1、塔式起重機(jī)天然地基基礎(chǔ)的設(shè)計華錦耀（華豐建設(shè)股份有限公司 浙江寧波 315040）1、前言塔式起重機(jī)（以下簡稱塔機(jī)）地基基礎(chǔ)的設(shè)計應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，綜合考慮工程結(jié)構(gòu)類型及布置、施工條件、環(huán)境影響、使用條件和工程造價等因素，做到因地制宜且安全經(jīng)濟(jì)地設(shè)計計算。塔機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計應(yīng)按獨立狀態(tài)下的工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)的荷載分別計算。塔機(jī)基礎(chǔ)工作狀態(tài)的荷載應(yīng)包括塔機(jī)和基礎(chǔ)的自重荷載、起重荷載、風(fēng)荷載，并應(yīng)計入可變荷載的組合系數(shù)，其中起重荷載不應(yīng)計入動力系數(shù)；非工作狀態(tài)下的荷載應(yīng)包括塔機(jī)和基礎(chǔ)的自重荷載、風(fēng)荷載。塔機(jī)在獨立狀態(tài)時，所承受的風(fēng)荷載等水平荷載及傾覆力矩、扭矩對基礎(chǔ)的作用效應(yīng)最大；附著狀態(tài)（安

2、裝附墻裝置后）時，塔機(jī)雖然增加了標(biāo)準(zhǔn)節(jié)自重，但對基礎(chǔ)設(shè)計起控制作用的各種水平荷載及傾覆力矩、扭矩等主要由附墻裝置承擔(dān)，故附著狀態(tài)可不計算。目前各工程項目塔機(jī)的地基基礎(chǔ)均按塔機(jī)制造商提供的基礎(chǔ)圖施工，由于這些塔機(jī)基礎(chǔ)圖在全國各地使用中所處的風(fēng)荷載、工程地質(zhì)差異很大，當(dāng)使用地的風(fēng)荷載很大時就會不安全，而在風(fēng)荷載較小地區(qū)就會導(dǎo)致浪費(fèi)保守，例如利用天然地基承載的塔機(jī)基礎(chǔ)圖常注明地基承載力特征值不得小于200KN/m2，實際上不符合因地制宜的設(shè)計原則。下面根據(jù)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)塔式起重機(jī)混凝土基礎(chǔ)工程技術(shù)規(guī)程JGJ/T187-2009，通過實例說明塔機(jī)獨立狀態(tài)下地基基礎(chǔ)科學(xué)合理的設(shè)計計算。2、塔機(jī)豎向荷載分析

3、塔機(jī)的豎向荷載FK包括：塔身自重G0、起重臂自重G1、小車和吊鉤自重G2、平衡臂自重G3、平衡塊自重G4、最大起重荷載Qmax、最小起重荷載Qmin、塔機(jī)各分部重心至塔身中心的距離RGi、最大或最小起重荷載至塔身中心相應(yīng)的最大距離RQi。將塔機(jī)各構(gòu)件自重及起重荷載分別計算的目的在于分析計算豎向荷載作用下的傾覆力矩，常用的QTZ60塔機(jī)豎向荷載（浙江省建設(shè)機(jī)械集團(tuán)有限公司制造）如圖1所示。圖1 QTZ60塔機(jī)豎向荷載簡圖3、塔機(jī)風(fēng)荷載分析3.1 塔機(jī)風(fēng)荷載取值的基本規(guī)定塔機(jī)工作狀態(tài)的基本風(fēng)壓應(yīng)按0.20 kN/m2取用，風(fēng)荷載作用方向應(yīng)按起重力矩同向計算；非工作狀態(tài)的基本風(fēng)壓應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)建筑

4、結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009中給出的塔機(jī)使用地點50年一遇的風(fēng)壓取用，且不小于0.35kN/m2，風(fēng)荷載作用方向應(yīng)從平衡臂吹向起重臂。3.2 塔機(jī)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算垂直于塔機(jī)表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2），應(yīng)按下式計算： （1）式中： 風(fēng)振系數(shù)；風(fēng)荷載體型系數(shù)；風(fēng)壓等效高度變化系數(shù)；基本風(fēng)壓（kN/m2）；塔機(jī)的風(fēng)振系數(shù)可根據(jù)不同的基本風(fēng)壓和地面粗糙度類別及塔機(jī)的計算高度H按塔式起重機(jī)混凝土基礎(chǔ)工程技術(shù)規(guī)程JGJ/T187-2009附錄A表A.1.2確定。塔機(jī)的風(fēng)荷載體型系數(shù)，當(dāng)塔身為型鋼或方鋼管桿件的桁架時，取1.95；當(dāng)塔身為圓鋼管桿件的桁架時，可根據(jù)不同的基本風(fēng)壓和風(fēng)壓等效高度變化系數(shù)按

