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隨著我國建筑施工技術(shù)的發(fā)展，高層建筑增多、地下空間被充分利用，建筑施工的高度越來越高，建筑面積也越來越大，因此對于塔式起重機(jī)的選型、布置及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等都提出了很高的要求，其設(shè)計(jì)施工所占的措施費(fèi)用比重也相對較高。對于不同的施工現(xiàn)場來說，塔式起重機(jī)型式的選擇、安裝的部位以及地基情況等條件存在很大差異，使得塔式起重機(jī)基礎(chǔ)形式呈現(xiàn)多樣性，制造商在塔式起重機(jī)使用說明書中提供的基礎(chǔ)圖已不能適應(yīng)千變?nèi)f化的工程特點(diǎn)和現(xiàn)場環(huán)境。因此，在安裝塔式起重機(jī)前，經(jīng)濟(jì)合理的配置、選擇和設(shè)計(jì)塔機(jī)基礎(chǔ)對整個(gè)施工過程中的安全保證、事故隱患消除、節(jié)約降本、技術(shù)高效等都起著關(guān)鍵的作用。本文的目的就是針對各種環(huán)境條件下基礎(chǔ)形式的選擇和設(shè)計(jì)作一個(gè)統(tǒng)籌建議和匯總，也能對后續(xù)施工中塔機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提供一定的借鑒和參考。

1 塔吊基礎(chǔ)應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀

塔式起重機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)形式大致有行走式、底座固定式和基礎(chǔ)固定式3 種：行走式主要采用軌道基礎(chǔ)，包含碎石基礎(chǔ)和混凝土基礎(chǔ)2 種；底座固定式包含弱底架和強(qiáng)底架2 種。弱底架的剛度較差，一般采用十字交叉形的混凝土基礎(chǔ)，強(qiáng)底座的剛度較好，一般采用分塊式鋼筋混凝土基礎(chǔ)，在底架的四角預(yù)制4 塊獨(dú)立的正方形基礎(chǔ)；基礎(chǔ)固定式包含整體式鋼筋混凝土基礎(chǔ)和樁基承臺式鋼筋混凝土基礎(chǔ)2 種，大多采用方形截面，條件許可時(shí)甚至可做成建筑物地下底板、地梁等結(jié)構(gòu)的一部分，樁基承臺式基礎(chǔ)大多為四樁方形承臺和十字叉形承臺，條件許可時(shí)可以利用工程樁，承臺可以做成建筑物底板的一部分。

目前，世界各國普遍采用基礎(chǔ)固定式塔式起重機(jī)作為中高層建筑物的施工機(jī)械，而現(xiàn)有的基礎(chǔ)固定式塔式起重機(jī)均采用現(xiàn)澆式鋼筋混凝土基礎(chǔ)，體積尺寸比較大，混凝土用量和配筋均很可觀，且無重復(fù)利用價(jià)值，而且由于對原有結(jié)構(gòu)的影響，一般需要在工程結(jié)束后鑿除這些基礎(chǔ)，造成費(fèi)工費(fèi)時(shí)及各種環(huán)境污染。

1997年，組合式混凝土預(yù)制構(gòu)件塔式起重機(jī)基礎(chǔ)由北京勁旅建筑集團(tuán)工程師趙正義發(fā)明并研制成功，媒體簡稱“趙式塔機(jī)”。1999年7月在北京通過了鑒定，獲得國家實(shí)用新型專利。該項(xiàng)專利形成了對傳統(tǒng)整體現(xiàn)澆式鋼筋混凝土塔式起重機(jī)基礎(chǔ)具有革命性換代意義的完整的新技術(shù)體系，但該項(xiàng)技術(shù)僅在部分省市推廣使用，并未在全國大部分省區(qū)形成大面積使用的效應(yīng)。

2 固定式塔機(jī)基礎(chǔ)存在的問題[1-3]

