塔式起重机的基础设计创新形式研究*

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随着我国建筑施工技术的发展，高层建筑增多、地下空间被充分利用，建筑施工的高度越来越高，建筑面积也越来越大，因此对于塔式起重机的选型、布置及基础设计等都提出了很高的要求，其设计施工所占的措施费用比重也相对较高。对于不同的施工现场来说，塔式起重机型式的选择、安装的部位以及地基情况等条件存在很大差异，使得塔式起重机基础形式呈现多样性，制造商在塔式起重机使用说明书中提供的基础图已不能适应千变万化的工程特点和现场环境。因此，在安装塔式起重机前，经济合理的配置、选择和设计塔机基础对整个施工过程中的安全保证、事故隐患消除、节约降本、技术高效等都起着关键的作用。本文的目的就是针对各种环境条件下基础形式的选择和设计作一个统筹建议和汇总，也能对后续施工中塔机基础的设计提供一定的借鉴和参考。

1 塔吊基础应用及发展现状

塔式起重机基础设计形式大致有行走式、底座固定式和基础固定式3 种：行走式主要采用轨道基础，包含碎石基础和混凝土基础2 种；底座固定式包含弱底架和强底架2 种。弱底架的刚度较差，一般采用十字交叉形的混凝土基础，强底座的刚度较好，一般采用分块式钢筋混凝土基础，在底架的四角预制4 块独立的正方形基础；基础固定式包含整体式钢筋混凝土基础和桩基承台式钢筋混凝土基础2 种，大多采用方形截面，条件许可时甚至可做成建筑物地下底板、地梁等结构的一部分，桩基承台式基础大多为四桩方形承台和十字叉形承台，条件许可时可以利用工程桩，承台可以做成建筑物底板的一部分。

目前，世界各国普遍采用基础固定式塔式起重机作为中高层建筑物的施工机械，而现有的基础固定式塔式起重机均采用现浇式钢筋混凝土基础，体积尺寸比较大，混凝土用量和配筋均很可观，且无重复利用价值，而且由于对原有结构的影响，一般需要在工程结束后凿除这些基础，造成费工费时及各种环境污染。

1997年，组合式混凝土预制构件塔式起重机基础由北京劲旅建筑集团工程师赵正义发明并研制成功，媒体简称“赵式塔机”。1999年7月在北京通过了鉴定，获得国家实用新型专利。该项专利形成了对传统整体现浇式钢筋混凝土塔式起重机基础具有革命性换代意义的完整的新技术体系，但该项技术仅在部分省市推广使用，并未在全国大部分省区形成大面积使用的效应。

2 固定式塔机基础存在的问题[1-3]

目前我们一般使用的固定式塔式起重机基础绝大多数采用的都是现浇钢筋混凝土基础承台，承台一般为矩形，少部分为三角形，厚度一般根据锚脚长度而定，约为1 300 mm；边长根据地基情况而定，对天然基础，一般需6 000～7 000 mm，如地基承载力较低，还需根据计算情况增加；对桩（立柱）基础，一般需4 000～5 000 mm；配筋方面，因为最小配筋率的限制，一般都为Φ22～25 mm@200 mm。另外由于地基承载力的原因，在软土地区一般均需要采用桩（立柱）基础方可满足要求，桩一般都是另行打设，因此综上所述，采用这种固定式塔机基础有以下问题和不足：

（a）基础形式的选择上比较单一；

（b）混凝土用量和配筋量均很可观，且无重复利用价值；

（c）受基础形状的限制，基础桩或者立柱桩无法与工程桩完全结合；新增设的桩对永久结构的受力有一定的影响；

（d）可能影响到一部分永久结构的施工及后续建筑使用功能上的隐患；

（e）一般需要凿除这些基础，造成费工费时及各种环境污染。

3 固定式塔机基础的新进展[4-6]

近年来，塔式起重机基础的发展趋势是向轻量化、重复使用、组装拆卸快捷、社会效益和经济效益明显等方面发展。为了克服传统塔式起重机基础存在的诸多弊端并且实现上述技术目标，我们可通过分析塔式起重机基础的受力性能以及基础与地基的相互作用关系，来进行基础的改进和优化，下面就目前已有的一些做法和尚未实施的一些想法作一个汇总，并提出一些使用条件和合理建议以供参考。

一般来说，目前已有的基础形式和后续可实施的基础形式均可分为三大类：一是另行制作，不利用永久结构的基础；二是可利用永久结构的基础；三是预制集成拼装化的可拆卸重复利用的基础。