5、JGJ/T187-2009附錄A表A.1.3確定。塔機(jī)的風(fēng)壓高度變化系數(shù)，可采用等效高度變化系數(shù)將風(fēng)荷載轉(zhuǎn)化為等效均布線荷載，根據(jù)塔機(jī)不同的計算高度H、地面粗糙度，按JGJ/T187-2009附錄A表A.1.4確定，以方便計算。3.3 塔機(jī)工作狀態(tài)時風(fēng)荷載計算工作狀態(tài)時塔機(jī)風(fēng)荷載的等效均布線荷載標(biāo)準(zhǔn)值qsk（kN/m）應(yīng)按下列公式計算： （2） （3） （4）式中：塔機(jī)工作狀態(tài)時，基本風(fēng)壓值取0.20 kN/m2；塔身單片桁架結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積（m2）；塔身前后片桁架的平均充實率；塔身桁架結(jié)構(gòu)寬度（m）；塔機(jī)獨立狀態(tài)下計算高度（m），按基礎(chǔ)頂面至錐形塔帽一半處取值。工作狀態(tài)時，作用在塔機(jī)上風(fēng)荷載的水

6、平合力標(biāo)準(zhǔn)值Fvk應(yīng)按下式計算： （5）工作狀態(tài)時，風(fēng)荷載作用在基礎(chǔ)頂面的力矩標(biāo)準(zhǔn)值Msk應(yīng)按下式計算： （6）3.4 塔機(jī)非工作狀態(tài)時風(fēng)荷載計算非工作狀態(tài)時塔機(jī)風(fēng)荷載的等效均布線荷載標(biāo)準(zhǔn)值qsk應(yīng)按下列公式計算： （7） （8）式中：非工作狀態(tài)時，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）；非工作狀態(tài)時的基本風(fēng)壓（kN/m2），應(yīng)按當(dāng)?shù)?0年一遇的風(fēng)壓取用，且不小于0.35 kN/m2。非工作狀態(tài)時，作用在塔機(jī)上風(fēng)荷載的水平合力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下式計算： （9）非工作狀態(tài)時，風(fēng)荷載作用在基礎(chǔ)頂面上的力矩標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下式計算： （10）綜上所述，塔機(jī)在獨立狀態(tài)時，作用于基礎(chǔ)的荷載包括豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值，水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值，傾

7、覆力矩荷載標(biāo)準(zhǔn)值，以及基礎(chǔ)及其上土的自重荷載標(biāo)準(zhǔn)值,見圖2。考慮一般塔機(jī)基礎(chǔ)所受的扭矩TK較小，遠(yuǎn)小于混凝土基礎(chǔ)1/4的開裂扭矩T，故設(shè)計中可不計扭矩的作用。圖2 基礎(chǔ)荷載4、地基承載力設(shè)計計算示例4.1 工程概況4.1.1 塔機(jī)概況根據(jù)工程實況，采用塔機(jī)型號為QTZ60，塔身為方鋼管桁架結(jié)構(gòu)，塔身桁架結(jié)構(gòu)寬度為1.6m，最大起重量為6t，最大起重力矩為69t·m，最大吊物幅度50m，結(jié)構(gòu)充實率=0.35，獨立狀態(tài)塔機(jī)最大起吊高度40m，塔機(jī)計算高度43m（取至錐形塔帽的一半高度），現(xiàn)場為B類地面粗糙度。4.1.2 地基基礎(chǔ)概況根據(jù)現(xiàn)場的工程地質(zhì)勘察報告，持力層地基為可塑狀態(tài)的粉質(zhì)粘

8、土，地基承載力特征值，重度，地下水位在自然地面下3m以下，且無軟弱下臥層，故采用天然地基上方形基礎(chǔ)，其尺寸為b×l×h=5100mm×5100mm×1250mm，混凝土強(qiáng)度等級C25。基礎(chǔ)埋置深度為1.5m，基礎(chǔ)頂面不覆土。塔機(jī)工作地點為深圳市，塔機(jī)基礎(chǔ)示意圖如圖3。圖3 塔機(jī)基礎(chǔ)平面和A-A剖面4.2 基礎(chǔ)所受荷載分析塔機(jī)QTZ60的豎向荷載簡圖如圖1。4.2.1 自重荷載及起重荷載塔機(jī)自重標(biāo)準(zhǔn)值：kN；基礎(chǔ)自重標(biāo)準(zhǔn)值：kN； 起重荷載標(biāo)準(zhǔn)值：kN。4.2.2 風(fēng)荷載計算1 工作狀態(tài)下塔機(jī)塔身截面對角線方向所受風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值1）塔機(jī)所受風(fēng)均布線荷載標(biāo)準(zhǔn)值

9、（kN/m2） kN/m22）塔機(jī)所受風(fēng)荷載水平合力標(biāo)準(zhǔn)值 kN3）基礎(chǔ)頂面風(fēng)荷載產(chǎn)生的力矩標(biāo)準(zhǔn)值 2 非工作狀態(tài)下塔機(jī)塔身截面對角線方向所受風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值1） 塔機(jī)所受風(fēng)線荷載標(biāo)準(zhǔn)值（深圳市kN/m2）kN/m2）塔機(jī)所受風(fēng)荷載水平合力標(biāo)準(zhǔn)值 kN3）基礎(chǔ)頂面風(fēng)荷載產(chǎn)生的力矩標(biāo)準(zhǔn)值 4.2.3 塔機(jī)的傾覆力矩塔機(jī)自身產(chǎn)生的傾覆力矩，向前（起重臂方向）為正，向后為負(fù)。1 大臂自重產(chǎn)生的向前力矩標(biāo)準(zhǔn)值2 最大起重荷載產(chǎn)生最大向前力矩標(biāo)準(zhǔn)值（較產(chǎn)生的力矩大）3 小車位于上述位置時的向前力矩標(biāo)準(zhǔn)值4 平衡臂產(chǎn)生的向后力矩標(biāo)準(zhǔn)值5 平衡重產(chǎn)生的向后力矩標(biāo)準(zhǔn)值4.2.4 綜合分析計算1 工作狀態(tài)下塔機(jī)對基

10、礎(chǔ)頂面的作用及基礎(chǔ)自重 1）標(biāo)準(zhǔn)組合的傾覆力矩標(biāo)準(zhǔn)值 =2）水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值 kN3）豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值 塔機(jī)自重：kN基礎(chǔ)自重：kN起重荷載：kNkN2 非工作狀態(tài)下塔機(jī)對基礎(chǔ)頂面的作用及基礎(chǔ)自重 1）標(biāo)準(zhǔn)組合的傾覆力矩標(biāo)準(zhǔn)值 無起重荷載，小車收攏于塔身邊，故沒有力矩、。2）水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值 kN3）豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值 塔機(jī)自重和基礎(chǔ)自重：kN3 比較上述兩種工況的計算，可知本例塔機(jī)在非工作狀態(tài)時對基礎(chǔ)傳遞的傾覆力矩最大，故應(yīng)按非工作狀態(tài)的荷載組合進(jìn)行地基基礎(chǔ)設(shè)計。4.3 塔機(jī)基礎(chǔ)按方形基礎(chǔ)驗算地基承載力4.3.1 計算修正后的地基承載力特征值 kN/m24.3.2 地基承載力驗算按塔式起重機(jī)混凝土基礎(chǔ)

11、工程技術(shù)規(guī)程JGJ/T187-2009的規(guī)定驗算，風(fēng)荷載產(chǎn)生的傾覆力矩沿方形基礎(chǔ)對角線作用，見圖4。（a） （b） 圖4 雙向偏心荷載作用下矩形基礎(chǔ)的基底壓力（a）偏心荷載在核心區(qū)內(nèi) （b）偏心荷載在核心區(qū)外kN/m2<0應(yīng)按偏心荷載合力作用點在核心區(qū)外的公式計算。偏心距相差5%以內(nèi)，符合要求。kN/m2<1.2符合要求。5、基礎(chǔ)內(nèi)力及配筋設(shè)計計算示例5.1 計算方形基礎(chǔ)內(nèi)力計算基礎(chǔ)內(nèi)力時，應(yīng)將塔機(jī)作用于基礎(chǔ)的4根立柱所包圍的面積作為塔身柱截面，計算受彎的最危險截面取柱邊緣處（圖5）。基底凈反力可采用單向偏心荷載作用下，荷載效應(yīng)基本組合值按公式（11）求得基底的平均凈壓力設(shè)計值：

12、（11）基底均布線荷載設(shè)計值 （12）圖5 板式基礎(chǔ)地基壓力示意上式中綜合荷載系數(shù)取1.35，為基礎(chǔ)自重產(chǎn)生的基底壓力標(biāo)準(zhǔn)值。單向偏心荷載作用下傾覆力矩標(biāo)準(zhǔn)值： =822.80-124.74-1054.92+1617.88/1.2=991.37kN·m偏心距：。基底凈反力基本組合的設(shè)計線荷載值：基礎(chǔ)在塔身柱邊截面的彎矩設(shè)計值：另一方向彎矩設(shè)計值：5.2 計算方形基礎(chǔ)配筋根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50010-2002計算基礎(chǔ)底面配筋，考慮對稱式配筋，基礎(chǔ)頂面同底面配筋。本例基礎(chǔ)底面雙向配筋為20180，受力筋按基礎(chǔ)最小配筋率配置，屬構(gòu)造配筋，基礎(chǔ)頂面雙向配筋14180，豎向連接筋為10雙向500。6、結(jié)束語通過上述論述和實例計算，說明塔式起重機(jī)基礎(chǔ)屬高聳結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，風(fēng)荷載產(chǎn)生的傾覆力矩往往在地基基礎(chǔ)設(shè)計中起控制作用，當(dāng)塔機(jī)使用地的風(fēng)荷載較大時，不能盲目套用“塔機(jī)使用說明書”中的基礎(chǔ)圖，否則會不安全。其次，塔機(jī)承受風(fēng)荷載作用，應(yīng)取荷載效應(yīng)最大的方向作用，即沿塔身截面（亦即方形基礎(chǔ)）對角線方向作用，此時不但荷載效應(yīng)最大，基礎(chǔ)底面的抵抗矩