在高能級強(qiáng)夯施工中門架立柱的強(qiáng)度研究

王紅霞

(山西機(jī)械化建設(shè)集團(tuán)公司，山西太原 030009)

0 引言

強(qiáng)夯法是地基處理的主要方法之一，在我國山區(qū)高填方工程、拋石填海工程、超厚濕陷性黃土地基中高能級強(qiáng)夯施工被廣泛應(yīng)用。我們用W200C型履帶式起重機(jī)作為主機(jī)和配置門架組成強(qiáng)夯機(jī)，在陜西富縣施工工地進(jìn)行了12 000 kN·m強(qiáng)夯測試，通過測試儀器DADTLOGGER7V13數(shù)據(jù)采集儀對兩門架立柱做了10個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力測試，以此為依據(jù)進(jìn)行一系列計(jì)算驗(yàn)證，驗(yàn)證800×800截面的門架立柱能否滿足12 000 kN·m強(qiáng)夯施工強(qiáng)度要求，為同類施工提供借鑒。

1 測試概況

為了得到門架立柱是否滿足12 000 kN·m施工要求，我們用50 t夯錘起升24 m(風(fēng)力很小，忽略不考慮)，門架立柱使用4 m×4節(jié)、3 m×3節(jié)、2 m×1節(jié)，共計(jì)27 m高，履帶式起重機(jī)吊桿長28 m;測試點(diǎn)選在夯土含水量比較大的地方，而且在同一點(diǎn)反復(fù)夯實(shí)進(jìn)行得到較大的吸附力，測試門架立柱結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化，并記錄了第一、三、五錘的應(yīng)力和應(yīng)變。

2 測試數(shù)據(jù)

測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 測試數(shù)據(jù)表

測點(diǎn)布置在門架兩立柱距地面第二節(jié)的桁架下方，其中1，2，3，4，5，6 在同一截面上，7，8，9，10 在另一個(gè)立柱同一截面上，5，6點(diǎn)布在橫綴上，其余8點(diǎn)布在柱肢上，以門架放松狀態(tài)為零做的測試。進(jìn)行到第五錘時(shí)，夯錘吸附嚴(yán)重，再加大力量起吊會對起重機(jī)造成損害，認(rèn)為這時(shí)達(dá)到了起吊最大值。

3 夯錘選擇

強(qiáng)夯地基處理施工，我們通常采用W200C1型履帶式起重機(jī)作為強(qiáng)夯機(jī)，臂桿長26 m～30 m，附帶輔助裝置——高度26 m～28 m 的門。通過吊 45 t，50 t，55 t的夯錘分別起升 22 m，24 m，27 m這三種方法來實(shí)現(xiàn)12 000 kN·m的強(qiáng)夯地基處理，但哪種方案最佳，我們從以下幾方面進(jìn)行考慮:1)對相同的夯擊能量，常選用大落距的施工方案，以獲得較大的接地速度，將能量有效地傳到地下深處，增加深層夯實(shí)效果，減少消耗在地表土層塑性變形的能量;2)大噸位的夯錘在施工時(shí)的吸附力比較大，在起錘過程中，主機(jī)的瞬間載荷超過正常工作很多，嚴(yán)重影響強(qiáng)夯機(jī)的性能;3)門架太高時(shí)穩(wěn)定性比較差，而且安全性也低了。從這幾方面考慮，我們選擇了用50 t夯錘起升24 m來打。

4 數(shù)據(jù)分析

門架格構(gòu)柱底第二節(jié)橫綴上的5，6點(diǎn)，在門架與強(qiáng)夯機(jī)垂直面方向的中性面上，這個(gè)方向產(chǎn)生的彎矩在兩點(diǎn)上為零，而剪切力最大，因此只考慮剪切應(yīng)力;而在門架立柱與強(qiáng)夯機(jī)工作方向5，6點(diǎn)距中性面最遠(yuǎn)，產(chǎn)生的彎矩最大，剪切力最小為零。經(jīng)過理論計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本相符，同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)報(bào)告，知橫綴上點(diǎn)5，6處在這三錘測試時(shí)，應(yīng)力變化不大而應(yīng)力值也不大，說明兩立柱只考慮彎曲，則門架立柱屬于壓彎構(gòu)件。

