工程塔吊选型、基础设计及群塔作业技术
[ 关键词：塔吊 塔吊基础设计 群塔作业技术 发表日期：2012-10-05 10:10:33 ]
摘要：该工程结构施工期间共计使用5 台80t·m 的塔吊，大多数塔臂相互交叉。塔吊基础采用PHC 预应力管桩，通过对预应力管桩上施工的塔吊基座的选型、设计等严格控制，使塔吊基础达到安全、适用、经济的效果。为确保塔吊运行安全，施工中通过对群塔进行严格的高差控制，合理安排塔位顶升顺序，合理设计塔间距离，加强运行安全管理措施，确保整个工程的顺利施工。
1 工程概况
本工程结构类型为框架结构，工程采用泵送混凝土浇捣，基础采用静压预应力管桩。 为了加快施工进度，保证工程如期竣工，经过项目部研究决定，对工程使用塔吊。
2.1 塔吊选型
根据该工程的建筑面积、结构形式、工期要求等特点，以及建筑物外围可用场地较窄的具体情况，对塔吊选型及设计进行方案优化。塔吊布置时首先保证满足覆盖面的要求，然后根据材料及构件重量和塔吊的起重量确定塔吊型号。鉴于该工程的土方、钢筋、混凝土、模板及各种构件的垂直运输量大，作业半径大，并考虑到施工总进度要求及结构对机械布置的适宜性，要求塔式起重机的起重量大，提升速度快，提高功效，满足工期要求。经过对几个方案的慎重考虑和仔细研究并结合施工现场的具体情况，决定采用5 台80t·m（臂长为55 m）的塔吊。
2.2 塔吊参数
该工程施工中，选择塔吊时主要考虑以下两个方面。
2.2.1 塔吊的主要参数应满足施工要求
主要参数包括工作幅度、起升高度、起重量和起重力矩。塔吊的起升高度应不小于建筑物总高度加上构件（或吊斗、料笼）、 吊索（吊物顶面及吊钩）和安全操作高度。当塔吊需要超过建筑物顶面的脚手架、施工电梯或其他障碍物时（其超越高度一般应不小于 1m），尚应满足此最大超越高度的需要。 起重量包括吊物、吊具和索具等作用于塔吊起重吊钩上的全部重量。塔吊工作时，以不超过其额定起重力矩为限。应当注意的是，大多数塔吊都不宜长时间地处于其额定起重力矩的工作状态之下，一般宜控制在其额定起重力矩的75％之下。这不仅对于确保塔吊的垂直运输作业的安全很重要，而且对于确保塔吊本身的安全和延长其使用寿命也很重要。
2.2.2 选用的塔吊使用费用应经济合理，有利于降低工程成本。
根据工程具体情况及考虑各方面的因素，本工程2 台塔吊全部采用章起QTZ80 型，臂长为55m，其机械参数如下表： 吊钩下 工作状态 非工作状态 2 支座反力 支座反力 高 度 重 量 最大 力矩 剪 切力 拉力 压力 重量 最大力矩 剪 切力 拉力 压力 m kN kN·m kN kN kN kN kN·m kN kN kN 34.45 388 910.7 20.0 480.6 674.6 339 976.7 67.7 534.6 713.9 注：以上机械参数用于计算塔吊基础；吊钩下高度34.45m 系指塔吊未附着前吊钩所能达到的最大高度。
3 塔吊定位与基础设计方案
3.1 塔吊定位的选择 塔吊定位时，要考虑以下要求：
（1）服范围要广，要尽量满足工作面的需要，减少服务死角。
（2）要尽量避开建筑物的突起部位，减少对施工的影响。
（3）塔身附着要安全、简单、方便。
（4）要保证塔式起重机在拆除时的场地条件。
3.2 塔吊基础设计方案
本工程施工场地紧凑且施工作业面大，为确保塔吊能最大限度地发挥作用，结合考虑结构安全及各种因素后，决定该塔吊基础设计方案如下：塔吊基础位置具体详见附图，基础形式采用四根静压预应力管桩支撑系统，预应力管桩规格为PHC500-100A 型，管桩间距为3350mm，管桩顶设钢筋混凝土配重有梁板式承台基座。基座外围尺寸为4850mm×4850mm，厚为1150mm。基座内设置十字交叉的承重主梁，主梁断面尺寸b×h=800mm×1150mm，基座四周设拉梁，拉梁断面尺寸b× h=350mm×600mm，基座底板厚200mm，以上构件砼强度等级为C35，其余用C20 素砼填实。固定塔吊用的地脚螺栓预埋在承重主梁内。主梁顶面标高（承台面标高）比现有场地地面标高下降1m。考虑到打桩过程可能对塔吊桩的影响，在桩顶承台施工前，必须对所有塔吊桩进行动测，以确保桩身的完整性。