3.1 不利用永久结构的基础

不利用永久结构的基础可分为固定式基础、压重式基础、梁柱式基础等。

3.1.1 固定式基础

固定式基础一般有天然基础、桩基础和格构式立柱高承台基础。

天然基础一般为矩形，也可做成十字形（图1），适用于土质条件较好的施工场地，且在塔吊基础埋置深度范围内最薄处不小于1.5 m，土层地基承载力特征值不小于210 kPa。对于地基承载力较小的土层，使用天然基础需扩大其底面积，钢筋混凝土用量、人工及后续凿除的工作量均较大，经济性不强。当基础高度因需满足塔式起重机预埋螺杆的要求而较高时（如h≥1 350 mm），为减少材料及工耗，可采用坡形顶面或台阶形顶面的基础，这种做法对桩基础也同样适用，基底面积一般没有变化，基底反力分布也不受影响，但坡形顶面或台阶变阶处需满足抗冲切要求。

图1 天然基础形式示意

桩基础通常适用于施工场地土质条件差且在塔吊基础埋置深度适用范围内无稳定原土层或者置换土层，或受场地限制须将塔吊基础深埋的情况（如埋置在地下室底板下）。桩型原则上选用与工程桩同类型桩型以利于施工方便，桩数原则上为4 根，以形成群桩承载。为增加塔吊基础稳定性，也可以做成3 根桩形成的等边三角形承台。如图2、图3、图4所示。

图2 四桩承台

图3 高桩立柱承台

图4 三桩承台

对于地下室面积较大、埋深较深（一般超过7 m）、特别是有主裙楼而裙楼面积大、主楼较高、塔机需附墙设置而必须穿过裙楼结构的情况，可在基础桩中接入钢结构立柱（一般是做成角钢格构柱）形成高桩承台，承台位置一般需与结构顶板及支撑位置兼顾协调考虑。

3.1.2 压重式基础

压重式塔吊一般有2 种形式：轨道式和固定式，常用来在结构制作场地作为垂直运输机械，也可用于高度不高于45 m的建（构）筑物。压重式塔吊的底座面积都比较大，呈正方形，压重块一般都设置在塔身下部，塔吊上部传递下来的荷载由下部4 个支座来承受，4 个支座安装在4个独立基础或轨道上，也可以是一整个基础上（图5）。由于塔身置于整个塔座的中央，压重块在整个塔底座面积上分布安放。塔身与四周的边缘形成力矩关系，在塔吊负重时，形成力的平衡关系，防止倾覆。

图5 压重式基础

压重式基础的优点在于其基础厚度满足抗弯、抗剪及抗冲切等受力要求即可，不存在基础高度因需满足塔式起重机预埋螺杆长度而过厚的情况，因此比固定式塔机基础要来得经济，且安装拆卸方便，但其对地基承载力的要求较高（一般需满足土层地基承载力特征值不小于180 kPa），且建筑适用高度有限制，一般不能设置附墙，少数类型的塔机可以设置1 道附墙。

轨道式基础一般适用于行走式塔式起重机，对于长宽比较大的建筑物和场地，且建筑物高度不超过40 m（如展览馆、仓库等）时，使用行走式塔机较为经济。目前的发展趋势是推行装配式钢筋混凝土纵梁式轨道基础。在2 根纵梁之间设置若干钢筋混凝土连系梁，以保证轨距不变。

3.1.3 梁柱式基础

梁柱式基础主要是基于前述固定式基础而进一步优化发展而来。

一般来说，对于固定式塔机基础，其主要受力点在于底脚所在处，作用在底脚上的集中力通过合成弯剪扭的方式由基础传递给地基或者立柱，对于天然基础，其基底面积决定了反力的分布，面积越大则反力越小，并以此来适应不同的地基承载力；但对立柱基础或者桩基础，基础面积并不起决定作用，而是立柱或者桩基承载力，因此将承台基础设计成梁格形式，可以简化受力，节约材料和人工，也符合我国关于深入推进建筑节能、加快发展绿色建筑、减少建筑建造和使用过程的能源资源消耗的政策，其推广应用对于建筑施工节能、绿色施工、减少能耗等具有重要的意义。

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梁柱式基础形式主要设计构想就是将塔机锚脚直接设置在主梁（也可以通过一级次梁传递到主梁上）并通过梁的受力传递到桩或者立柱上，梁截面的设计除应满足强度、变形和构造要求外，尚需考虑塔机锚脚的埋置深度，同时还要考虑梁的侧向稳定性，对高桩基础还需考虑梁柱的整体稳定。

由于梁格的布置在平面上可以基本不受限制，因此梁端立柱桩位的选择可以全部利用工程桩，而不必再另外打桩，但考虑到经济合理性及梁柱的整体稳定性，建议梁的跨度以不超过8 m为宜，梁格布置以不超过二级次梁为宜，梁截面高度不超过1 400 mm（图6）。

