地铁车站顶部龙门吊轨道基础设施计算

■ l工程实录l 龋00 00 黼00 。。，● ’b●e，。O目●O嗣 ●目●q：，。a∞d 地铁车站顶部龙门吊轨道基础设计计算 张厚美 赖兆武 张 良辉 (广州市盾建 地下 工程有限公司 广州 51OO3O) 摘 要 ：某地铁车站为一地下两层的钢筋混凝土结构，车站顶板横向净跨距 16．3 Ill,厚度 0．8 m，顶板下无梁无柱，其 上覆盖一层 1．2 m厚的人工填土。车站顶板上方地 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 沿车站纵轴方向平行布置了两台重型龙门吊，龙门吊的一条轨道基础 铺设在车站顶板跨中上方的填土层上。通过分析研究并采取了相应的措施，解决了龙门吊轮压扩散到顶板上的分布荷载小 于顶板允许荷载的技术问题。 关键词 ：车站 龙门吊 轨道 基础 设计 DESIGN CALCULA n0N 0F TRACK FoUNDA noN F0R GANTRY CRANE LoCATED AT THE ToP oF A SUBW AY STA n0N Zhang Houmei Lai Zhaowu Zhang Lian ghui (Guangzhou Dunjian Undergound Engineering Co．，Ltd Guangzhou 510030) Abstract：A cemfin subway station is a two-storey reinforced concrete structure ． The transverse clear span and thickness of the top plate of the station are16．3In and0．8m respectively；there are noany beams and columns belowthetop platethatis covered withan artificialfill(1．2 m)．Two heavy—duty gantry cranes are~anSed along the l0ngitudinal shaft of the station at the surface above the top plate，and the foundation for one track of the cranes is laid ON the 6U above the top plate S midspan．Therefore．the problem to be solved by the design of the track foundation is how to ensure that the load ofthe top plate due to the wheel pressure of the cranes is less than that permitted the top plate． Keywords：station gantry crane track foundation design 1 工程概况 广州地铁二号线赤岗 ～鹭江区间隧道采用盾构法施工， 盾构机始发场地设在赤岗站。赤岗地铁车站为一地下两层的 钢筋混凝土结构，顶板横向净跨距 l6．3 m，厚度 0．8 m，顶板下 无梁无柱，其上覆盖一层 1．2 m厚的人工填土，填土层表面与 天然地面平齐。设计给定的顶板上方地面允许施工荷载为 20 kN／m2 ，考虑到顶板 上有 1．2 m厚的人工填 土层 ，填土密 度按 p = 2 g／cm 计，可推算出顶板的直接允许荷载为 44 kN／m2。 根据施工场地布置，顶板上方地表沿左右线隧道轴线方 向平行布置了两台重型龙 门吊，以供盾构施工过程渣土、管 片 、砂浆等物料 上下井 之用 。龙 门吊的一 根轨道 基础铺 设在 靠近车站侧墙的一排管桩上，另一根轨道基础铺设在车站顶 板跨中上方的填土层上，而龙门吊的两根轨道之间的场地计 划作为隧道管片堆放场，见图 1。 根据施工场地布置，车站顶板上方将承受相当大的施工 荷载，计划正常施工荷载将达 30 kN／m ，比设计给定的地面 允许荷载大 10 kN／m 。为满足施工要求 ，保证车站顶板结构 的安全，对车站顶板进行了加固，加固后的车站顶板允许荷 载为 54 kN／Ill2 o 顶板上方管片堆放区的荷载可作为分布荷载，其大小易 于控制，而龙门吊的轮压产生的是集中荷载，如何保证轮压 Industrial Construction 2003，Vo1．33。No．1 4 图 1 地铁车站顶龙门吊的布设 1一车站主体结构；2一管桩；3一轨道基础； 4一龙门吊 ；5一地面 经过轨道基础 和人工填土层后扩散到顶板的荷载小于 30 kN／m ，是轨道基础设计首先要解决的问题。 2 车站顶板上部龙门吊轨道基础设计计算 2．