施工现场塔吊布置探究

-1-（一）引言随着我国高层建筑水平的迅速发展，工程施工对塔吊的要求越来越高;塔吊设置已成为施工技术措施中不可或缺的重要组成部分。目前建筑市场的塔吊主要由机械租赁公司拥有并管理;而施工现场对于塔吊的选型和塔吊的定位布置，则是由土建施工单位负责完成的。这种介于土建施工与机械管理范畴之间的大型施工机械，往往使得土建人员在对其进行施工布置设计时感到较为棘手。如果缺乏对塔吊精心的布置和基础设计，很可能会影响工程的正常施工，造成塔吊使用过程的倾斜、倒塌等安全隐患或塔吊拆除困难。塔吊的土建施工组织设计应对塔吊选型、定位布置进行综合系统的考虑，方可取得较完善的方案。（二）塔吊布置1、塔吊布置的一般性问题（1）应充分发挥塔吊的作用，尽可能使起重臂覆盖整个在建建筑物和作业现场。（2）应使吊臂的覆盖范围尽可能避开高压线，满足《施工现场临时用电安全技术规范》（JGJ46--2005）所规定的安全距离。如果小于安全距离，一定要用毛竹或木杆搭设防护架，防止塔吊的吊索或吊物碰到高压线，同时在防护架一侧用钢筋网，接地进行屏蔽。（3）在作业范围内，应尽可能减少障碍物，提高工作效率，例如施工临时用电架空线离混凝土搅拌机较近，妨碍混凝土的吊运，可考虑使用电缆埋地敷设。（4）考虑与建筑物的最佳距离，保证塔身不阻碍外脚手架的搭设和在降塔时司机室、走台、起重臂、平衡臂等部位不与外挑的阳台、雨棚等相碰。（5）自由高度超过说明书规定需要安装附墙时，还要考虑建筑物结构有无安装附墙的合适位置。（6）保证组拆装时必要的作业场地。特别是非规整形状的结构物需考虑塔吊拆除时有足够的工作场地。（7）根据当地的风向，塔吊应布置在建筑物的背风面；特别是沿海地区的塔吊布置必须考虑台风的影响。（8）对于主体结构存在主楼和裙房或高低错层的情况，应把塔吊布置在主楼或高层结构的一侧，确保塔吊满足最大工作高度的要求。（9）塔吊的布置应结合塔吊的选型综合考虑，使塔吊工作效率高、费用低、满足幅度、起重量、起重力矩等工作要求和满足施工进度的要求。2、带地下室情况的塔吊布置一般从平面上看，地下室与上部结构的关系分为地下室宽出主体结构和地下室与主体结构一致两种情况。2.1地下室宽出主体结构当地下室宽出主体结构不多，且主体结构不是很高时，通过对附墙杆加长可考虑把塔吊布置在地下室外；但是当主体结构较高时，随着塔吊附墙杆间距越来越密，通过加长附墙杆既要增加塔吊荷载又会明显影响附墙杆的稳定性。因此必须把塔吊布置在地下室内；当地下室宽出主体结构较多时，应将塔吊布置在地下室范围内。2.2地下室与主体结构一致对于采用地下连续墙、桩基加围檁、支撑作为基坑支护的非放坡开挖基坑，塔吊可布置在基坑的外侧。对于采用土钉墙、锚杆支护或直接放坡等的放坡开挖基坑，应视基坑的深度而定。（1）当基坑不深时，可考虑把塔吊布置在基坑外侧，放坡引起的塔吊与主体结构的水平距离不大，塔吊附墙杆的长度基本在正常范围或略需加长。但是若附墙杆需要一定的加长，建筑物又很高，可考虑把塔吊内移布置在基坑边坡上，但必须确保塔吊和基坑支护两者的安全。（2）当基坑较深时，应考虑将塔吊布置在基坑放坡坡顶的外侧，若塔吊基础采用大板基础的还需保证离开坡顶一定的安全距离。这种情况下，如果主体结构较高，塔吊超出其自由高度时，应在基坑周边土回填后进行塔吊移位重新布置。若地质条件较好，又能征得设计单位同意，也可将塔吊布置在基坑边坡上或坡脚附近，但必须确保塔吊和基坑支护两者的安全。3、塔吊平面布置塔吊的平面布置视建筑物的情况因地而宜、不尽相同。但高层建筑其基坑较深以及场地的复杂性,决定了塔吊布置的多样性。在考虑了施工工艺,建筑物平面几何尺寸,周边环境和基坑支护安全的前提下,介绍几种合理的深基坑塔吊布置方式及其设计思路。3.1塔吊在基坑壁附近布置如果基坑平面尺寸较小,在基坑一侧布置固定式塔吊即可使垂直运输覆盖整个基坑工作面,其基础可放在围护壁外的土体中,也可放在围护壁上,视施工场地而定。（1）如塔吊放在围护壁外的土体中,宜在塔吊基础下施打若干支承桩,将塔吊基础的荷载传到基坑底下的土体中,以减少塔吊基础对基坑周围土体的影响,保证基坑围护的安全。