基于古老運河軟弱河床上大型龍門吊軌道基礎(chǔ)承載安全性的計算分析

王磊

（中交路橋華北工程有限公司）

1 工程背景

濟寧市環(huán)湖大道東線工程（太白湖新區(qū)段），位于山東省濟寧市東南部、微山縣北側(cè)，起于火炬路與南二環(huán)交叉口，止于泗河大橋南引道，全長7.92km。主要工程量包括起點南二環(huán)互通立交、主線及泗河大橋，其中新建泗河大橋主橋采用30m+95m+130m+95m+30m=380m中承式系桿拱橋，橫跨泗河。泗河中承式系桿拱橋，最大跨徑為130m，主橋主梁斷面全寬34.5m，道路設(shè)計中心線處標準梁高為2.0m，采用鋼結(jié)構(gòu)。拱肋整體向內(nèi)傾斜10°，主拱矢高38.078m，矢跨比1/3.4；次拱矢高26.401m，矢跨比1/3.6，采用鋼箱結(jié)構(gòu)?？傆娩摿考s1.18萬t，全橋共分解成315個鋼箱節(jié)段，尺寸不一，其中最重塊段為J13，重達1110kN（111.047t）。擬搭建落地鋼管樁支架，采用150t跨墩龍門吊起吊對各節(jié)段進行分段安裝，龍門吊基礎(chǔ)由軌道梁和混凝土基礎(chǔ)組成，單組最大輪重為875kN（87.5t）。

2 龍門吊基礎(chǔ)地質(zhì)條件

濟寧地區(qū)屬新華夏系第二沉降帶，處于近南北向的濟寧凹陷的中心部位，西以嘉祥凸起為鄰，東以兗州凸起相接。場區(qū)及其附近的地質(zhì)構(gòu)造形跡以斷裂為主，距擬建現(xiàn)場較近的斷裂構(gòu)造規(guī)模較大的有三條，東部的孫氏店斷裂、西部的嘉祥斷裂、北部的鄆城斷裂。泗河大橋根據(jù)鉆探揭露，原位測試及室內(nèi)土工試驗，場地表層為填筑土層，其下為第四系全新統(tǒng)合晚更新統(tǒng)沖洪積土組成的粉土、粉砂及黏性土層，自上而下可分為如下13層（含亞層）：1-1層底填筑土，平均厚2.45m；1層淤泥，平均厚度0.62m；2-1層黏土，平均厚度1.74m；2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，平均2.67m；3層粉質(zhì)黏土，平均2.78m；4層黏土，平均厚度4.18m；5層粉質(zhì)黏土，平均10.88m；6層細砂，平均4.16m；7層黏土，平均3.03m；8層細砂，平均厚度3.25m；9層黏土，平均厚度22.4m；10層中砂，平均厚度5.88m；11層黏土，平均厚度5.63m；12層中砂，平均厚度12.37m；13層黏土，該層未穿透。

3 龍門吊概況及計算

起重設(shè)備采用跨徑為37m，凈高為45m，額定起吊重量為1500kN（150t）的跨墩龍門吊，自重為2350kN（235t）。龍門吊軌道基礎(chǔ)采用倒T型C30混凝土條形基礎(chǔ)，下基礎(chǔ)寬120cm，高60cm，上基礎(chǔ)寬60cm，高30cm，C30混凝土內(nèi)設(shè)構(gòu)造鋼筋，基礎(chǔ)底設(shè)置厚度為10cm，寬1.4m的C30混凝土墊層。龍門吊軌道基礎(chǔ)每隔20m設(shè)置一道2cm寬的沉降縫。下基礎(chǔ)底部采用12根Φ16mm鋼筋作為縱向受拉主筋，頂部放置6根Φ12mm鋼筋作為抗負彎矩主筋，側(cè)面抗扭鋼筋4根Φ12mm鋼筋，抗彎和抗扭鋼筋均采用HRB400；每隔40cm設(shè)置一道環(huán)形箍筋，箍筋采用HRB235Φ10mm光圓鋼筋，箍筋間距為40cm。

3.1 計算參數(shù)確定

43#鋼軌抗拉強度780MPa；Q235鋼材強度：[σ拉、壓]=215MPa [σ彎]=215MPa[τ]=125MPa；Q235 鋼材彈性模量E=2.1×105MPa；臨時結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)??；龍門吊輪載按照可變荷載，分項系數(shù)取1.5；基礎(chǔ)按照恒載，分項系數(shù)取1.3；龍門吊車對鋼軌的壓力取最大輪壓273.7kN。容許撓度不超過L/400。