1 计算荷 载 根据施工场地布置 ，龙 门吊悬臂位于车站侧墙外，龙门 吊每次起吊管片 3块，最大荷重约 120 kN。当重物沿龙门吊 *张厚美 现在上海交通大学力学博 士后 流动站工作 。 第一作者 ：张厚美 男 1966年7月出生 博士后 高级工程师 收稿 日期 ：2002—05—23 工业建筑 2003年第33卷第 l期 79 维普资讯 http://www.cqvip.com user 新建图章 横梁移动到内侧时(吊点极限位置距立柱 1．6 m)，龙门吊右 侧轨道(靠近顶板中央)荷载反力最大，其受力简图见图2。 对图中 A点取力矩 平衡 得 ： 9．124R 2一(9．124—1．6)P =0 (1) 图 2 轨道反 力计算简 图 式中，R，为吊重 P产生的轨道反力，由两个轨道轮分担 。 将最大荷重值 P=120 kN代人式(1)求得： R2 = 99 kN 起吊或制动过程重物会产生动载 ，按《起重机设计规范》 (GB381l一83)，动载系数 取值如下： 2= l+0．7v (2) 式 中，U为最大起升速度 ， =0．12 m／s。 考虑动载效 应后的单个 轮压 为 ： R ／2=53．6 kN；龙 门 吊 自重 700 kN，由 4个轨 道轮分担 ，单个轮压为 175 kN；因此 ， 最大轮压为 228．6 kN；考虑一定安全余量，取车站顶板上方 轨道基础最大设 计轮压 为 230 kN。 2．2 计算模型及参数 为了使龙门吊轮压在顶板上产生的分布荷载小于设计 控制荷载，拟在轨道下设置一条钢筋混凝土基础，基础下保 留75 em厚的人工填土层，以作为缓冲和扩散荷载之用。经 对 多种方 案的对 比，确定出的基础横截 面形状 见图 3。 图 3 车站顶板上部龙门吊基础横截面 将轨道基础看作弹性地基梁，由于基础下方填土层厚仅 75 cm，地基反力系数不能反映土层厚度对基底应力分布的 影响，因此地基弹簧刚度不宜简单套用地基反力系数进行计 算，为此将土层离散为土柱，采用土层 的压缩模量计算地基 弹簧刚度 ： k = EA／L (3) 式中 E——人工填土层的弹性模量，根据地质资料取 E= 1．5 kPa： ，4——单个土柱截面积(其大小与基础有限单元面积 相等 )。A=150 em ； ￡——土柱高度，L：75 em。 将上述数据代入式(3)得：k=3 kN／em。 采用大型结构分 析有 限元软 件 Algor 12进 行 三维 分析 ， 土层对基础的作用以土弹簧模拟．车站顶板所受压力等于土 弹簧压力。根据圣维南原理，某个力系仅对力作用点附近的 一 定范围内的应力分布有影响，为减少单元，仅取一个轨道 轮作用点前后各 3 m长的基础进行分析。采用 6面体实体 单元 ，共划分 4 865个 单元 ，6 150个节 点 ，最 大单 元 尺 寸 10 80 till×10 till×15 till，基础 有 限元分 析模 型 见 图 3。材料 (C30 混凝土)本构模型采用线弹性模型，其参数取值如下： 弹性模量 E=30 000 MPa，泊松 比 =0．15，密度 p=2．4 c 。 2．3 计 算结果及配筋 1)基底压力分布 轨道轮下方 基底压力最大 ，其值达 32．8 kPa，考虑 0．75 m 厚土层的 自重后 ，顶板上 的最大 压应力 为 47．8 kPa<54 kPa， 符合要求，见图 4。 从扩散范围看，基底压力是以轨道轮作用点为中心，沿 四周逐渐降低。沿轨道轴向距轨道轮作用点 2 m和 3．0 m 处 ，基底压力分别 降至 l7．7 kPa和 6．6 kPa．6．6 kPa相 当于基 础 自重产生的压力，因此单个轨道轮的轴向应力扩散半径约 为 2．8 m，而龙 门吊前后两个轨道轮 的轴 距为 10 m，左右轮距 为 9．124 m，因此相邻轨道轮之间的应力叠加作用可忽略不 计 。 图 4 龙门 吊基础基底应力 分布 (图中应力单位为 10 kPa) 2)基础 变形 分布 轨道轮作用点下方的竖向位移最大(1．7 mm)，沿轨道纵 向距轨道轮作用点 3 m处，竖向位移降低至 0．3 mm，由此可 推算 出基础的竖 向挠 度为 1．4 mm。因此 ，轮压引起 的基 础变 形不会对龙门吊的运行造成不利影响。 3)基础 轴向应力分布 基础上部为受压区，受压区高度约 22 em，最大压应力 10．2 MPa，小于 C30混凝土的弯曲抗压强度 l6．5 MPa，因此受 压区只需按构造 配筋 。 基础下部 为受拉 区 ，最大拉 应力 4 MPa，由受拉 区应 力分 布积分求得受拉 区总 拉力 约 为 816 kN。按 照钢 筋混 凝土 构 件受拉 区应力全部 由钢 筋 承担 的原则 ，选 用 Ⅱ级 钢筋 ，其强 度设计值 =310 MPa，所以钢筋总面积 A ：2 632 mm ，折合 ±20Ⅱ级钢筋 8．38根 ，实际取 9根。 4)基础横向应力分布 基础上 部 约 2／3为受 压 区 ，最 大 压 应力 9．