目前我們一般使用的固定式塔式起重機(jī)基礎(chǔ)絕大多數(shù)采用的都是現(xiàn)澆鋼筋混凝土基礎(chǔ)承臺，承臺一般為矩形，少部分為三角形，厚度一般根據(jù)錨腳長度而定，約為1 300 mm；邊長根據(jù)地基情況而定，對天然基礎(chǔ)，一般需6 000～7 000 mm，如地基承載力較低，還需根據(jù)計(jì)算情況增加；對樁（立柱）基礎(chǔ)，一般需4 000～5 000 mm；配筋方面，因?yàn)樽钚∨浣盥实南拗?，一般都為?2～25 mm@200 mm。另外由于地基承載力的原因，在軟土地區(qū)一般均需要采用樁（立柱）基礎(chǔ)方可滿足要求，樁一般都是另行打設(shè)，因此綜上所述，采用這種固定式塔機(jī)基礎(chǔ)有以下問題和不足：

（a）基礎(chǔ)形式的選擇上比較單一；

（b）混凝土用量和配筋量均很可觀，且無重復(fù)利用價(jià)值；

（c）受基礎(chǔ)形狀的限制，基礎(chǔ)樁或者立柱樁無法與工程樁完全結(jié)合；新增設(shè)的樁對永久結(jié)構(gòu)的受力有一定的影響；

（d）可能影響到一部分永久結(jié)構(gòu)的施工及后續(xù)建筑使用功能上的隱患；

（e）一般需要鑿除這些基礎(chǔ)，造成費(fèi)工費(fèi)時(shí)及各種環(huán)境污染。

3 固定式塔機(jī)基礎(chǔ)的新進(jìn)展[4-6]

近年來，塔式起重機(jī)基礎(chǔ)的發(fā)展趨勢是向輕量化、重復(fù)使用、組裝拆卸快捷、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益明顯等方面發(fā)展。為了克服傳統(tǒng)塔式起重機(jī)基礎(chǔ)存在的諸多弊端并且實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目標(biāo)，我們可通過分析塔式起重機(jī)基礎(chǔ)的受力性能以及基礎(chǔ)與地基的相互作用關(guān)系，來進(jìn)行基礎(chǔ)的改進(jìn)和優(yōu)化，下面就目前已有的一些做法和尚未實(shí)施的一些想法作一個(gè)匯總，并提出一些使用條件和合理建議以供參考。

一般來說，目前已有的基礎(chǔ)形式和后續(xù)可實(shí)施的基礎(chǔ)形式均可分為三大類：一是另行制作，不利用永久結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)；二是可利用永久結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)；三是預(yù)制集成拼裝化的可拆卸重復(fù)利用的基礎(chǔ)。

3.1 不利用永久結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)

不利用永久結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)可分為固定式基礎(chǔ)、壓重式基礎(chǔ)、梁柱式基礎(chǔ)等。

3.1.1 固定式基礎(chǔ)

固定式基礎(chǔ)一般有天然基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)和格構(gòu)式立柱高承臺基礎(chǔ)。

天然基礎(chǔ)一般為矩形，也可做成十字形（圖1），適用于土質(zhì)條件較好的施工場地，且在塔吊基礎(chǔ)埋置深度范圍內(nèi)最薄處不小于1.5 m，土層地基承載力特征值不小于210 kPa。對于地基承載力較小的土層，使用天然基礎(chǔ)需擴(kuò)大其底面積，鋼筋混凝土用量、人工及后續(xù)鑿除的工作量均較大，經(jīng)濟(jì)性不強(qiáng)。當(dāng)基礎(chǔ)高度因需滿足塔式起重機(jī)預(yù)埋螺桿的要求而較高時(shí)（如h≥1 350 mm），為減少材料及工耗，可采用坡形頂面或臺階形頂面的基礎(chǔ)，這種做法對樁基礎(chǔ)也同樣適用，基底面積一般沒有變化，基底反力分布也不受影響，但坡形頂面或臺階變階處需滿足抗沖切要求。

圖1 天然基礎(chǔ)形式示意

樁基礎(chǔ)通常適用于施工場地土質(zhì)條件差且在塔吊基礎(chǔ)埋置深度適用范圍內(nèi)無穩(wěn)定原土層或者置換土層，或受場地限制須將塔吊基礎(chǔ)深埋的情況（如埋置在地下室底板下）。樁型原則上選用與工程樁同類型樁型以利于施工方便，樁數(shù)原則上為4 根，以形成群樁承載。為增加塔吊基礎(chǔ)穩(wěn)定性，也可以做成3 根樁形成的等邊三角形承臺。如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 四樁承臺

