置于建筑结构内的固定式塔吊基础的设计研究

张 宇

1. 上海市机械施工集团有限公司 上海 200072；

2. 上海面向典型建筑应用机器人工程技术研究中心 上海 200070

塔式起重机（以下简称“塔吊”）具有较大的起升高度和工作幅度，并且结构简单、拆装方便。在高层、超高层的工业和民用建筑施工中，塔吊得到了非常广泛的应用[1-8]。在固定式塔吊专项方案中，塔吊基础的设计、实施是塔吊能够得以安全、高效工作的重要前提。

固定式塔吊基础有板式（矩形、方形）、十字形、桩基及组合式等形式。塔吊使用说明书中一般会给出塔吊基础的建议方案，但在工程实施中，由于塔吊位置及施工进度的影响，塔吊基础无法按常规做法实施。若能将塔吊基础置于建筑结构内，将会很好地解决这一难题。本文将塔吊基础分为预埋塔吊基础和后置塔吊基础，结合具体案例，总结和分析利用建筑结构设计塔吊基础的方法，为更多的工程应用提供参考。

1 塔吊荷载

塔吊在独立状态时，所承受的由风载荷等水平载荷及倾覆力矩、水平扭矩对基础的作用效应最大。当塔吊处于附着状态时，即安装附墙装置后，虽然增加了标准节质量，但是此时塔吊所承受的各种水平载荷及倾覆力矩、扭矩等主要由附墙装置承担，基础仅主要承担塔吊自身的质量，所以对塔吊基础进行设计时，仅需考虑独立状态的情况即可。

塔吊作用于基础的荷载应包括塔吊作用于基础顶部的竖向荷载Fk、水平荷载Fvk、倾覆力矩Mk、扭矩荷载Tk，以及基础及其上的土的自重荷载Gk。荷载数据一般需要由塔吊制造商提供（图1）。

当对塔吊基础进行分析计算时，可以将塔吊作用于基础上的荷载分配至每个塔身主肢位置，主要考虑以下荷载对基础的作用（图2）。

图2 塔身立柱荷载

塔吊绕水平x轴作用时，塔身主肢作用到基础上的荷载具体可表示为：

2 塔吊基础结构介绍

2.1 预埋塔吊基础的设计研究

预埋塔吊基础是指在建筑结构的大底板、承台等未完成混凝土浇筑施工前，将塔吊基础结构所需的构件（塔吊底脚、基础节等）预埋到建筑结构中，塔吊基础与底板浇筑成为一体，建筑结构的大底板或承台在施工期间兼作塔吊基础。塔吊基础区域现浇混凝土厚度应根据大底板或承台结构的受力情况，以及塔吊基础节埋深要求等做相应调整，条件允许时宜与原设计底板同厚度，无法满足时可增大区域厚度。

工程案例1中，塔吊基础与大底板浇筑成为一体（图3），经复核计算，利用大底板混凝土板及桩基即可承受塔吊的荷载。但是在实际施工中，往往会因考虑到钢结构构件的质量及塔吊安装位置的影响，而选用中型或重型塔吊，这对塔吊基础的承载力提出了较高的要求，建筑原结构可能无法承受。

图3 工程案例1

工程案例2为局部加厚原设计大底板形成塔吊基础，但由于此塔吊基础与周围大底板浇筑成为一体，因此从结构受力角度而言，塔吊荷载并非仅由加厚的塔吊承台区域所承担，需考虑承台与大范围底板形成的共同受力体系。如图4所示，由于本案例中大底板下方桩基排布十分不规则，因此建立有限元分析模型进行大底板的受力分析。

图4 工程案例2

本文采用Midas Gen软件进行建模分析，塔吊承台和大底板均选用厚板单元，板厚按承台和底板分区赋值。工程案例1中板厚为大底板厚度，工程案例2中塔吊承台处板厚较大，其余为大底板厚度。

为避免集中点荷载使板单元产生应力集中的问题，本文中的塔吊荷载根据荷载分布形式，换算为塔吊主肢处的局部板单元压力荷载进行施加。

桩基以对应位置处的节点竖向弹簧约束进行模拟（图5、图6）。同样的，为避免集中点约束造成应力集中的问题，本工程案例中，每根桩对应有9个板单元节点，桩基的竖向弹簧刚度统一按200 kN/mm考虑，即于每根桩基对应位置处的节点施加22 kN/mm的竖向弹簧刚度约束。不考虑桩间土体对承台和大底板的有利作用。

图5 工程案例1

图6 工程案例2

利用软件计算出各板单元的剪力值、弯矩值及桩顶反力值，并根据设计图纸提供的底板、承台、桩基信息复核承载力，可按GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》6.5节中的相关公式对塔吊基础的受冲切承载进行验算。

预埋塔吊基础要按照JGJ/T 187—2019《塔式起重机混凝土基础工程技术标准》的相关要求设计实施。固定支腿或预埋节的安装要符合塔吊使用说明书的要求。图7为混凝土浇筑前后的塔吊预埋节。

图7 塔吊预埋节

2.2 后置塔吊基础的设计研究

后置塔吊基础是指建筑结构已完成，利用结构受力特点，将塔吊基础安装在已有建筑结构之上，通常采用后植埋件形式实现。

在工程案例3中，钢结构施工前大底板及承台结构均已完成，根据施工需要，M900D塔吊要布置在工程案例3所示的位置（图8），因此需要在既有承台结构之上安装塔吊。经设计计算，预埋件埋设在承台之上，用于安装作为塔吊基础的2组转换钢梁，再进行塔吊的安装工作。

图8 工程案例3

工程案例4也遇到了类似情况（图9），在塔吊安装前，顶板结构均已完成，为了充分利用已有结构，布置塔吊时选择利用承载力较高的混凝土梁。预埋件埋设在混凝土梁上，依次安装2组转换钢梁作为塔吊基础。

图9 工程案例4

计算转换梁及埋件支反力时，塔吊传递的荷载作为集中力加载到塔吊立柱位置处（图10）。塔吊荷载直接作用于上层转换梁，进而传递到下层转换梁及埋件位置，计算出各层梁的剪力、弯矩值。需考虑不同工况下的塔吊荷载，并计算最不利工况下转换梁的受力及埋件支反力（图11、图12）。

图10 转换梁布置示意

图11 水平轴方向塔吊荷载

图12 对角线方向塔吊荷载

式中：Mx、My—对x轴和y轴的计算弯矩，N·mm；

同时，埋件与下层转换梁，以及上、下层转换梁之间的连接处也要进行设计计算，确保连接可靠。每个连接节点位置需布置构造筋板。计算出的埋件支反力是复核塔吊基础位置处的建筑结构的依据。在工程案例3中，需要复核对应下部桩基结构的承载力，在工程案例4中，需要对埋件位置的混凝土梁承载能力进行验算。

3 结语

预埋塔吊基础和后置塔吊基础，都能够充分利用既有建筑结构承载塔吊荷载，使得施工中塔吊的布置在时间和空间上更加灵活，兼顾了技术方案的安全性、技术可行性及经济合理性。工程施工中塔吊安全至关重要，具体实施中，无论是预埋塔吊基础，还是后置塔吊基础，都要严格按照塔吊基础的各项技术规程实施，同时要遵照塔吊制造商提供的使用说明书的安装要求进行操作。