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摘要：本文结合笔者多年的工作经验，对塔吊基础设计及存在的许多问题进行探讨，以供同行参考。
关键词：塔吊基础，设计技术，承载力，问题
Abstract: the author discusses many years of work experience, and basic design of tower and many problems are discussed, and provide the reference for colleague.
Keywords: crane foundation, the design technology, bearing capacity, problem
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
0引言
随着我国经济水平的飞快发展，高层建筑和深基坑大量沦沉，房屋建筑的施工场地和作业环境日趋复杂。塔吊安全事故也越来越多，引发事故的原因有许多，例如塔吊基础设计不能引起足够重视，设计人员设计水平不够，且没有合适的审查等等。文章拟从塔吊基础设计、设计技术的角度进行分析，提出解决方案。
1塔吊基础设计
1.1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。
1.2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1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其大小相差约为30%。
1.3塔吊的最不利工况和倾覆力矩的取值
塔吊可以分為起吊重物和不吊重物时的工作状态，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。
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。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。
2设计技术
塔吊基础可采用天然地基上钢筋混凝土基础，或采用桩基（上承台基础）做法。通常情况下桩基承载力大，出现安全隐患的机率很小。本文主要对天然地基上钢筋混凝土基础设计作分析，该类型的基础，往往设计人员不够重视，在做施工方案时随意搬抄或者不符合设计原理地进行调整，特别是出现软弱地基或者不均匀地基时，采用不正确的处理方法。
2.1天然地基上塔吊基础设计要点
天然地基上塔吊基础设计主要包括地基承载力验算、基础抗冲切计算、基础抗弯计算。地基承载力可按现行《建筑地基基础设计规范》（以下称简《规范》）特征值进行修正计算（见式1，具体符号意义参见《规范》），并根据塔上部荷载参数进行地基承载力验算。
（1）
上部荷载需根据塔吊使用说明书，采用塔吊非工作状态最不利荷载组合，得到内力值，确定合适的塔吊基础底面尺寸后(设底面积A)，可按式（2）或式（3）计算基底反力P。当不考虑附着时（图1.a）的基底反力按式（2）计算：
（2）
当考虑附着时（图1.b）的基底反力按式（3）计算：、
（3）
验算P，须满足式（4）条件：
（4）
抗冲切计算（略，详见《规范》）
抗弯计算（纵筋配筋计算，略，详见《规范》）
图1基底反力示意图
3基础设计中常见问题
（1）基础结构设计偏于保守；
（2）地基承载力不能满足要求，处理方法不当。
第（1）条所述的情况，比较普遍，由于设计者结构设计能力有限，对于基础尺寸以及配筋均会采取过大的取值，有的设计者套用其它工程的设计，套用后盲目增大基础尺寸，强度等级及配筋量等。本项问题往往不会引起安全隐患，但会造成不必要的浪费。
第（2）条所述种情况，在碰到地基承载力低的条件时，设计者常常会采用不当的处理方法。例如，施工方案编制者未经计算，发现承载力不能满足说明书所述值后，直接增加混凝土等级，或增加配筋量。根据本文2.1所述计算要点可见，该处理办法对于满足地基承载力条件来说是根本无效的。如果地基承载能力远低于地基反力时，塔吊隐患往往较大。后期必然会带来塔吊沉陷、倾斜，甚至倒塌等严重后果。这是最典型的因基础设计（或根本未经设计）问题造成的安全事故。
典型案例：某工程，塔吊基础下卧地基为淤泥质土(设计承载力为50 kPa)，设计人员未经软弱下卧层地基承载力验算，仅将承台扩大到5 m×5 m×1.4 m，承台中间再增设一道Φ20@200钢筋，并在塔吊基础地基下打入5 m长的松木桩。结果，在安装了7节塔吊节，并使用近一个月后，塔吊垂直度南偏7.5 cm，东偏6.8 cm，超过了规范要求，造成严重安全隐患。
在处理办法中可见：（1）设计者发现地基承载力不能满足要求后，未经计算，随意扩大承台尺寸，而虽然扩大承台边长是有效的，但扩大的数值是随意的，未必能满足安全要求。（2）因承载力不够，设计人员在承台中间增设一道Φ20@200钢筋，该处理办法对地基承载力不足的问题来说几乎不起作用的，可见设计人员的设计水平是很低的。（3）在塔吊基础下打入松木桩，似乎是有效的做法。一方面它仅仅是作为了一种考虑，而非准确的计算，另一方面，打入松木桩，对于淤泥质软弱下卧层来说，是否会产生地基土扰动而造成承载能力严重影响，应该作认真分析。
4避免措施
从以上论述来看，塔吊基础设计中存在的问题，主要是由于设计者水平不足以及设计管理上的原因造成。如果基础设计仍然由施工单位一线技术员承担，审核仍由监理单位监理人员承担，塔吊基础的设计质量只能取决于以上人员的总体水平。由此看来，提高塔吊基础设计质量，避免因塔吊基础设计问题产生隐患，关键在于设计管理。设计管理的关键在于，设计者的资格管理，审核者的资格管理。这项管理有两个层面上的方案。第一个层面的方案，施工单位层面。每个施工单位，应具有国家注册结构师，并具有一定的结构设计经历与经验。此类涉及力学结构安体的设计，施工单位应确定由具有相应设计水平的该类人员设计，并由合适的人选进行审核。第二个层面的方案，政府建设主管部门，对此类包括塔吊、深基坑、高支模类的施工方案，应该落实设计者的要求。如明确要求由施工单位注册结构师设计，或设计院注册结构师设计。目前国内的做法，对于高支模、深基坑等施工方案采用专家会审的办法。笔者认为，更重要的是方案设计者的相关理论水平与设计水平，这是关键因素。
5结语
总而言之，塔吊基础设计的安全问题，并非设计技术上有难度。而是在设计管理，是工程管理上存在着不合理，这虽然是微观的问题，但却能体现了国内工程管理的体制存在着缺陷，仍需进行必要的改革。
参考文献
[1]GB 50007-2002建筑地基基础设计规范[S].中国建筑工业出版社，2002.
[2]GB 50010-2002混凝土结构设计规范[S].中国建筑工业出版社，2002.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：塔吊基础，设计技术，承载力，问题
Abstract: the author discusses many years of work experience, and basic design of tower and many problems are discussed, and provide the reference for colleague.
Keywords: crane foundation, the design technology, bearing capacity, problem
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
0引言
随着我国经济水平的飞快发展，高层建筑和深基坑大量沦沉，房屋建筑的施工场地和作业环境日趋复杂。塔吊安全事故也越来越多，引发事故的原因有许多，例如塔吊基础设计不能引起足够重视，设计人员设计水平不够，且没有合适的审查等等。文章拟从塔吊基础设计、设计技术的角度进行分析，提出解决方案。
1塔吊基础设计
1.1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。
1.2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1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其大小相差约为30%。
1.3塔吊的最不利工况和倾覆力矩的取值
塔吊可以分為起吊重物和不吊重物时的工作状态，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。
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。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。
2设计技术
