常见塔吊基础设计方案及验算方法
江苏省建筑科学研究院有限公司陈新杰210008
摘要：根据工程实践经验，列举常见的塔吊基础设计方案、验算方法及施工要点。
关键词：塔吊基础设计方案验算方法
1、概述
根据公司实际情况以及以往工程实践经验，以自备常用的QTZ63t.m外附式自升塔吊为例，列举常见的塔吊基础设计方案、验算方法及施工要点。
2、常见的塔吊基础地基设计方案
工程实践中根据施工平面布置及施工场地水文地质条件常见的塔吊基础设计方案有：
（1）直接利用天然地基
这种情况适用于施工场地土质条件较好的场地，且在塔吊基础埋置深度范围内存在最薄处不小于 1.5 m且该土层地基承载力特征值不小于210Kpa的稳定原土层。
（2）利用砂石垫层进行土层置换，间接利用天然地基
这种情况适用于施工场地土质条件较差，但在塔吊基础埋置深度适用范围内存在最薄处不少于 1.5m 且该土层地基承载力特征值不小于90Kpa的稳定原土层，直接利用天然地基不能够满足塔吊基础对地耐力的要求，需利用砂石垫层将该土层以上部分劣质土加以置换，应注意砂石垫层经夯实后承载力应不小于210Mpa，砂石垫层置换的厚度及面积须经计算确定。
（3）利用桩基础作为塔吊基础地基
这种情况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上述两种情况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，桩数原则上为四根以形成群桩承载增加塔吊基础稳定性。
3、砂石垫层置换法验算要点及施工要点
（1）砂石垫层置换法原则上仅适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理。
（2）工程已具备工程地质勘察报告，且塔吊基础所在地经认定可参照地质报告相应剖面进行取值。
（3）砂石垫层的厚度z应根据需置换软弱土的深度或下卧土层的承载力确定并符合下式要求：P Z＋P CZ≤f az
式中：P Z：相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处的附加压力值（Kpa）。
P CZ：垫层底面处土的自重压力值（Kpa）。
f az：垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值（Kpa）。
因塔吊基础通常情况下采用正方形，因此根据《建筑地基处理技术规范》JGJ79－2002设计计算： P Z＝b2（P k－P c）/（b＋2ztgθ）2
式中：b：塔吊基础边长（m）。
P k：相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值（Kpa）。
P c：基础底面处土的自重压力值。
z ：基础底面下砂石垫层的厚度。
θ ：垫层的压力扩散角（0），通常由z/b值来确定：
当z/b ＜0.25时θ＝00
当z/b ＝0.25时θ=200
当z/b ≥ 0.5时θ=300
当0.25＜z/b＜0.5时θ值可内插求得。
（4）换填的砂石垫层厚度不宜小于0.5m，也不宜大于3m。
（5）砂石垫层的宽度应满足基础底面应力扩散的要求，按下式确定
b/ ≥ b＋2ztgθ
式中b/：砂石垫层宽度（m）。
θ：压力扩散角。
（6）砂石垫层施工宽度在b/的基础上可根据施工的要求适当加宽，垫层顶面宽度可从垫层底面两侧向上，按基坑开挖期间保持边坡稳定的当地经验放坡确定，垫层顶面每边超出基础底边不宜小于300mm。
（7）由于采取砂石垫层换填方案的基础条件不算太差，垫层下应当不存在明显的软弱下卧层，因此一般不进行地基变形验算。
（8）砂石垫层选用的材料，可用天然级配砂石或人工级配砂石，宜采用中砂、粗砂、砾砂、碎石，应级配良好，不含植物残体、垃圾等杂质，也可采用细砂，但应掺入不少于总重30％的碎石，碎石的最大粒径不宜大于50mm。
（9）砂石垫层施工前应做好下列工作：
a：按方案要求做好砂石级配。