4.1 第一錘起錘時(shí)門架受力情況分析

1)確定臂桿與水平的夾角θ。在強(qiáng)夯施工時(shí)，通常門架不與地面垂直，而是有一定的偏離，即門架頂端垂直地面投影與底端的距離為0.8 m～1.0 m，一般根據(jù)門架的長度取值，因測量門架長為27 m，則取值0.8 m，那么門架與地面垂直線所成夾角ψ=

整個(gè)門架包括橫擔(dān)、十字頭在門架立柱方向上的總長度H=28.37 m;根據(jù)強(qiáng)夯機(jī)臂桿長28 m和鵝頭結(jié)構(gòu)尺寸，計(jì)算出鵝頭耳孔到臂桿支點(diǎn)所在水平面的距離L=28.39 m，再加上臂桿支點(diǎn)到地面距離 2.1 m，那么由兩者的高度相同，即 28.37cosψ=28.39sinθ－0.577 6cosθ+2.1，就可得出吊桿與水平的夾角 θ，我們根據(jù)計(jì)算測試得θ=68.8°(見圖1)。

圖1 履帶吊與門架工作簡易圖

2)求作用在吊桿上各力力臂。通過臂桿長度、鵝頭尺寸、臂桿水平夾角，首先計(jì)算出十字頭和橫擔(dān)重量折算到吊桿處的力臂L2，再根據(jù)鵝頭尺寸和L2得出起吊重物的力臂L1，假定臂桿力臂L3為重物力臂L1的一半;根據(jù)L2及門架地面垂直線所成夾角算出門架作用力力臂L4。

3)計(jì)算起升載荷折算到立柱頂端的力。強(qiáng)夯施工時(shí)，起升載荷要考慮夯錘在地基中的吸附和無約束的起升時(shí)動載，通過比較，還是吸附時(shí)的起升載荷大，所以起升載荷按吸附時(shí)的最大載荷計(jì)算。

在第一錘起錘時(shí)基本無吸附力，同時(shí)為了測試更準(zhǔn)確，起錘速度很慢，基本沒有加速度，所以第一錘起錘時(shí)GP=G+Q吊鉤=(50 t+1.5 t)×9.8=50.47 ×104N。根據(jù)臂桿力矩平衡，∑M=0(把鋼絲繩看作與吊桿一致，則可視作強(qiáng)夯機(jī)卷筒拉力不產(chǎn)生力矩)，則 R支L4=GPL1+Q吊L3+(Q橫+Q十字)L2，得R支=55.397 ×104N(其中Q吊臂桿與鵝頭部分自重為7.064 t，Q橫+Q十字橫擔(dān)與十字頭部分自重為2.004 t)。

4)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出立柱端的力。因門架立柱為壓彎構(gòu)件，我們只考慮橫向力和軸心壓力。測試點(diǎn)在立柱底部第二節(jié)下端，則在橫擔(dān)兩邊的支撐力應(yīng)減去格構(gòu)柱和連接板自重產(chǎn)生的力(在此處產(chǎn)生的彎矩很小，可以忽略)。同時(shí)由于門架在強(qiáng)夯機(jī)垂直面有一個(gè)傾角 γ =arcsin1.5/27=3.185°，則 R′支= ［(σ門A+σ門B)A －2(Q門24+Q連)cosψ］cosγ =55.825 ×104N，其中，Q門24為立柱第二節(jié)以上24 m格構(gòu)柱的重量;Q連為立柱與橫擔(dān)連接板的重量。那么兩者的差為 R′支－R支=55.825×104－55.397×104=0.526×104N，這時(shí)由于鵝頭重而整個(gè)吊桿的中點(diǎn)，按中點(diǎn)位置計(jì)算少算的部分。

