塔式起重機基礎配筋優化分析

高俊峰，陳 青，劉欣璐

(遠洋國際建設有限公司，北京 100020)

0 引言

塔式起重機是現代建筑施工中主要的大型施工機械之一，塔式起重機基礎是為確保塔式起重機安全正常運行工作設置的臨時專用基礎。

在建筑施工現場平面布置中，塔式起重機既可布置于建筑基坑外，也可布置于建筑基坑內。根據塔式起重機基礎位置土質及其他條件，塔式起重機基礎可采用天然地基基礎或樁基礎。

塔式起重機廠家給出的標準基礎一般是以天然地基承載力滿足一定條件設計的基礎，通常為邊長6m左右、厚>1m的鋼筋混凝土實心體。

1 決定塔式起重機基礎尺寸因素分析

塔式起重機對基礎產生的作用有豎向荷載(塔式起重機自重及吊重)、水平荷載(風荷載)、傾覆力矩和扭矩，如圖1所示。決定塔式起重機基礎尺寸的因素主要有以下3個。

1)地基承載力

塔式起重機基礎在豎向荷載、水平荷載、傾覆力矩和扭矩及基礎自重共同作用下，屬于偏心荷載受力狀態。

采用天然地基時，塔式起重機基礎所受的地基反力分布情況多如圖2所示，塔式起重機基礎對地基產生的作用應符合GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》第5.2.1條要求，即：

pk≤fa

(1)

pkmax≤1.2fa

(2)

式中：pk為軸心荷載作用下，相應于作用的標準組合時，基礎底面處的平均壓力值；fa為修正后的地基承載力特征值；pkmax為偏心荷載作用下，相應于作用的標準組合時，基礎底面邊緣的最大壓力值。

2)塔式起重機的抗傾覆驗算

塔式起重機處于附著/未附著或工作/非工作狀態時，其對基礎的作用除豎向力、水平力外，還有較大的傾覆力矩。

因此，塔式起重機基礎需有足夠的尺寸和質量，以滿足其在豎向荷載、水平荷載、傾覆力矩和扭矩及基礎自重共同作用下的抗傾覆驗算。

由于塔式起重機傾覆力矩是任意方向的，因此，應進行x，y向及45°方向抗傾覆驗算。

抗傾覆驗算應滿足：

Mk/Mq≥1.6

(3)

Mk=(Fv+G)×0.45b

(4)

Mq=M+Fnh

(5)

3)塔式起重機基礎在地基反力作用下的承載力驗算(抗彎、抗剪)

理論上講，塔式起重機基礎在地基反力作用下的承載力驗算(抗彎、抗剪)也是決定其尺寸的影響因素。但根據常用塔式起重機基礎配筋圖可知，配筋率一般為0.2%左右，遠小于最大配筋率2.5%，這說明影響塔式起重機基礎尺寸的關鍵因素是地基承載力和抗傾覆驗算。

2 現行塔式起重機基礎配筋及存在的問題分析

如前所述，采用天然地基時，塔式起重機基礎尺寸主要是由地基承載力和抗傾覆驗算決定的。圖3所示為建筑工程施工常用的W6015(中聯)塔式起重機在地耐力為140kN/m2條件下的標準基礎尺寸和配筋圖。

由圖3可知，塔式起重機基礎上、下層鋼筋采用了完全相同的配筋。縱觀塔式起重機基礎受力，其所受外力主要來自于塔式起重機豎向荷載、水平荷載、傾覆力矩及地基土給予的反力，此受力狀態與建筑結構設計中柱下獨立基礎受力完全等同，如圖4所示，常用的獨立基礎(臺階式和斜坡式)標準配筋形式如圖5，6所示。

獨立基礎受力狀態決定了獨立基礎作為周邊自由的受彎、剪構件不會產生負彎矩。因此，常用的臺階式或斜坡式獨立基礎均未在基礎上側配置水平鋼筋，這與基礎受力是完全吻合的。同理，在結構設計中，板類構件上層鋼筋采用分離式配筋，即板類構件受壓區不配置受力鋼筋，如圖7所示。

