异形屋面的塔机基础设计研究

徐 磊

上海建工七建集团有限公司 上海 200030

1 前言

上海国际航空服务中心W-1B地块工程位于上海市徐汇区黄浦江延伸区域云锦路518号（原龙华机场内），东至云锦路，南至龙耀路， 西至规划丰谷路，北至W-1A地块审定中心。本高层塔楼为航空服务管理办公与航空维修培训用房，地上52层，地下3层，由上海建工七建集团有限公司承建。

项目附属群楼为多功能中心与会议中心工程为商办综合建筑（图1）。主体结构为型钢混凝土框架—钢筋混凝土核心筒混合结构，工程总用地面积19790m2，总建筑面积194485.5m2。

图1 裙摆结构模型

裙摆结构做为裙房及部分首层结构的雨篷，结构上似塔楼结构自然下摆形成（图2）。主要结构位于塔楼北东、西、北三侧，平面总长约113m，宽度约为30-113m，总投影面积约为6892m2，展开面积约14000m2。现为满足裙摆钢结构的施工，需要在群房顶部安装1台抚顺永茂ZSL720型动臂塔机进行屋顶飘带结构施工。根据现场实际施工时吊装作业工况覆盖范围及飘带单件格构物重量，综合考虑塔机性能及自重，现决定采用抚顺永茂STL720型动臂塔机[1]。

但根据现场施工工序，在进行裙摆钢结构的施工时，由于建筑本身已完成主体结构施工，建筑外墙已转入幕墙施工阶段，项目现场已无满足正常安装该塔机的基础工况。经研究，只能将塔机安放在裙楼屋面，并为其制作满足裙楼屋面塔机安装承载力要求的异形屋面基础，并对楼面进行加固转换处理，在设备安装位置下原有混凝土柱中选取四根作为主受受力柱，并在四根混凝土柱中植入埋板，在埋板上焊接另行设计的钢梁基础，将塔机安装在满足塔机承载能力要求的连系基础梁上方，进行整体裙摆钢结构的吊装施工作业[2]。

2 钢梁基础设计

本项目选用的塔机为抚顺永茂建筑机械有限公司生产制造，本塔机最大工作幅度60m，独立高度48.4m，外附最大高度330m，最大起重量32t（60m臂长时最大起重量16t），末端起重量9.0t，额定起重力矩为7000kN·m（表1）[3]。

表1 起重特性表

根据现场施工情况，该塔机实际安装臂长60m，塔机基础标高为19.2m，初始安装2个标准节，然后再顶升4个标准节，达到最终使用高度为6个标准节。塔机标准节规格为2350*2350*6000mm。

塔机支腿对支承基础梁的受力为：压力3826KN（对角支腿为2886KN），另一对对角支腿受力为压力496KN，水平剪力48KN，基础梁的设计和施工需满足此受力要求。

塔机采用钢基础，钢基础直接作用于框架柱柱顶。为尽可能减少钢基础因变形产生轴向力，基础下方设置固定铰支座和滑动铰支座，支座与混凝土框架柱通过后植埋件连接起来[4]。

塔机钢基础采用井格梁结构体系，由两根主梁和4根井字梁组成（图2）。井字梁之间以及井字梁与主梁之间均采用刚接连接节点。主梁与混凝土框架柱之间通过铰支座连接。

图2 钢基础平面布置图

钢基础梁均采用箱形截面，截面规格为B1700mm×700mm×30mm×40mm，材质为Q345B。

支座选择一个固定铰支座，一个双向滑动支座以及两个单向滑动支座。铰支座应由专业厂家根据所提参数设计深化。

3 钢梁基础校核计算

3.1 荷载

1）恒荷载

指钢基础杆件自重。

2）塔吊荷载

指塔吊在使用过程中作用于塔身上的荷载值，具体数值参见表2（由供应商提供）。

表2 塔吊荷载

3.2 荷载组合

承载力校核时的荷载组合为“1.2×恒载+1.4×塔吊荷载”。变形校核时的荷载组合为“1.0×恒载+1.0×塔吊荷载”。

图3 计算模型工况

3.3 校核结果

1）钢梁应力验算结果

本次钢箱梁基础计算采用MADIS GEM软件。计算结果表明，在最不利荷载组合下，钢转换梁截面最大正应力为，截面最大剪应力为；钢转换梁正应力最大应力比为，剪应力最大应力比为，均小于1.0，故钢转换梁满足承载力要求。

2）钢梁挠度结果

计算结果表明，在最不利荷载组合下，上层钢转换梁整体最大挠度为（图8），下层钢转换梁最大挠度为。最大挠跨比为为，满足塔吊正常使用要求。塔身底部节点在塔吊不同的使用工况下，挠度各不相同，最大挠度差异值为13.64mm（表3）。

图4 钢转换梁挠度分布图

表3 塔身底部节点挠度及其差异值

3）支座选型及其参数

对节点79、93、33和34进行边界约束。其中约束节点79所有平动自由度，释放节点93轴向平动自由度，释放节点33法向平动自由度，释放节点34两个水平平动自由度[5]（图5）。

图5 钢基础节点号及边界约束情况

表4 支座参数一览表

图6 支座图示

4 基础设计和施工中的改进

1）考虑到箱梁基础自重已抵消了塔机弯矩所产生的拉力，为尽可能减少钢基础因变形产生轴向力，基础下方设置固定铰支座和滑动铰支座；

2）考虑到支座高度为140mm，支座上盖板与梁底端的焊接为仰焊接，离楼板面仅140mm高实施仰焊难度很大，焊接质量控制难度也很大，所以在钢梁下端增加350mm高的支腿，增加焊接作业施工面，以便于电焊工进行仰焊施工；

3）现场4根混凝土主受力柱由于主结构施工完成，为其额外进行的植筋工作无法完成，经过与设备厂商、设备安装单位、施工单位技术负责人讨论，最后听取并采用施工单位意见，凿去4根混凝土柱柱顶混凝土保护层，用钢板与内部劲性柱进行焊接，再在面板上开槽与钢板焊接，完成基础梁施工；

4）在每个支座处增加2个倒L形板，作为支座防脱离措施，用于防止有不可预见的拉力产生时导致支座上下脱离；

5）对于基础施工中种植的所有M24化学螺栓，严格按照方案种植数量进行安装，塔机安装前应取相应数量的化学螺栓进行抗拔试验，待结果满足施工需求后，方可进行安装作业；

6）供塔机基础使用的转换桁架支承梁设计应满足塔机基础载荷要求，涉及原结构受力的支承点荷载情况与热处理不得改变。对转换桁架支承的代表节点焊缝可采用全熔透焊缝，并且转换桁架支承可调整为箱形梁支承，梁面积为B1700x700x30x40mm，材质为Q345B，焊接要求同钢梁焊接。

5 结束语

本工程设计的钢梁基础适用于异形屋面等工况较为特殊，无法满足原有说明书基础的特殊工况塔机基础施工设计。通过工程实践应用，塔机基础承载能力、现场的安装均处于安全、方便和可控的状态，各部件的结构形式均满足方案计算要求，安全可靠性比较高，经济实用性强，切实解决了屋面异形、有坡度等复杂状态下塔机基础设置的难题，对于类似的工程具有较强的参考价值。