塔吊基础可采用天然地基上钢筋混凝土基础，或采用桩基（上承台基础）做法。通常情况下桩基承载力大，出现安全隐患的机率很小。本文主要对天然地基上钢筋混凝土基础设计作分析，该类型的基础，往往设计人员不够重视，在做施工方案时随意搬抄或者不符合设计原理地进行调整，特别是出现软弱地基或者不均匀地基时，采用不正确的处理方法。
2.1天然地基上塔吊基础设计要点
天然地基上塔吊基础设计主要包括地基承载力验算、基础抗冲切计算、基础抗弯计算。地基承载力可按现行《建筑地基基础设计规范》（以下称简《规范》）特征值进行修正计算（见式1，具体符号意义参见《规范》），并根据塔上部荷载参数进行地基承载力验算。
（1）
上部荷载需根据塔吊使用说明书，采用塔吊非工作状态最不利荷载组合，得到内力值，确定合适的塔吊基础底面尺寸后(设底面积A)，可按式（2）或式（3）计算基底反力P。当不考虑附着时（图1.a）的基底反力按式（2）计算：
（2）
当考虑附着时（图1.b）的基底反力按式（3）计算：、
（3）
验算P，须满足式（4）条件：
（4）
抗冲切计算（略，详见《规范》）
抗弯计算（纵筋配筋计算，略，详见《规范》）
图1基底反力示意图
3基础设计中常见问题
（1）基础结构设计偏于保守；
（2）地基承载力不能满足要求，处理方法不当。
第（1）条所述的情况，比较普遍，由于设计者结构设计能力有限，对于基础尺寸以及配筋均会采取过大的取值，有的设计者套用其它工程的设计，套用后盲目增大基础尺寸，强度等级及配筋量等。本项问题往往不会引起安全隐患，但会造成不必要的浪费。
第（2）条所述种情况，在碰到地基承载力低的条件时，设计者常常会采用不当的处理方法。例如，施工方案编制者未经计算，发现承载力不能满足说明书所述值后，直接增加混凝土等级，或增加配筋量。根据本文2.1所述计算要点可见，该处理办法对于满足地基承载力条件来说是根本无效的。如果地基承载能力远低于地基反力时，塔吊隐患往往较大。后期必然会带来塔吊沉陷、倾斜，甚至倒塌等严重后果。这是最典型的因基础设计（或根本未经设计）问题造成的安全事故。
典型案例：某工程，塔吊基础下卧地基为淤泥质土(设计承载力为50 kPa)，设计人员未经软弱下卧层地基承载力验算，仅将承台扩大到5 m×5 m×1.4 m，承台中间再增设一道Φ20@200钢筋，并在塔吊基础地基下打入5 m长的松木桩。结果，在安装了7节塔吊节，并使用近一个月后，塔吊垂直度南偏7.5 cm，东偏6.8 cm，超过了规范要求，造成严重安全隐患。
在处理办法中可见：（1）设计者发现地基承载力不能满足要求后，未经计算，随意扩大承台尺寸，而虽然扩大承台边长是有效的，但扩大的数值是随意的，未必能满足安全要求。（2）因承载力不够，设计人员在承台中间增设一道Φ20@200钢筋，该处理办法对地基承载力不足的问题来说几乎不起作用的，可见设计人员的设计水平是很低的。（3）在塔吊基础下打入松木桩，似乎是有效的做法。一方面它仅仅是作为了一种考虑，而非准确的计算，另一方面，打入松木桩，对于淤泥质软弱下卧层来说，是否会产生地基土扰动而造成承载能力严重影响，应该作认真分析。
4避免措施
从以上论述来看，塔吊基础设计中存在的问题，主要是由于设计者水平不足以及设计管理上的原因造成。如果基础设计仍然由施工单位一线技术员承担，审核仍由监理单位监理人员承担，塔吊基础的设计质量只能取决于以上人员的总体水平。由此看来，提高塔吊基础设计质量，避免因塔吊基础设计问题产生隐患，关键在于设计管理。设计管理的关键在于，设计者的资格管理，审核者的资格管理。这项管理有两个层面上的方案。第一个层面的方案，施工单位层面。每个施工单位，应具有国家注册结构师，并具有一定的结构设计经历与经验。此类涉及力学结构安体的设计，施工单位应确定由具有相应设计水平的该类人员设计，并由合适的人选进行审核。第二个层面的方案，政府建设主管部门，对此类包括塔吊、深基坑、高支模类的施工方案，应该落实设计者的要求。如明确要求由施工单位注册结构师设计，或设计院注册结构师设计。目前国内的做法，对于高支模、深基坑等施工方案采用专家会审的办法。笔者认为，更重要的是方案设计者的相关理论水平与设计水平，这是关键因素。
5结语
总而言之，塔吊基础设计的安全问题，并非设计技术上有难度。而是在设计管理，是工程管理上存在着不合理，这虽然是微观的问题，但却能体现了国内工程管理的体制存在着缺陷，仍需进行必要的改革。
参考文献
[1]GB 50007-2002建筑地基基础设计规范[S].中国建筑工业出版社，2002.
[2]GB 50010-2002混凝土结构设计规范[S].中国建筑工业出版社，2002.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。