2 MPa，小 于 C30混凝土的弯曲抗压强度 16．5 MPa，因此横向受压区也只 需按构造配筋 。 基础下部为受拉区，横向受拉区面积远小于轴向受拉区 面积，最大拉应力约 2．1 MPa，由受拉区应力分布积分求得的 单位长度受拉区总拉力约为 13 kN／m，因此横向受拉区也只 需按构造配筋。基础宽度 2．4 m，高0．45 m，横向受拉区可按 板配置分布筋，单位长度分布钢筋截面积取受力主筋截面积 的 l2％ j，即：A，=131．6 mm ／m。选用 帕 I级配筋 ，单根钢 筋截面积 A．=28．3 mm ，则单位长度需配置 A ／A．=4．65根 分布筋，取 5根，分布筋问距 s=0．2 m。 工业建筑 2003年第 33卷第 l期 维普资讯 http://www.cqvip.com l 3 车站结构外侧龙 门 吊桩基轨道 梁设计计算 3．1 计 算荷 载 当重物沿龙门吊横梁移动到最外侧(悬臂端)时，龙门吊 左侧轨道荷载反力最大，其受力简图见图5。 尸 图 5 轨道反力计算简图 对 图中 B点 取力矩平衡得 ： 9．124R．一(4+9．124)P = 0 (4) 式中，R．为吊重 P产生的轨道反力，由两个轨道轮分担。 将最大荷重值 P=120 kN代入式(4)求得： Rl ： 172．6 kN 考虑动载效应和龙门吊自重后的单个轮压为： 175 + 2 Rl／2 = 268．6 kN 考虑一定安全余量 ，取轨道梁最大设计轮压为：300 kN。 3．2 计算模 型及 参数 龙门吊左侧轨道梁架设 在 间距 6 m的 似00预应 力管 桩 上，两根管桩之间的轨道梁下方为人工填土，因其不密实，固 结时间太短，忽略其对轨道梁的支撑作用。由此将轨道梁简 化为支撑于管桩上的多跨连续 梁，管桩简化为弹性支座，见 图 6。 图6 多跨连续梁模型 管桩 的压缩 刚度 为 ： = EA／L (5) 式中 ——管桩的弹性模量，取 C25混凝土弹性模量值 = 28 000 MPa； A——管桩截面积，A=0．125 6 nl ； — — 柱 长 ．15一l8 n1．取 L=l8 nl。 将上述数据代入式(5)得： =300 000 kN／m。 3．3 设计 结果 当轨道轮作用于梁跨 中央时，梁的弯矩最大，根据 图 6 计算模式，轨道梁内力及截面设计计算结果如下： 轨道梁设计截面尺寸 300 mm×6O0 mm，采用 C25混凝 土，最大弯矩 320 kN·nl，最大挠度4．9 mm，最大剪力 250 kN， 内力分布见图7。 1)正截面按抗 弯配筋 受拉侧配置 5根 ±2^5Ⅱ级钢筋，钢筋保护层厚度3o mm；受 压侧按构造配筋 ，上角部各配 loI级架立筋 1根。 2)轨道梁变 形校核 地铁车站顶部龙门吊轨道基础设计计算——张厚美，等 300kN I 300kN 结构，荷载简I璺l 图 7 轨道梁内力分布 参照提升钢井架规范，梁的允许挠度为： = L／600=10 mm>4．9 mm，所 以梁 的最 大变 形符 合 要求 。 3)斜截面抗 剪设 计 根据规范，集中荷载作用下矩形梁混凝土和箍筋的最小 承载 力为b]： = ( +0．025)fo bh。 (6) 式中 i ——混凝土和箍筋的最小承载力，N； — — 混凝土轴心抗压强度设计值，12．5 MPa； 6——梁宽度，300 mm； — — 梁有效高度，570 mm； — — 剪跨比， ： ：5．26>3，取 =3。 ，10 所 以 ； =148 437 N <250 000 N 最小承载力小于设计剪力，故应按计算配筋，箍筋用量 为： ： 0．2 S 嘶 一 1 ． 25 ^ 一 ⋯ 式中 A ——单肢箍筋截面积 ，mm ； s——箍 筋间距 ，mm。 选用 2怊，则单肢箍筋面积 A ：100．5 mm 由上式得 ：s= 1 ． 036=97 mm ，取 s=100 mm 综上，箍筋配置如下：选用 I级钢筋 2怊，箍筋间距 s= 100 mm。 4 小 结 根据上述方法设计出的龙门吊轨道基础梁，经过半年多 的运行，证明其强度和变形等均能满足实际要求 ，车站顶板 的变形量也在规定范围之内。计算表明：在轮压作用下，基 底压力是以轨道轮作用点为中心，沿四周逐渐降低的。轨道 轮轮压的应力扩散半径小于龙门吊相邻两个轨道轮间的距 离，轨道轮之间的应力叠加作用可忽略不计。轮压引起的基 础变形很小，不会对龙门吊的运行造成不利影响。 参考文献 1 张歧宣．混凝土结构设计——基本理论、方法和实例．南京：江苏 科学技术 出版社 ，1993．202—212 2 王振东．混凝土结构设计规范——设计方法．北京：地震出版社，1991 8l EE、 一山lz)I)， z rr寄 维普资讯 http://www.cqvip.com Button1: Button2: Button3: Button4: Button5: Button6: Button7: Button8: Button9: