地下室頂板在重載吊車作用下承載力驗算與加固技術(shù)

楊凱凱，劉浩，李曉冬

（中交一航局第四工程有限公司，天津 300456）

1 工程概況

中交匯通橫琴廣場地下室分為4層，地下室底板頂標高為-15.2 m，地下室頂板板厚為250 mm，主梁截面為1 200 mm伊500 mm，次梁截面為750 mm伊300 mm，梁板混凝土強度為C40、地下室主梁布置間距及跨度為8 400 mm、次梁為井字形布置，布置間距為2 800 mm。

2 應(yīng)用背景

擬采用1臺徐工130T汽車吊進入到3號塔樓與2號商業(yè)過道之間的地下室頂板之上，配合1臺平板車進行外框柱構(gòu)件倒運至5號動臂塔吊LH800覆蓋范圍內(nèi)，故需要對此區(qū)域地下室樓板的承載力進行驗算及加固處理。塔吊布置、構(gòu)件位置及汽車吊站位如圖1所示，地下室頂板主次梁布置情況及汽車吊行走區(qū)域如圖2所示，主次梁及樓板截面如圖3所示。

3 汽車吊行駛狀態(tài)下混凝土樓板驗算

3.1 行駛狀態(tài)下不利站位

汽車吊技術(shù)參數(shù)如表1所示，汽車吊在雙向板上站位考慮以下兩種方式：

1）汽車吊最后一橋一側(cè)車輪位于雙向板中心點位置。

2）汽車吊后橋位于雙向板中心區(qū)域，后橋中心投影點與樓板中心重合。如圖4所示。

圖1 塔吊布置、構(gòu)件位置及汽車吊站位示意圖Fig.1 Diagram of tower cranelayout,component locationand truck crane station location

圖2 地下室頂板主次梁布置情況及汽車吊行走區(qū)域示意圖Fig.2 Layout of main and secondary beams on basementroof and sketch map of vehicle cranewalking area

圖3 主次梁及樓板截面示意圖Fig.3 Floor section diagram of main girder and secondary girder

表1 汽車吊技術(shù)參數(shù)表Table1 Technical parameter table of automobile crane

圖4 汽車吊在地下室頂板上行走不利站位Fig.4 Disadvantageous position of car crane walking on basement roof

3.2 鋼柱吊裝矯正

本工程地下室頂板為雙向板，結(jié)合圖4汽車吊不利站位并按實際荷載布置情況，通過Midas Gen有限元計算得到內(nèi)力值，進行樓板配筋驗算。

1）輪壓計算：根據(jù)軸荷均布計算輪壓（局部荷載）。車輪與地面接觸面積按照JTG D60—2005《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》[1]取值。單胎：200mm伊300 mm，雙胎：200 mm伊600 mm。根據(jù)徐工130T汽車吊的自重及各軸的重量分布，由表1汽車吊技術(shù)參數(shù)表可知前軸承擔的荷載為78 kN，中、后軸承擔的荷載為120 kN。計算出雙輪的最大輪壓為500 kN/m2，單輪的最大輪壓為646 kN/m2。

2）建模時，在兩個方向上至少考慮三跨樓板作用，車輪與地面的接觸面積為200 mm伊300 mm，故樓板網(wǎng)格劃分單元取100 mm伊100 mm，主梁端部4個柱位采用固接節(jié)點約束，模型中支座位置也按照固接模擬。

3）荷載工況：自重（DD），主要為樓蓋系統(tǒng)的自重；汽車吊傳給樓面的荷載（L1），按照輪壓計算得到的局部荷載取值。

4）荷載組合：COMB（基本組合）為1.2DD+1.2L1；BZZH（標準組合）為 1.0DD+1.0L1。

由于汽車吊在樓面行走，速度較慢，故動力系數(shù)不再考慮[2]。

根據(jù)圖4汽車吊不利站位圖將最大雙輪壓500 kN/m2，最大單輪壓646 kN/m2施加在Midas Gen計算模型上如圖5所示（圖中僅示意兩種不利駐位工況）。

圖5 汽車吊上樓面計算模型Fig.5 The calculation model of the upper floor of the automobile crane

5）承載能力極限狀態(tài)下樓板有限元彎矩圖計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 COMB荷載組合作用下樓板彎矩圖及放大圖（M max=34 kN·m）Fig.6 Floor moment diagram under COMBload combination（M max=34 kN·m）

3.3 樓板承載能力極限狀態(tài)驗算

樓板承載能力極限狀態(tài)驗算主要包括抗彎承載力驗算和抗沖切承載力驗算。一般地，以樓板抗彎承載能力控制為主。

1）樓板抗彎承載力驗算

根據(jù)以上計算結(jié)果可知，樓面承受的彎矩最大值為M=34 kN·m；現(xiàn)對樓面配筋進行驗算：

樓板短跨l01=8 400 mm，長跨l02=8 400 mm，板厚h=250 mm，雙層雙向配準10@100鋼筋，每延米鋼筋面積As=1 026 mm2；采用C40混凝土。