（2）如塔吊基础放在基坑围护壁上,一般还需在围护壁外加设2根支承桩,由围护壁与支承桩共同承受塔吊基础荷载。这时承受竖向塔吊荷载的围护壁区段在设计中要适当加长入土深度,注意受荷载过程中与相邻围护壁的沉降差异控制,并解决与壁外承载桩的共同工作问题。可采用通常桩的沉降量计算方法来验算塔吊基础下桩的协调工作问题,沉降计算可采用《上海市地基基础设计规范》DBJ0811-89第6·3·1条关于桩基沉降量的计算方法,也可按照《建筑桩基技术规范》JGJ94-94第5·3节桩基的沉降计算进行验算。如果基坑平面尺寸较大,尽可能把塔吊放在基坑一侧,这时可放多台固定式塔吊在基坑对边,其基础放置和设计的原理如上所述。如受场地限制,而基坑尺寸较大,这时可将塔吊放置在基坑内。3.2塔吊在基坑内布置城市高层建筑深基坑受周边环境的影响,一般场地狭窄,如塔吊放置在基坑周边,势必影响工程施工,这种情况下要求塔吊放在基坑内,并满足各种工况下的使用;当基坑尺寸比较大时将固定塔吊放在基坑一侧总有工作区域浪费而又有一部分没有塔吊工作面的问题,如果能将塔吊放置在基坑内,则可大大提高塔吊的工作区域利用率,同时将塔吊基础的荷载传到基坑的土体中,对周围环境的影响就会大大减弱,空间工作区域也会缩至基坑范围内,这时采用桩基础是较好的解决办法。这种方法可与基坑围护施工阶段同步,在土方开挖前塔吊安装结束,可以大大缩短工期。坑内桩基一般采用800~1000mm桩径的钻孔灌注桩内插钢格构柱,灌注桩中心距与塔吊轴心间距一致,格构柱一般出室外地面即可(见图1)。钢格构柱一般不会破坏结构的整体性,尽量不要穿越地下室的框架梁。这种塔吊基础的布置有以下优点:①格构柱不穿越地下室框梁,结构整体性好,仅在板上预留孔洞,塔吊拆除后格构柱在地下室地板面以上割断拔出;②经济性好,减少了标准节的切割浪费。3.3塔吊在基坑内布置时基础埋置在大底板下由于其它原因塔吊桩基础未进行施工,而土方开挖已经开始,场地限制又不能在深基坑外做桩基,此时可以在土方开挖时进行塔吊基础施工,采用承台方式作为塔吊基础,承台埋置在基础底板下,通过格构柱或标准节传递上部荷载。此时承台类似浅基础设计,根据基坑内的地质条件调整承台平面尺寸,在基础底板未浇筑前完全按照浅基础的设计方法,底板浇筑后要考虑底板与承台的协调变形。此种布置方法可以满足各种工况下的施工,保证施工工期。如无锡佳城大厦就是采用这种方法(见图2)。（三）塔吊基础设计1、塔吊基础形式的选择目前较为常见的塔吊基础主要有钢筋混凝土大板基础和桩基础加钢筋混凝土承台两种形式。当地质条件较好、塔吊基础位置的地基土承载力较高时可采用钢筋混凝土大板基础，但是如果大板基础明显受到旁边基坑开挖的影响，难以保证足够的安全距离时，需考虑采用桩基础形式。当地质条件较差、地基土承载力不够，塔吊荷载较大，明显受到基坑开挖的影响或塔吊对基坑支护产生较大附加荷载等情况下，塔吊基础必须采用桩基础。2、塔吊基础的最不利验算截面随着塔吊作业过程的转动，作用在塔吊基础上的水平力和倾覆力矩其方向是不断变化的。从理论上讲塔吊基础的平面应设计成圆形，但是由于圆形基础的钢筋配置非常困难，塔吊基础通常设计成正方形板、十字交叉梁形式或对称布置的四桩基础。正方形布置的基础在荷载作用方向转动情况下这就涉及最不利验算截面的确定问题。在塔机基础设计计算中，应考虑最不利验算截面的情况，如下图3所示。往往以力矩作用在正方形边长方向，对基础极限承载力进行验算，如（a）所示。而实际上最不利验算截面应为正方形的斜对角方向，如（b）所示，在此方向基础的内力最大，为最不利。上述两种验算截面情况下基础弯矩的计算结果大小相差约30%。图3两种不同的基础验算截面3、塔吊的最不利工况和倾覆力矩的取值塔吊的工况可分为起吊重物的工作状态和不吊重物时的非工作状态，通常是工作状态下作用在塔吊基础上的竖向荷载最大、倾覆力矩较小；而非工作状态作用在基础上的竖向荷载较小、倾覆力矩较大。当塔吊安装第一节附墙杆后，风荷载的水平力由附墙杆承担，塔吊倾覆力矩将明显减小，故在非工作状态，当塔吊在最大自由高度时，作用在基础上的倾覆力矩最大，为最不利工况当塔吊处于最大工作高度时，作用在基础上的竖向荷载最大，为工作状态的最不利工况。