目前塔式起重機廠家給出的天然地基條件下標準基礎配筋圖中，受壓區(上側)均采用與受拉區(下側)相同的鋼筋，造成了浪費。

實際上，塔式起重機基礎作為大截面受彎構件，無須在受壓區配置與受拉區相同的鋼筋，雖然多配筋對于安全是有利的，但造成了不必要的浪費，是不合理的配筋設計。

JGJ/T 187—2019《塔式起重機混凝土基礎工程技術標準》中第5.2.3條明確規定上層鋼筋截面面積不宜小于下層鋼筋截面面積的一半。考慮塔式起重機基礎的重要性，該條文規定較《建筑地基基礎設計規范》第8.2節的規定略高。塔式起重機基礎在傾覆力矩作用下，受到塔式起重機錨栓等的上拔力作用，產生負彎矩，故規定基礎架立筋的截面面積不宜小于受力筋截面面積的一半，必要時主筋宜上下對稱配筋。

筆者認為塔式起重機立柱在傾覆力矩的作用下，對基礎產生向上拉力，應進行嚴格的抗拔設計和驗算，而不應通過加大基礎上層鋼筋等非主要影響因素實現，避免增加不必要的成本。

3 塔式起重機基礎配筋優化建議

首先需要說明的是，本文提出的塔式起重機基礎配筋優化建議是針對天然地基條件下的塔式起重機基礎，因場地條件、地基承載力等因素采用樁基礎或在內支撐基坑支護條件下，塔式起重機基礎在基坑內采用格構式柱和樁基礎時，需進行專門的受力分析和設計。

根據前述天然地基條件下的塔式起重機基礎受力分析和結構設計中獨立基礎配筋，可對目前塔式起重機廠家提供的標準基礎配筋進行以下優化設計。

1)上層鋼筋優化

上層鋼筋按照下層鋼筋配筋間距雙向布置，但上層鋼筋僅按構造配筋，鋼筋直徑調整為12，14mm即可。將上層鋼筋與下層鋼筋采用相同間距布置，是為了方便布設基礎抗沖切驗算需配置的豎向拉結筋。

2)下層鋼筋優化

由于塔式起重機基礎是以塔身為中心的懸臂受彎構件，因此，基礎下層鋼筋可按彎矩分布進行優化。地基反力對基礎產生的彎矩在基礎邊緣為0，在基礎中心區域最大。參考結構設計中獨立基礎優化配筋做法，將下層鋼筋長度縮減為通長配筋的90%，采用鋸齒形布置方式，如圖8所示，基礎下層鋼筋可減少10%的配筋量。

以W6015(中聯)塔式起重機在地耐力140kN/m2條件下的標準基礎配筋為準，將塔式起重機基礎上層鋼筋由φ25調減為φ12后，可節約鋼材912kg，如果下層鋼筋按前述方法進行優化，可節約鋼材118kg。以目前的鋼材價格和人工費用計算，每臺塔式起重機基礎可節約6 500元。

4 塔式起重機基礎配筋優化應用實踐及推廣應用前景

自2015年開始推進塔式起重機基礎配筋優化以來，按上述方法共優化了300多臺塔式起重機基礎配筋，代表性工程優化結果如表1所示，優化后的基礎安全可靠。

表1 塔式起重機基礎配筋優化代表性工程

建筑行業對資源的消耗是巨大的，1臺中小型塔式起重機基礎配筋優化可節約鋼筋1 030kg，全國每年十幾億m2的建筑竣工交付，如果50%的塔式起重機基礎采用天然基礎，按2萬m2建筑面積配置1臺塔式起重機算，可進行基礎配筋優化的塔式起重機為30 000～40 000臺，可節約2.1～2.8億元的費用。

5 結語

1)現行塔式起重機廠家提供的塔式起重機基礎配筋圖存在明顯的過度配筋現象，特別是基礎上層鋼筋采用與基礎下層鋼筋相同面積的配筋。

2)本文建議的塔式起重機基礎配筋優化僅適用于天然地基條件下的塔式起重機基礎，不適用于樁基礎條件下的塔式起重機基礎。

3)塔式起重機基礎配筋優化包括上、下層鋼筋優化。上層鋼筋可按受壓區構造配筋，下層鋼筋可參考結構工程設計中混凝土獨立基礎配筋，按間隔布置方式進行鋼筋布置。