圖3 高樁立柱承臺

圖4 三樁承臺

對于地下室面積較大、埋深較深（一般超過7 m）、特別是有主裙樓而裙樓面積大、主樓較高、塔機(jī)需附墻設(shè)置而必須穿過裙樓結(jié)構(gòu)的情況，可在基礎(chǔ)樁中接入鋼結(jié)構(gòu)立柱（一般是做成角鋼格構(gòu)柱）形成高樁承臺，承臺位置一般需與結(jié)構(gòu)頂板及支撐位置兼顧協(xié)調(diào)考慮。

3.1.2 壓重式基礎(chǔ)

壓重式塔吊一般有2 種形式：軌道式和固定式，常用來在結(jié)構(gòu)制作場地作為垂直運(yùn)輸機(jī)械，也可用于高度不高于45 m的建（構(gòu)）筑物。壓重式塔吊的底座面積都比較大，呈正方形，壓重塊一般都設(shè)置在塔身下部，塔吊上部傳遞下來的荷載由下部4 個(gè)支座來承受，4 個(gè)支座安裝在4個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)或軌道上，也可以是一整個(gè)基礎(chǔ)上（圖5）。由于塔身置于整個(gè)塔座的中央，壓重塊在整個(gè)塔底座面積上分布安放。塔身與四周的邊緣形成力矩關(guān)系，在塔吊負(fù)重時(shí)，形成力的平衡關(guān)系，防止傾覆。

圖5 壓重式基礎(chǔ)

壓重式基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)在于其基礎(chǔ)厚度滿足抗彎、抗剪及抗沖切等受力要求即可，不存在基礎(chǔ)高度因需滿足塔式起重機(jī)預(yù)埋螺桿長度而過厚的情況，因此比固定式塔機(jī)基礎(chǔ)要來得經(jīng)濟(jì)，且安裝拆卸方便，但其對地基承載力的要求較高（一般需滿足土層地基承載力特征值不小于180 kPa），且建筑適用高度有限制，一般不能設(shè)置附墻，少數(shù)類型的塔機(jī)可以設(shè)置1 道附墻。

軌道式基礎(chǔ)一般適用于行走式塔式起重機(jī)，對于長寬比較大的建筑物和場地，且建筑物高度不超過40 m（如展覽館、倉庫等）時(shí)，使用行走式塔機(jī)較為經(jīng)濟(jì)。目前的發(fā)展趨勢是推行裝配式鋼筋混凝土縱梁式軌道基礎(chǔ)。在2 根縱梁之間設(shè)置若干鋼筋混凝土連系梁，以保證軌距不變。

3.1.3 梁柱式基礎(chǔ)

梁柱式基礎(chǔ)主要是基于前述固定式基礎(chǔ)而進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)展而來。

一般來說，對于固定式塔機(jī)基礎(chǔ)，其主要受力點(diǎn)在于底腳所在處，作用在底腳上的集中力通過合成彎剪扭的方式由基礎(chǔ)傳遞給地基或者立柱，對于天然基礎(chǔ)，其基底面積決定了反力的分布，面積越大則反力越小，并以此來適應(yīng)不同的地基承載力；但對立柱基礎(chǔ)或者樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)面積并不起決定作用，而是立柱或者樁基承載力，因此將承臺基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成梁格形式，可以簡化受力，節(jié)約材料和人工，也符合我國關(guān)于深入推進(jìn)建筑節(jié)能、加快發(fā)展綠色建筑、減少建筑建造和使用過程的能源資源消耗的政策，其推廣應(yīng)用對于建筑施工節(jié)能、綠色施工、減少能耗等具有重要的意義。

3）信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)深度融合，教學(xué)打破時(shí)空界限，這也是智慧教育的價(jià)值追求。在信息技術(shù)高速發(fā)展的背景下，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟，移動(dòng)學(xué)習(xí)資源及工具的不斷豐富，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式不僅限于教室的空間與課堂的時(shí)間，而是可以通過移動(dòng)學(xué)習(xí)終端，隨時(shí)隨地開展自主學(xué)習(xí)，與教師的交流與互動(dòng)也更加方便快捷。