4 塔吊基础计算
4.1 塔吊桩单桩承载力计算
4.1.1 土层状况分析
ZK63 如下表： 预制桩 地层编号 地层名称 厚度 （m） 极限桩侧摩阻力标准值 qsik(kPa) 极限桩端阻力标准值 qpk(kPa) 1 杂填土 3.9 25 3 2 淤泥 9.7 12 3 粉质粘土 6.5 55 4 粗砂 5.3 75 5500 5 粉质粘土 2.9 55 2500 6 残积砾质粘土 4.6 60 5000 7 全风化花岗岩 1.3 70 6000 注：该表中第7 层厚度为塔吊桩尖所进入的长度。
4.1.2 塔吊基础单桩承载力计算
根据地质状况及现场情况，塔吊桩采用直径500mm 壁厚100mm 的PHC 预制管桩，桩身砼强度等级C80，采用第7 层土（全风化花岗石）做为塔吊桩的持力层，桩尖进入该土层大于1.0m，塔吊桩按端承摩擦桩进行计算单桩承载力。塔吊桩在施工过程中，压桩力控制在4000kN，以压桩力控制为主，以桩长控制为辅。
<1、 单桩竖向极限承载力标准值计算： qsik—桩周极限侧阻力标准值 （kPa） qpk—桩端极限阻力标准值（kPa） u—桩身周长 (m) AP—桩端面积 （㎡） li—桩穿越第i 层土的厚度(m) Quk —单桩竖向极限承载力标准值(kN) QSK—单桩总极限侧阻力标准值(kN) QPK —单桩极限端阻力标准值(kN) γ—单桩容许承载力安全系数，取1.6 kN Q kN A q l q u Q Q Q Q UK a p pk i sik pk sk uk 3 . 2331 60 . 1 3370 3730 1176 2554 4 5 . 0 5 . 0 6000 0 . 1 70 9 . 4 60 3 . 3 55 1 . 6 75 5 . 6 55 2 . 14 12 8 . 3 25 5 . 0 单桩容许承载力为：
<2、 塔吊桩数验算： 根据支撑系统稳定性要求,暂取桩数n=4，桩心距3.350m。 由塔吊工作状态（不利状态）下基础所受荷载P=388kN 和承台自重G 验算桩数： 承台自重G＝4.85×4.85×1.15×25=676.3kN 1.2×（388+676.3） 4 n=——————-——— =0.55＜4,取桩数n=4 满足要求。 2331.3
4.1.3 塔吊桩竖向承载力及抗倾覆验算：
1.塔吊桩竖向承载力验算： 取Ｘ轴与Ｘ１轴进行验算，取两者大值：
①对Ｘ轴 工作状态： MX=910.7+20×1.15=933.7 kN·m ＰX=(P+G)/n±Mx·Xi/∑Xi 2 =(388+676.3)/4±933.7×1.675/(2×1.675 2 ) =266±1564/5.6 =266±278 =544kN(↓) =-12kN(↑) 非工作状态： MX=976.7+67.7×1.15=1054.6 kN·m Px=(P+G)/n±Mx·Xi/∑Xi 2 =(339+676.3)/4±1054.6×1.675/(2×1.675 2 ) =568.6kN(↓) =-60.98kN(↑)
②对X1 轴 工作状态： Px=(P+G)/n±Mx·Xi/∑Xi 2 =(388+676.3)/4±933.7×1.675×2 ?? /(1.675×2 ?? ) 2 =660.2kN(↓) =-128.2kN(↑) 非工作状态： Px=(P+G)/n±Mx·Xi/∑Xi 2 =(339+676.3)/4±1054.6×1.675×2 ?? /(1.675×2 ?? ) 2 =699.0kN(↓) =-191.4kN(↑) 故单桩所受最大压力Pmax（压）=699kN1054.6kN·m 对X1 轴抗倾覆力矩 3 3 5 0 3350 x x 5 M=(339+676.3)/4×(3.35×2 ?? +2×??×3.35×2 ?? ) =2405.1kN·m>1054.6kN·m 满足要求。