经计算表明，通常情况下，对于塔吊基础起控制作用的是倾覆力矩，也就是非工作状态。因此，塔吊的最不利工况为最大自由高度时的非工作状态。4、塔吊桩基的设计塔吊桩基顶部竖向荷载较小,一般更多的是考虑桩的抗拔验算来控制桩的入土深度。4.1单桩承载力验算Ra=qpkAP+up∑qsiali>Nimax式中:up为桩身周长;qsia为用静力触探比贯入值估算的桩周第i层土的极限侧阻力标准值;li为桩穿过第i层土的厚度;qpk为桩端附近的静力触探比贯入阻力标准值(平均值);Ap为桩端面积;Nimax为偏心竖向力作用下第i复合基桩或基桩的竖向力设计值。4.2单桩水平承载力验算可按照《建筑桩基技术规范》JGJ94-94的桩的水平承载力进行验算。4.3桩的抗拔极限承载力的计算按照广东省《桩基础设计技术规范》10·2·10公式计算。4.4抗倾覆力矩验算K=M抗/M倾>eM抗=0·50×(Fk+Gk1)×b+∑Rtaibi式中:e为最小桩轴线间距;F为作用于桩基承台顶面的竖向力设计值;G为桩承台和承台上土自重设计值。4.5桩配筋计算桩承载力计算依据《建筑桩基技术规范》JGJ94-94第4·1·1条,桩顶轴向压力设计值应满足:γ0N≤fcA式中:γ0为桩基重要性系数,取1·0;fc为混凝土轴心抗压强度设计值(N/mm2);A为桩截面面积(m2)。依据《混凝土结构设计规范》GB50010-2002第7·3条正截面受压构件承载力计算。4.6钢格构柱验算由于塔吊在土方开挖前即已安装完毕,随着土方开挖,格构柱逐渐显露出来后,对4根格构柱进行系杆连接使格构柱形成整体刚度,在系杆未连接之前把格构柱看成一端固定,一端铰接的的杆件进行验算,依据《钢结构设计规范》GB50017-2003按照小偏压构件进行稳定验算及强度验算。格构柱除进行整体稳定验算外,尚应对缀板、焊缝进行验算(略)。5、承台设计深基坑塔吊基础承台一般考虑为整体式承台,根据情况分为2种。5.1桩基上的承台由于地脚螺栓安装在基桩轴心位置(见图4),桩基上承台一般不考虑承台的承载力及抗倾覆,这时承台平面尺寸及厚度均可比非桩基承台基础小,承载力及抗倾覆见桩基设计。图4塔吊桩基础承台布置5.2天然地基上的承台天然地基上的承台基础要进行以下验算,不管是布置在地面还是布置在基坑内部。（1）地基基础承载力验算根据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002第5·2·3条进行验算。（2）受冲切承载力验算依据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002第8·2·7条验算。（3）抗倾覆验算为保持基础稳定,塔吊在非工作情况下作用于基础诸力的偏心距应满足:e=M+H·h/（V+G）≤1/3L式中:M为作用于塔身的不平衡力矩;H为作用于塔吊的水平力;h为基础承台的厚度;L为混凝土基础边长;V为塔吊结构自重力,可取自塔吊说明书;G为基础自重力。一般情况下，塔吊生产厂家的使用说明书提供了作用在塔吊基础上的最大倾覆力矩，但也有部分厂家没有明确或未能提供，有时不同厂家所提供的倾覆力矩值相差很大，如QTZ63塔吊提供的倾覆力矩有1832kN、1350kN、1220kN、870kN、630kN等，这说明有的厂家对最大倾覆力矩的理解也存在问题。实际上作用在塔吊基础上的水平力和倾覆力矩与塔身自由高度和风荷载大小密切相关。它与塔吊使用所在地的基本风压、地形地貌等有关，因此，对倾覆力矩的取值应根据施工现场的实际情况进行计算或对塔吊使用说明书的提供值进行复核。四结语塔吊布置与基础设计，需要考虑施工场地、周围环境、上部结构与地下室的平面形状、基坑支护的形式等多种因素的影响，特别是基坑开挖对塔吊基础稳定性的影响；充分理解塔吊最不利工况、最不利验算截面和倾覆力矩的取值，是一项把工程理论知识与实际工作经验相结合的系统工程。因此，根据工程情况，因地制宜、科学合理地选择塔吊布置方案，确保塔吊使用过程以及安装、拆除的安全，减少对基坑支护稳定性带来的不利影响，满足施工要求，有效地提高塔吊使用效率，从而达到加快施工进度的目的，保证施工安全。参考文献［1］塔式起重机设计规范（GB/T13752-1