梁柱式基礎(chǔ)形式主要設(shè)計(jì)構(gòu)想就是將塔機(jī)錨腳直接設(shè)置在主梁（也可以通過一級次梁傳遞到主梁上）并通過梁的受力傳遞到樁或者立柱上，梁截面的設(shè)計(jì)除應(yīng)滿足強(qiáng)度、變形和構(gòu)造要求外，尚需考慮塔機(jī)錨腳的埋置深度，同時(shí)還要考慮梁的側(cè)向穩(wěn)定性，對高樁基礎(chǔ)還需考慮梁柱的整體穩(wěn)定。

由于梁格的布置在平面上可以基本不受限制，因此梁端立柱樁位的選擇可以全部利用工程樁，而不必再另外打樁，但考慮到經(jīng)濟(jì)合理性及梁柱的整體穩(wěn)定性，建議梁的跨度以不超過8 m為宜，梁格布置以不超過二級次梁為宜，梁截面高度不超過1 400 mm（圖6）。

圖6 梁柱式基礎(chǔ)平面示意

該種基礎(chǔ)的最大優(yōu)點(diǎn)是可充分利用工程樁而不必另外增設(shè)樁位，且梁格能充分受力，傳遞荷載清晰，材料上和人工上都能有很大的節(jié)省降本空間。缺點(diǎn)與固定式基礎(chǔ)一樣，也是不能重復(fù)利用，需要鑿除基礎(chǔ)，造成費(fèi)工費(fèi)時(shí)及各種環(huán)境污染等，因此此法如能與永久結(jié)構(gòu)結(jié)合則更好。

3.2 利用永久結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)

永久結(jié)構(gòu)可以指建筑物地下室或者上部結(jié)構(gòu)柱梁板，也可以是基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中的擋墻、支撐、立柱等臨時(shí)構(gòu)件。按照以上說法，并結(jié)合目前已有的工程應(yīng)用，此類基礎(chǔ)可分為：僅利用永久結(jié)構(gòu)柱、利用永久結(jié)構(gòu)柱梁并加強(qiáng)、利用支護(hù)結(jié)構(gòu)、利用大底板、綜合利用等幾種情況。

3.2.1 利用大底板

針對塔機(jī)須穿越地下室結(jié)構(gòu)梁板的情況，如前述的鋼立柱高樁承臺，在基坑挖深不大于5 m的時(shí)候（一般為地下1 層），考慮到節(jié)約降本，在各方面條件允許的情況下，可先施工一部分底板結(jié)構(gòu)作為塔機(jī)基礎(chǔ)，這樣既節(jié)省了基礎(chǔ)費(fèi)用，又無需后續(xù)鑿除，是最為經(jīng)濟(jì)的做法。對于地下室底板結(jié)構(gòu)為筏板結(jié)合下翻承臺的形式，此法最為適用，一般將塔機(jī)位置布置在某個(gè)柱網(wǎng)網(wǎng)格的中央，利用該網(wǎng)格內(nèi)的筏板結(jié)構(gòu)和四角的4 個(gè)承臺樁承載塔機(jī)荷載，如底板厚度不足，可考慮將局部范圍的底板加厚做成上翻或者下翻的臺階。

3.2.2 僅利用永久結(jié)構(gòu)柱

針對塔機(jī)須穿越地下室結(jié)構(gòu)梁板的情況，如前述的鋼立柱高樁承臺，在基坑挖深大于5 m或者可能達(dá)到十幾米的時(shí)候，考慮到節(jié)約降本，且應(yīng)避免地下室結(jié)構(gòu)開洞的情況下，可考慮利用地下室結(jié)構(gòu)柱，在頂板柱頂上設(shè)置基礎(chǔ)梁作為塔機(jī)承載結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)梁底應(yīng)與永久結(jié)構(gòu)梁板分開受力，通過短柱與結(jié)構(gòu)柱連接并傳遞荷載。此法在柱距大于5 m時(shí)，考慮到基礎(chǔ)梁設(shè)計(jì)截面及配筋均較大，不建議采用。此法缺點(diǎn)仍然與固定式基礎(chǔ)一樣，不能重復(fù)利用，需要后續(xù)鑿除。

3.2.3 利用永久結(jié)構(gòu)柱梁并加強(qiáng)