4.2 承台配筋计算
按有梁板式承台计算，塔吊基座计算平面示意图如下。 主梁 1 塔吊支点 C A D B Ф500桩位拉梁
（1）主梁L1
配筋计算（计算简图如下） 砼强度等级为C35,fc=16.7N/mm 2 ,fy=300N/mm 2 主梁L1 断面b×h=800 ㎜×1150 ㎜，h0=1150-70=1080mm （按不利状态下X′-X′平面内） 其中：q=1.2×25×0.8×1.15=27.6kN/m F=1.2×339/4=101.7kN M=1.4×976.7+1.4×67.7×1.15=1476.4kN·m 弯矩M1=ql 2 /8+F·a±0.5×M =27.6×4.737 2 /8+101.7×1.167±0.5×1476.4 =196.1±738.2 = 934.3 kN·m -542.1 kN·m 弯矩M2=M3=0.5×q·l·a·(1-a/l)+F·a±(1-a/l)·M =0.5×27.6×4.737×1.167×(1-1.167/4.737)+101.7×1.167±（1-1.167/4.737） ×1476.4 =57.5+118.7±1112.7 = 1288.9 kN·m 2 3 1 1061 1061 1167 1167 1202 1202 q M F F 6 -936.5 kN·m 故最大正弯矩M=1288.9 kN·m 最大负弯矩M=-936.5 kN·m 梁底配筋计算: αs=M/(fc·b·h0 2 )=1288.9×10 6 /(16.7×800×1080 2 )=0.0827 γs=[1+(1-2αs) 0.5 ]/2=0.957 AS=M/(γs·fy·h0)=1288.9×10 6 /(0.957×300×1080)=4156.8mm 2 梁底配9Ф25，AS=4418mm 2 梁面配筋计算： αs=M/(fc·b·h0 2 ) =936.5×10 6 /(16.7×800×1080 2 )=0.060 γs=[1+(1-2αs) 0.5 ]/2=0.969 AS=M/(γs·fy·h0) =936.5×10 6 /(0.969×300×1080)=2982.9mm 2 梁面配6Φ25，AS=2945mm 2
(2)主梁L1
剪切计算 最大剪力:Qmax=F+0.5·q·l+M/l =101.7+0.5×27.6×4.737+1476.4/4.737=478.7kN 梁箍筋配（四肢箍）,fyv=210N/mm 2 , Asv=4×50.3=201.2mm 2 Vcs=0.7·ft·b·ho+1.25· fyv·Asv/s·ho =0.7×1.57×800×1080+1.25×210×201.2/200×1080 =1234.7kN＞478.7kN 满足要求
（3）不利状态下四周拉梁L2 及基座板配筋：
拉梁L2 断面尺寸b×h=350 ㎜×600 ㎜,上下各配4Φ20，梁箍筋配（四肢箍）。基座板厚200 ㎜，配双层双向钢网筋。 具体配筋详见下页塔吊基座配筋图 4Ф20 4Ф20 9Ф25 4Ф20 4Ф20板筋双层双向素砼填实6Ф25 4Ф14 拉钩塔吊基座配筋图
5 塔吊顶升及高度控制
5.1 群塔顶升的注意事项
随着主体结构的不断升高，要求塔吊不断顶升。在群塔施工现场，塔吊顶升不是某一塔吊的孤立行动，必须考虑群体的协调。顶升的要求首先来自于低塔位工作区，但由于塔吊高差的限制，顶升应先从高塔位开始。 为便于各塔吊顺利附着，要提前做好附着点设计及附着杆连接件的加工，在结构有剪力墙的部位应预先做好留孔处理。为避免高位塔因附着点强度不够而影响附着，应预先对附着区采取特殊措施（必要时在剪力墙上加钢夹板以扩大受力面），确保按期附着，保证各相关塔吊的相继顶升。
5.2 群塔的安装高度控制
高差的控制在于保证群塔的安全运行。高差太小，有可能造成高位塔吊钩与低位塔吊臂碰撞，高差过大，由于群塔高差的连续排序，有可能过早地要求最高塔位附着于未建建筑物而无法实施。结合现场实际情况，综合分析后将两相邻塔的高差控制在6m.