按上式計算得：琢s=0.034，孜=0.034<孜b=0.518，酌s=0.983；

下部縱筋：As=418 mm2，籽min=0.167%<籽=0.37%<籽max=2.50%，實配 10@100，As=1 026 mm2>418 mm2，籽=0.411%>0.37%；

根據(jù)計算結(jié)果可知，樓板抗彎承載能力滿足要求。

2）樓板抗沖切承載力驗算

樓板抗沖切承載力計算時，根據(jù)車輪與地面的接觸面積確定破壞椎體的計算截面，抗沖切破壞椎體如圖7所示，一般按GB 50010—2015《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[3]第6.5節(jié)，不配置箍筋或彎起鋼筋的板的受沖切承載力計算公式進行計算。根據(jù)得到的抗沖切承載力值與局部荷載值進行比較判定。

圖7 抗沖切破壞椎體Fig.7 Anti-punching and destroying vertebral body

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[3]式6.5.1-1，不配置箍筋或彎起筋的板，其受沖切承載力為：

根據(jù)計算結(jié)果可得，樓板抗沖切承載能力滿足要求。

3.4 樓板正常使用極限狀態(tài)驗算

樓板正常使用極限狀態(tài)驗算包括樓板撓度驗算和裂縫驗算。

1）撓度驗算

雙向板撓度直接由軟件計算得到。撓度驗算時荷載取標準組合，計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 BZZH荷載組合作用下樓板撓度值（v max=2.96 mm）Fig.8 Floor deflection under BZZH load combination（v max=2.96 mm）

撓度控制根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[3]表2.4.3受彎構(gòu)件撓度限值確定：“屋蓋、樓蓋及樓梯構(gòu)件，當7 m

2）裂縫驗算

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫控制等級及最大裂縫寬度限值見《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[3]3.4.5條表2.4.5。通常一類環(huán)境，裂縫控制等級為三級時，裂縫限值棕lim=0.3 mm按以下公式計算得出汽車吊行走狀態(tài)樓板裂縫。

計算結(jié)果為0.061 mm<裂縫限值棕lim=0.3 mm。

4 汽車吊工作狀態(tài)下混凝土梁承載力驗算

4.1 混凝土梁驗算說明

汽車吊在工作狀態(tài)下，支腿外伸作業(yè)時，一般要求支腿落在混凝土梁上。最不利狀態(tài)為受力最大的支腿位于次梁跨中，如圖9所示。

圖9 汽車吊工作狀態(tài)下最不利站位Fig.9 The most disadvantageousposition of the crane in working condition

4.2 混凝土梁內(nèi)力計算

1）汽車吊支腿反力計算

圖10 汽車吊吊裝圖Fig.10 Planeand elevation of automobile hoisting

根據(jù)各項的參數(shù)，支點最大反力，見圖10。式中：G為汽車吊以及被吊構(gòu)件的總重荷載，kN；M為重物對旋轉(zhuǎn)中心的彎矩，kN·m；C為支腿縱橫間距較小值。

根據(jù)上述公式所得，汽車吊最大支腿反力如圖11所示。

圖11 汽車吊最大支腿反力示意圖Fig.11 Schematic diagram of maximum leg reaction of automobile crane

2）混凝土梁內(nèi)力計算

利用有限元計算軟件Midas gen；根據(jù)圖11汽車吊站位布置次梁跨中受624 kN集中荷載。

主梁端部4個柱位采用固接節(jié)點約束，模型中支座位置也按照固接模擬。布置圖見圖12。

荷載工況：

自重（D）由程序自動考慮，自重系數(shù)取1.0；

活載（L）按Nmax=624 kN進行施加；

荷載組合：COMB—1.2D+1.2伊1.05伊L

BZZH—1.0D+1.0伊1.05伊L

圖12 次梁跨中布置汽車吊支腿反力示意圖Fig.12 Schematic diagram of reaction force of suspension legsarranged in the middleof beam span

計算結(jié)果：基本組合下的主梁彎矩、次梁彎矩，主梁剪力，次梁剪力圖分別如圖13、圖14所示，有限元計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

圖13 COMB荷載組合彎矩圖Fig.13 Bending moment diagram of COMBload combination

圖14 COMB荷載組合剪力圖Fig.14 Shearing force diagram of COMBload combination

表2 有限元計算結(jié)果Table 2 Finite element calculation results

4.3 混凝土梁承載能力極限狀態(tài)驗算

混凝土梁在汽車吊支腿集中荷載作用下，承載能力極限狀態(tài)驗算包括正截面受彎驗算和斜截面抗剪驗算。

1）正截面受彎承載力能力驗算

混凝土主梁承載能力極限狀態(tài)驗算，根據(jù)計算結(jié)果可知，主梁正截面抗彎承載能力滿足要求。

混凝土次梁承載能力極限狀態(tài)驗算，根據(jù)計算結(jié)果可知，次梁正截面抗彎承載能力滿足要求。

2）斜截面抗剪承載能力驗算

混凝土梁斜截面抗剪承載力按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》6.3節(jié)進行計算。將計算得到的斜截面抗剪承載力值與梁端剪力值進行比較、判定[3]。根據(jù)計算結(jié)果可知，次梁斜截面抗剪承載力能夠滿足要求。

4.4 混凝土梁正常使用極限狀態(tài)驗算

1）撓度驗算

撓度控制根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》表2.4.3受彎構(gòu)件撓度限值確定：屋蓋、樓蓋及樓梯構(gòu)件，當7 m

2）裂縫驗算

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫控制等級及最大裂縫寬度限值見《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》3.4.5條表2.4.5，通常一類環(huán)境，裂縫控制等級為三級時，裂縫限值棕lim=0.3 mm[3]。按公式計算得出汽車吊行走狀態(tài)樓板裂縫。

5 汽車吊上樓面可行性驗算結(jié)論及注意事項

根據(jù)汽車吊各種不同的作用工況[4]，汽車吊行走狀態(tài)以及汽車吊工作狀態(tài)下各項驗算指標結(jié)果如表3所示。

表3 汽車吊上樓面可行性驗算表Table3 Feasibility checklist of truck crane upper floor

經(jīng)驗算，130T汽車吊在吊裝作業(yè)時，混凝土梁的承載能力與變形條件均能滿足規(guī)范要求。

6 梁板加固措施

為避免重型汽車吊對樓板造成不可挽回的影響，即便驗算結(jié)果符合規(guī)范要求，也需對現(xiàn)澆樓蓋采取加固措施并對該加固措施進行驗算。

6.1 加強模板腳手架法

該方法是將混凝土樓板施工用的模板支撐腳手架，按照支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計要求進行加密、加強，并與達到設(shè)計強度后的混凝土樓板協(xié)同受力工作，達到在樓板上吊裝或存儲構(gòu)件要求的加固方法。

采取腳手架方式加固時，必須保證腳手架立桿與樓面板處于頂緊狀態(tài)（可采用調(diào)節(jié)支托頂緊），并對樓面進行變形監(jiān)測[5]。

6.2 增加轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)加固法

對于自行式起重設(shè)備，其在混凝土樓板上工作時間較長，作用范圍較大。當荷載作用較大時，可采用增設(shè)移動式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的方法，將荷載通過轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)直接傳至混凝土結(jié)構(gòu)柱頂或承載能力較大的主梁上[6]。轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)一般采用型鋼梁或路基箱，采用該加固方法時，路基箱與樓板之間脫空，樓板不直接受力[7]，加固效果如圖15所示。

圖15 加路基箱等轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)加固示意圖Fig.15 Strengthened sketch of transfer structure such as roadbed box

6.3 混凝土原結(jié)構(gòu)加固法

當原結(jié)構(gòu)設(shè)計未考慮施工荷載且已完成施工時，也可采用外加預(yù)應(yīng)力外粘鋼板、外包型鋼或粘貼碳纖維復(fù)合材料等加固方法[8]。

6.4 混凝土梁加固辦法

梁下部采用格構(gòu)式支撐架或者支撐鋼管時，可利用千斤頂頂緊，保證支撐與混凝土梁協(xié)同受力。支撐系統(tǒng)最好設(shè)在集中荷載對應(yīng)正下方位置，支撐架及支撐管規(guī)格應(yīng)通過計算確定。鋼管加固構(gòu)造如圖16所示。

圖16 鋼管加固構(gòu)造示意圖Fig.16 Structural sketch of steel pipe reinforcement

7 結(jié)語

通過對中交匯通橫琴廣場重型汽車吊上地下室頂板的可行性分析，確定了吊裝機械選型和構(gòu)件倒運的具體方案及措施，確保了塔吊停工期間的鋼結(jié)構(gòu)外框柱的安裝節(jié)點順利完成，對地下室頂板進行了科學(xué)有效的加固措施，全過程進行機械行走范圍內(nèi)地下室頂板應(yīng)力檢測，保證外框柱構(gòu)件倒運吊裝整個過程安全可靠，地下室頂板主體結(jié)構(gòu)完好無損。同時探索總結(jié)出一套地下室頂板加固措施及解決方案，為后續(xù)工程提供技術(shù)參數(shù)及施工經(jīng)驗。