸方向塔吊荷載

圖12 對角線方向塔吊荷載

式中：Mx、My—對x軸和y軸的計算彎矩，N·mm；

同時，埋件與下層轉換梁，以及上、下層轉換梁之間的連接處也要進行設計計算，確保連接可靠。每個連接節點位置需布置構造筋板。計算出的埋件支反力是復核塔吊基礎位置處的建筑結構的依據。在工程案例3中，需要復核對應下部樁基結構的承載力，在工程案例4中，需要對埋件位置的混凝土梁承載能力進行驗算。

3 結語

預埋塔吊基礎和后置塔吊基礎，都能夠充分利用既有建筑結構承載塔吊荷載，使得施工中塔吊的布置在時間和空間上更加靈活，兼顧了技術方案的安全性、技術可行性及經濟合理性。工程施工中塔吊安全至關重要，具體實施中，無論是預埋塔吊基礎，還是后置塔吊基礎，都要嚴格按照塔吊基礎的各項技術規程實施，同時要遵照塔吊制造商提供的使用說明書的安裝要求進行操作。