6 群塔运行原则
群塔运行原则包括：低塔让高塔,低塔在转臂前应观察高塔的运行情况后再运行；后塔让先塔，在各塔吊塔臂交叉区域运行时，后进入该区域的塔吊要避让先进入该区域的塔吊；动塔让静塔，在各塔吊塔臂交叉区域作业时，在一塔吊塔臂无回转、小车无行走、吊钩无运动，而另一塔吊塔臂有回转或小车行走时,动塔吊应避让静塔吊;轻车让重车，在各塔吊同时运行时，无荷载塔吊应避让有荷载塔吊；客塔让主塔，以各栋号实际工作区域划分塔吊工作区域，若塔吊塔臂进入非本栋号工作区域时，客区域的塔吊要让主区域的塔吊。各塔吊在运行中，各条件同时存在时，必须按以上排序原则执行。当塔吊长时间暂停工作时，吊钩应起到最高处，小车拉到最近点，大臂按顺风方向停置。
7 群塔作业管理
由于本工程采用群塔作业，受场地及施工特点限制，安装位置相对较为集中，多数塔臂均有交叉，还有可能臂架相碰撞而发生事故。如何在大臂交叉的情况下，确保塔吊安全运行，成为本工程需要解决的技术课题之一，经过研究与工程现场实践，群塔作业管理是关键的保障措施。 成立由项目经理部塔吊管理负责人为首和各塔吊管理负责人参加的塔吊作业指挥中心，负责对施工现场各塔吊之间关系的指挥与协调工作。塔吊指挥中心负责指挥、协调施工现场各塔吊使用、维修、顶升和运行工作。各塔吊管理负责人负责本塔吊的日常管理、故障排除、紧急抢修、日常维护、检查评比等项工作，负责向塔吊指挥中心汇报情况，服从塔吊指挥中心的整体部署、统一指挥和统一协调。塔吊升降根据施工情况协商确定，意见一致后方可进行，且要求各塔的高度要相互错开。为防止臂架相碰撞而发生事故，特制定如下措施：
①在各塔吊起重臂末端安装红色障碍灯；
②在各台塔吊的起重吊钩侧板涂刷反光油漆；
③各塔吊的回转安装限位装置，即起重臂仅限东、北、西区域作业，可防止因塔吊司机误操作后回转到南向，与邻区塔吊发生碰撞；
④ 项目经理部应根据当天作业内容，合理安排各塔吊的吊运内容，尽量避免相邻两台塔吊的同一时间、同一区域同时作业；
⑤严格按照合同规定，确保所有指挥工到位，并加强指挥工的管理，尤其在指挥工的工作责任心、防碰撞意识等方面的管理和教育。
8 塔吊的拆除
拆卸单位必须是有资质的专业拆卸塔吊的单位或企业，并设专人进行拆除，协调拆塔作业，拆卸人员必须持证上岗，有不宜此项作业的疾病的人员禁止拆塔作业，作业前必须进行书面安全技术交底，并保证联络畅通。拆除作业前拆除空间、地面的障碍，确定拆装塔吊的位置与作业地点及塔吊构部件被拆后的堆放位置，督促拆装人员做好工具、索具、塔吊限位、保险、电器电缆、液压顶升系统及劳动防护用品的检查工作，确认正常，办好拆塔前交接手续和对拆除方案进行交底后方能进行拆卸作业。拆除塔吊时，塔吊起重臂、平衡臂与建筑物纵向保持平行。塔吊附着装置应在结构架拆除至少两节后方能拆除。
8 参考文献：
[1]GB50010—2002 混凝土结构设计规范
[2]混凝土结构（第二版）.北京:中国建筑工业出版社,2002
[3]建筑施工手册(第四版).北京:中国建筑工业出版社,2003