b：应组织项目工程师或方案设计人进行验槽，对位置尺寸、水平标高、土质分布及地下水等情况，进行隐蔽前检验。
c：基槽底或两侧附近，如发现不明孔洞、沟、井等应及时汇报并作补充方案，重新编审后再实施。
d：设置控制铺筑厚度的标志（或标高桩）。
（10）人工级配的砂石地基应按方案要求的级配将砂石拌和均匀后再进行施工。
（11）砂石垫层按方案原则上应铺设在同一标高上，如有暗塘等确需深度不同时，基底面应挖成阶梯形搭接，搭接处应注意压实，施工应按先深后浅的顺序进行。
（12）砂石垫层施工时优先采用可靠度好的夯实法，机具采用蛙式打夯机，每层铺筑厚度（虚铺）控制在200～250m，施工时最佳含水量控制在10％左右（应根据砂石干湿程度和气候条件分别适当洒水以保持砂石的最佳含水量）。
（13）砂石垫层的承载力特征值与压实系数有关，正常按上述要求施工。
砂石垫层压实系数λc在0. 94～0.97之间，其承载力特征值在200～250 Kpa之间，一般验算时取砂石垫层承载力特征值为220K pa。
4、塔吊基础桩基设计及承载力验算
（1）桩数及布桩
QTz63t.m塔吊基础标准尺寸为5.0×5.0×1.3m，采用桩基时设计为四根单桩组成群桩承载，四根单桩平面布置应按下图布置：
（2）一般直径单桩竖向极限承载力计算（d＜800mm）
一般直径单桩竖向极限承载力标准值按下式计算：
Q uk＝Q sk＋Q pk＝U∑q sik l i＋q pk A p
式中：Q sk：单桩总极限侧阻力标准值
Q pk：单桩总极限端阻力标准值
U：桩身周长
q sik：桩侧第i层土的极限侧阻力标准值（按工程地质报告对应土层取值）
l i：桩穿越第i层土的厚度（按工程地质报告对应土层厚度取值）
q pk：极限端阻力标准值（按工程地质报告取值）
A p：桩端面积
（3）桩基承载力验算：
考虑到塔吊设计时在不同吊幅及吊重引起的不利弯矩基本能通过平衡臂及配重予以克服且塔身重心基本重叠于桩群重心，因此可以近似地认为桩基基本承受轴心受压，可按下列计算：
Q≤1.2Q uk其中 Q＝(F＋G)/4
式中：Q：桩基中单桩所承受的外力设计值
F：作用于桩基上的竖向设计值
G：桩基承台自重设计值和承台上的土自重标准值
Q uk：单桩总极限侧阻力标准值
（4）Qtz63t.m 塔吊标准自重及附加重量参数：
a：平衡配重：W1 ＝120KW
b：理论最大起重量：W2 ＝60KN
c：塔吊标准节每节自重为6KN，按工程实际需要计算标准节总重量W3
d：最大安装重量（平衡臂及其附属物）W4 ＝63KN
则F ＝W1 ＋W2 ＋W3＋W4
5、塔式起重机稳定性验算：
（1）验算假定：
a：起重臂处于最大幅度位置（对于小车变幅起重臂小车位于最大幅度），起重臂指向下坡方向，并负有额定荷载。
b：正常风状态下，忽略风的影响。
c：起重机吊物上下速度所引起的动势能忽略不计。
（2）在上述假定成立条件下，塔式起重机抗倾覆稳定性按下式验算：
0.95M k－K L·M L－M D ≥ 0
式中：M k：由塔式起重机自重、压重及基础自重产生的稳定力矩。
M L：塔式起重机负载对倾覆边的力矩。
K L：载荷系数，根据GB3811－83起重机设计规范，取为1.4。
M D：由坡度因素而产生的倾覆力矩，在保证塔吊基础施工质量的基础上通常忽略不计，取为零。
6、塔吊基础结构设计
（1）塔吊基础断面5×5×1.3 m，承台下设置100厚C10素砼垫层。
（2）塔吊基础主肋Ф20@150双层双向（主肋砼保护层50mm）。
Ф12拉钩@450梅花形布置，保证上、下层钢筋配置准确的撑铁，现场按实际需要设置。
（3）塔吊基础砼强度等级不低于C30。
（4）采用桩基础时，桩与塔吊基础承台锚入按相应规范及施工图纸要求。
7、参数的标准、规范或引用的书籍文件
（1）《建筑施工计算手册》（江正荣编著，2001年版，中国建筑工业出版社）
（2）《建筑地基处理技术规范》（JGJ79－2002）
（3）《起重机设计规范》（GB3811－83）
（4）《建筑施工机械管理使用与维修》（中国建筑业协会建筑机械设备管理分会编著，2004年版，中国建筑工业出版社）。