图6 梁柱式基础平面示意

该种基础的最大优点是可充分利用工程桩而不必另外增设桩位，且梁格能充分受力，传递荷载清晰，材料上和人工上都能有很大的节省降本空间。缺点与固定式基础一样，也是不能重复利用，需要凿除基础，造成费工费时及各种环境污染等，因此此法如能与永久结构结合则更好。

3.2 利用永久结构的基础

永久结构可以指建筑物地下室或者上部结构柱梁板，也可以是基坑支护结构中的挡墙、支撑、立柱等临时构件。按照以上说法，并结合目前已有的工程应用，此类基础可分为：仅利用永久结构柱、利用永久结构柱梁并加强、利用支护结构、利用大底板、综合利用等几种情况。

3.2.1 利用大底板

针对塔机须穿越地下室结构梁板的情况，如前述的钢立柱高桩承台，在基坑挖深不大于5 m的时候（一般为地下1 层），考虑到节约降本，在各方面条件允许的情况下，可先施工一部分底板结构作为塔机基础，这样既节省了基础费用，又无需后续凿除，是最为经济的做法。对于地下室底板结构为筏板结合下翻承台的形式，此法最为适用，一般将塔机位置布置在某个柱网网格的中央，利用该网格内的筏板结构和四角的4 个承台桩承载塔机荷载，如底板厚度不足，可考虑将局部范围的底板加厚做成上翻或者下翻的台阶。

3.2.2 仅利用永久结构柱

针对塔机须穿越地下室结构梁板的情况，如前述的钢立柱高桩承台，在基坑挖深大于5 m或者可能达到十几米的时候，考虑到节约降本，且应避免地下室结构开洞的情况下，可考虑利用地下室结构柱，在顶板柱顶上设置基础梁作为塔机承载结构，基础梁底应与永久结构梁板分开受力，通过短柱与结构柱连接并传递荷载。此法在柱距大于5 m时，考虑到基础梁设计截面及配筋均较大，不建议采用。此法缺点仍然与固定式基础一样，不能重复利用，需要后续凿除。

3.2.3 利用永久结构柱梁并加强

在4.2.2的基础上，不另外再施工基础梁，而是直接利用结构顶板梁，必要时增加一些辅助次梁，通过辅助次梁→结构梁→柱→底板的路径将荷载逐级传递到地基上，如结构梁不能满足承载力要求，可将其通过增加截面、增加配筋量等临时措施予以加强以满足要求。这种方法基础即为永久结构的一部分，无需工后凿除，较为经济环保。

3.2.4 利用支护结构

如基坑支护设计采用钻孔灌注桩或者地下连续墙等强度和刚度均较大的结构，且塔机位置可作适当调整的情况下，可将基础位置调整至支护结构附近，全部或者部分利用支护结构承载塔机基础，如能全部利用支护结构，则不另外再增设立柱桩或者其他承载构件，否则应增加立柱桩与支护共同承载。如后世博B片区央企总部B02、B03地下空间工程的塔吊基础就直接利用了地下连续墙作为基础承载构件。

3.2.5 综合利用

所谓综合利用就是将上述几种方法中的几种结合起来运用，例如在适当的条件下，可以利用支护结构及永久结构柱梁共同作为基础的承载点，一方面利用支护结构的强度和刚度，另一方面也可避免对永久结构作过多的加固，影响原建筑的使用功能或者施工功能。

3.3 预制集成拼装化基础

塔式起重机基础的最终发展趋势是预制集成化，目前来看，预制集成化有2 种形式，一种是预制混凝土拼装式基础，另一种就是钢结构拼装式基础，其中钢结构近年来不仅发展较快，而且势头较猛，显示出极好的应用前景，从发展趋势看，钢结构肯定是今后发展的热点。

对于预制混凝土基础构件，其设计构思的原则应是力求做到构件数量最少化、构件形式最简化、构件连接最优化，因此这类基础形式应结合盾构管片连接的优点特点以及木结构构件连接的一些特点，结合形成一种榫式连接预制塔式起重机基础制作的思路；对于钢结构基础构件，构思原则应是利用高强螺栓，因其施工方便、拆除灵活、受力明确、安全性好等优点，可成为钢结构基础的主要连接手段。

预制基础的优点是环保高效、装拆方便、重复利用率高、无需养护等，但其制作精度以及变形控制要求相对较高，如精度不够或者周转次数较多的情况下，会影响拼装以及节点结合的紧固性，从而也会影响其承载力，因此设计时应考虑到这些因素。

4 结语

塔式起重机基础形式的选择应根据建筑工程的所在场地条件、建筑结构条件、地质条件、塔式起重机本身的特点予以综合评判确定，最终目的就是要采用最为简洁、最为经济合理的基础形式来满足塔式起重机基底承载力的要求，从而起到节约降本、安全环保、提高工效的效果。