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地铁车站顶部龙门吊轨道基础设计计算.docx地铁车站顶部龙门吊轨道基础设计计算
张厚美 3 赖兆武 张良辉
( 广州市盾建地下工程有限公司 广州 510030)
司炉工施工安全技术交底.doc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 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。车站顶板上方地表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
LOCATED AT THE TOP OF A SUBWAY STATION
Abstract : A certain subway station is a two2storey reinforced concrete structure . The transverse clear span and thickness of the top plate of the station are 16. 3 m and 0. 8 m respectively ; there are no any beams and columns below the top plate that is covered with an artificial fill (1. 2 m) . Two heavy2duty gantry cranes are arranged along the longitudinal shaft of the station at the surface above the top plate , and the foundation for one track of the cranes is laid on the fill 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 of the top plate due to the wheel pressure of the cranes is less than that permitted by the top plate . Keywords : station gantry crane track foundation design
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 16. 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 kNPm2 ,考虑到顶板上有 1. 2 m 厚的人工填土层 ,填土密度按 ρ = 2 gPcm3 计 ,可推算出顶板的直接允许荷载为 44 kNPm2 。
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 kNPm2 , 比设计给定的地面 允许荷载大 10 kNPm2 。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 kNPm2 。
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
图 1 地铁车站顶龙门吊的布设
经过轨道基础和人工填土层后扩散到顶板的荷载小于 30 kNPm2 ,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
3 张厚美现在上海交通大学力学博士后流动站工作。
Industrial Construction 2013 ,Vol. 33 ,No. 1 工业建筑 2013 年第 33 卷第 1 期 79
横梁移动到内侧时 ( 吊勾极限位置距立柱 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 :
图 2 轨道反力计算简图
cm ×10 cm ×15 cm ,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μ = 0. 15 ,密度ρ = 2. 4 gP
2. 3 计算结果及配筋
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
式中 , R2 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( 1) 求得 :
R2 = 99 kN
ψ2 = 1 + 0. 7 v (2)
式中 , v 为最大起升速度 , v = 0. 12 mPs。
考虑动载效应后的单个轮压为 : ψ2 R2 / 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 。 0
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
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 17. 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
图 4 龙门吊基础基底应力分布( 图中应力单位为 102kPa)
留 75 cm 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 = EAPL (3)
式中 E —人工填土层的弹性模量 ,根据地质资料取 E =
A —单个土柱截面积 ( 其大小与基础有限单元面积
某建筑工程冬雨季施工方案相等) ,A = 150 cm2 ;
L —土柱高度 ,L = 75 cm。
将上述数据代入式(3) 得 : k = 3 kNPcm。
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
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
JB／T 13669-2019 轮斗式洗砂机.pdf基础上部为受压区 , 受压区高度约 22 cm ,最大压应力 10. 2 MPa ,小于 C30 混凝土的弯曲抗压强度 16. 5 MPa ,因此受 压区只需按构造配筋 。
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 。