3.2 荷載及荷載組合

3.2.1 荷載類型

軌道及螺栓自重；混凝土基礎(chǔ)自重；龍門吊吊車對鐵軌的作用,取龍門吊參數(shù)中的最大輪壓273.7kN（單輪作用）。本項目龍門吊施工屬于室外作業(yè)，當(dāng)風(fēng)力較大或降雨時候應(yīng)停止施工。當(dāng)起吊最重節(jié)段1110kN且節(jié)段位于最靠近軌道位置的時候為最不利工況。龍門吊自重G1=2350kN，節(jié)段最重G2=1110kN。起吊最重梁板時單個天車所受集中荷載為P，龍門吊自重均布荷載為q。P=G2=1110kN；q=G1/L=2350kN×10/37=63.514kN/m。當(dāng)處于最不利工況時單個龍門吊受力簡圖如下：

龍門吊豎向受力平衡可得到：

N1+N2=q×L+P

N1=(37-3)/37×1110+63.514×37/2=2195kN

N2=3/37×1110+63.514×37/2= 1260kN

龍門吊單側(cè)為雙支腿，支腿間距為21m，單支腿按4個車輪考慮，兩個車輪之間距離為1m，對受力較大支腿進行分析，受力較大的單側(cè)單支腿豎向受力平衡可得：N1=2195/8=274.4kN。在最不利工況下，龍門吊單個車輪所受最大豎向應(yīng)力為N=274.4kN。

3.2.2 結(jié)構(gòu)計算工況的確定

①工況一#鋼軌架設(shè)完畢，組合：1.3×軌道及螺栓自重+1.3×混凝土基礎(chǔ)自重;

②工況二#龍門吊安裝完畢并吊裝最重塊段J13，組合：1.3×軌道及螺栓自重+1.3×混凝土基礎(chǔ)自重+1.5×龍門吊吊車對鐵軌的作用：取龍門吊參數(shù)中的最大輪壓274.4kN（單輪作用）。

通過以上工況分析對比，工況(2)中吊車輪壓遠大于其他工況中的可變荷載作用，因此僅對工況(2)進行計算，驗算基礎(chǔ)強度、剛度是否滿足臨時結(jié)構(gòu)要求。

3.3 計算模型

龍門吊軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用Midas Civil程序進行計算。選取龍門吊單側(cè)軌道基礎(chǔ)進行三維空間建模，并對各種結(jié)構(gòu)賦予各自材料特性。采用Midas Civil模擬地基梁受到的作用，梁體和墊層與地基之間的相互作用模擬成彈簧體。地基梁長度取210m進行計算。

3.4 邊界條件

梁一端進行x、y方向水平限位，另一端僅進行y方向水平限位墊層底和土體模擬彈簧，參數(shù)采用1200kN/m3的地基反力系數(shù)（《MidasCivil使用指南》表3-1《地基反力系數(shù)》）。墊層寬度1.2m，分塊長度0.5m，節(jié)點彈簧線彈性系數(shù)取值為1.2，則1.2m×0.5m×80000kN=48000kN/m2，在端部取一半2100kN/m2。彈簧底端節(jié)點約束6個自由度。

3.5 計算結(jié)果分析

按照極限應(yīng)力法進行計算，可變荷載系數(shù)1.4，t系數(shù)1.2進行荷載組合后計算結(jié)果：龍門吊軌道基礎(chǔ)的最大反力為85.3kN/m2,龍門吊軌道基礎(chǔ)的豎向最大變形為1.7mm。推算地基承載力如下：

在實際施工過程中，考慮到地基處理過程中質(zhì)量的不均勻以及軌道基礎(chǔ)地面的不平整，加上龍門吊動荷載作用產(chǎn)生的動力特性等因素，地基承載力要求取為σ=150kPa。

3.6 截面配筋復(fù)核計算

3.6.1 基本參數(shù)

梁截面1200×600（h×b）；混凝土等級C30保護層厚30(箍筋)/40 (縱筋)mm；抗彎鋼筋，12根Φ16HRB400鋼筋；抗扭鋼筋，4根Φ12HRB400鋼筋；箍筋，Φ10HPB235鋼筋，間距100mmm；內(nèi)力設(shè)計值，彎矩M=150.4kN?m，剪力V=243.7kN，扭矩T=10.0kN

3.6.2 截面驗算

3.6.3 配筋率驗算

3.6.4 承載力驗算

4 結(jié)語

通過上述分析及計算，結(jié)果確定了龍門吊軌道基礎(chǔ)在最不利工況荷載作用下，其地面的承載力以及軌道梁、軌道基礎(chǔ)強度和配筋能滿足大型龍門吊進行鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工的需要，從理論上驗證了龍門吊軌道具備充足的安全性，并且對基礎(chǔ)的形狀、配筋、混凝土的型號也進行了確定，使得理論研究能夠與實際情況相貼合，為后續(xù)龍門吊軌道的施工提供指導(dǎo)性意見，并且為古運河軟弱河床上運行大型龍門吊所需的軌道基礎(chǔ)的修建形式提供了借鑒和有力的參考依據(jù)。