4.2 強(qiáng)夯機(jī)最大拉力計(jì)算

門架試驗(yàn)是在微小風(fēng)力的情況下進(jìn)行的。我們通常施工時(shí)，風(fēng)力三級時(shí)由于離地面距離不同風(fēng)速差別很大，并且由于門架高達(dá)27 m，風(fēng)對門架上部作用力大，門架晃動厲害，造成夯錘擺動影響施工，所以一般風(fēng)力達(dá)到三級以上，為了保障施工安全和質(zhì)量，我們就停止施工，因此計(jì)算時(shí)不考慮風(fēng)的影響。

第五錘時(shí)，發(fā)動機(jī)加油基本達(dá)到了最大功率，吊車卷筒不轉(zhuǎn)，提不起錘，再進(jìn)行加大力起吊，對強(qiáng)夯機(jī)嚴(yán)重不利，則認(rèn)為此時(shí)吊車主卷揚(yáng)拉力最大。

考慮到前面由于吊桿的重心選擇而產(chǎn)生的差，則:

根據(jù)力矩平衡;R支L4=GPL1+Q吊L3+(Q橫+Q十字)L2，則GP=110.015 ×104N。

由于吊車起吊第五錘時(shí)，主卷揚(yáng)機(jī)已處于最大能力狀況，且錘未被吊起，可初步認(rèn)為吊車最大瞬間單繩拉力為:

F繩max=110.015 ×104÷7 ÷9.8=1.604 ×104N。

5 強(qiáng)度驗(yàn)證

這次測試選在夯土含水較大的地點(diǎn)進(jìn)行，并且強(qiáng)夯機(jī)在同一地點(diǎn)反復(fù)夯土，隨著錘夯出坑的深度逐漸增加，土對錘的吸附力逐漸增大，最后達(dá)到很大的吸附，使夯錘深陷。實(shí)際工作中，我們?yōu)榱耸箯?qiáng)夯機(jī)能在主要技術(shù)參數(shù)內(nèi)工作(符合產(chǎn)品工作要求)，有效地保證強(qiáng)夯機(jī)的性能，通過施工方案的選擇和對夯錘的改進(jìn)，減小吸附力，使強(qiáng)夯機(jī)能正常工作并很好完成施工。所以立柱、柱肢的強(qiáng)度按最大承載力時(shí)驗(yàn)算的強(qiáng)度合格，就能滿足正常強(qiáng)夯施工時(shí)的強(qiáng)度要求。

5.1 立柱彎矩計(jì)算

根據(jù)第五錘試驗(yàn)數(shù)據(jù)知σB比σA大，所以對格構(gòu)柱B的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證。

立柱自重為:

則將均布自重荷載換算成壓桿頂部等效荷載:

作用在立柱兩端的軸向力為:

垂直立柱方向有一個(gè)橫向荷載:

壓彎構(gòu)件橫向荷載對構(gòu)件中點(diǎn)產(chǎn)生的基本撓度:

構(gòu)件的名義歐拉臨界荷載:

因此立柱中點(diǎn)的總彎矩(y方向):

由于立柱與強(qiáng)夯機(jī)方向的夾角ψ=1.698°，同理在格構(gòu)柱中點(diǎn)的總彎矩(x方向):

5.2 柱肢強(qiáng)度驗(yàn)算

依照立柱單柱肢內(nèi)力公式:

故單肢強(qiáng)度驗(yàn)算合格。

5.3 立柱強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)壓彎構(gòu)件強(qiáng)度公式，立柱強(qiáng)度為:

故立柱強(qiáng)度驗(yàn)算合格。

6 結(jié)語

通過對吊車最大能力工作時(shí)，門架立柱強(qiáng)度的驗(yàn)證，認(rèn)為進(jìn)行12 000 kN·m強(qiáng)夯作業(yè)，這套門架立柱強(qiáng)度能夠滿足要求。

［1］ GB 3811－2008，起重機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ 徐格寧.機(jī)械裝備金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［3］ 胡宗武，汪西應(yīng)，汪春生.起重機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)例［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［4］ 劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2000.

［5］ 山西省機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督監(jiān)測總站.12 000 kN·m強(qiáng)夯機(jī)門架結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試報(bào)告［R］.