在4.2.2的基礎(chǔ)上，不另外再施工基礎(chǔ)梁，而是直接利用結(jié)構(gòu)頂板梁，必要時(shí)增加一些輔助次梁，通過輔助次梁→結(jié)構(gòu)梁→柱→底板的路徑將荷載逐級傳遞到地基上，如結(jié)構(gòu)梁不能滿足承載力要求，可將其通過增加截面、增加配筋量等臨時(shí)措施予以加強(qiáng)以滿足要求。這種方法基礎(chǔ)即為永久結(jié)構(gòu)的一部分，無需工后鑿除，較為經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

3.2.4 利用支護(hù)結(jié)構(gòu)

如基坑支護(hù)設(shè)計(jì)采用鉆孔灌注樁或者地下連續(xù)墻等強(qiáng)度和剛度均較大的結(jié)構(gòu)，且塔機(jī)位置可作適當(dāng)調(diào)整的情況下，可將基礎(chǔ)位置調(diào)整至支護(hù)結(jié)構(gòu)附近，全部或者部分利用支護(hù)結(jié)構(gòu)承載塔機(jī)基礎(chǔ)，如能全部利用支護(hù)結(jié)構(gòu)，則不另外再增設(shè)立柱樁或者其他承載構(gòu)件，否則應(yīng)增加立柱樁與支護(hù)共同承載。如后世博B片區(qū)央企總部B02、B03地下空間工程的塔吊基礎(chǔ)就直接利用了地下連續(xù)墻作為基礎(chǔ)承載構(gòu)件。

3.2.5 綜合利用

所謂綜合利用就是將上述幾種方法中的幾種結(jié)合起來運(yùn)用，例如在適當(dāng)?shù)臈l件下，可以利用支護(hù)結(jié)構(gòu)及永久結(jié)構(gòu)柱梁共同作為基礎(chǔ)的承載點(diǎn)，一方面利用支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，另一方面也可避免對永久結(jié)構(gòu)作過多的加固，影響原建筑的使用功能或者施工功能。

3.3 預(yù)制集成拼裝化基礎(chǔ)

塔式起重機(jī)基礎(chǔ)的最終發(fā)展趨勢是預(yù)制集成化，目前來看，預(yù)制集成化有2 種形式，一種是預(yù)制混凝土拼裝式基礎(chǔ)，另一種就是鋼結(jié)構(gòu)拼裝式基礎(chǔ)，其中鋼結(jié)構(gòu)近年來不僅發(fā)展較快，而且勢頭較猛，顯示出極好的應(yīng)用前景，從發(fā)展趨勢看，鋼結(jié)構(gòu)肯定是今后發(fā)展的熱點(diǎn)。

對于預(yù)制混凝土基礎(chǔ)構(gòu)件，其設(shè)計(jì)構(gòu)思的原則應(yīng)是力求做到構(gòu)件數(shù)量最少化、構(gòu)件形式最簡化、構(gòu)件連接最優(yōu)化，因此這類基礎(chǔ)形式應(yīng)結(jié)合盾構(gòu)管片連接的優(yōu)點(diǎn)特點(diǎn)以及木結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接的一些特點(diǎn)，結(jié)合形成一種榫式連接預(yù)制塔式起重機(jī)基礎(chǔ)制作的思路；對于鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)構(gòu)件，構(gòu)思原則應(yīng)是利用高強(qiáng)螺栓，因其施工方便、拆除靈活、受力明確、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，可成為鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的主要連接手段。

預(yù)制基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是環(huán)保高效、裝拆方便、重復(fù)利用率高、無需養(yǎng)護(hù)等，但其制作精度以及變形控制要求相對較高，如精度不夠或者周轉(zhuǎn)次數(shù)較多的情況下，會(huì)影響拼裝以及節(jié)點(diǎn)結(jié)合的緊固性，從而也會(huì)影響其承載力，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到這些因素。

4 結(jié)語

塔式起重機(jī)基礎(chǔ)形式的選擇應(yīng)根據(jù)建筑工程的所在場地條件、建筑結(jié)構(gòu)條件、地質(zhì)條件、塔式起重機(jī)本身的特點(diǎn)予以綜合評判確定，最終目的就是要采用最為簡潔、最為經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)形式來滿足塔式起重機(jī)基底承載力的要求，從而起到節(jié)約降本、安全環(huán)保、提高工效的效果。