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3张厚美赖兆武张良辉( 广州市盾建地下工程有限公司 广州 510030)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 1613 m ,厚度 018 m ,顶板下无梁无柱 ,其上覆盖一层 112 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D ESIGN CAL CUL ATIO N OF TRAC K FO UNDATIO N FO R GANTRY CRANELOCATED AT THE TOP OF A SUBWAY STATIO NZhang Houmei Lai Zhaowu Zhang Lianghui( Guangzhou Dunjian Undergound Engineering Co . , Ltd Guangzhou 510030)Abstract : A certain subway station is a two2storey reinforced concrete structure . The transverse clear span and thickness of the top plate ofthe station are 1613 m and 018 m respectively ; there are no any beams and columns below the top plate that is covered with an artificial fill (112 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 plates 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 .Key words : station gantry crane track foundation design1 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 1613 m ,厚度 018 m ,顶板下无梁无柱 ,其上覆盖一层 112 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 kNm2 ,考虑到顶板上有 112 m 厚的人工填土层 ,填土密度按= 2 gcm3 计 ,可推算出顶板的直接允许荷载为 44 kNm2 。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 kNm2 ,比设计给定的地面 允许荷载大 10 kNm2 。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图 1 地铁车站顶龙门吊的布设1 - 车站主体结构 ;2 - 管桩 ;3 - 轨道基础 ;4 - 龙门吊 ;5 - 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 30kNm2 ,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211 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 2载为 54 kNm 。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3 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 - 23Industrial Construction 2003 ,Vol133 ,No11工业建筑 2003 年第 33 卷第 1 期 79工程实录横梁移动到内侧时 ( 吊勾极限位置距立柱 116 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 :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 = 0115 ,密度= 214 g391124 R2 - (91124 - 116) P = 0(1)cm 。213 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 3218 kPa ,考虑 0175 m 厚土层的自重后 ,顶板上的最大压应力为 4718 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 310 m 处 ,基底压力分别降至 1717 kPa 和 616 kPa ,616 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 218 m ,而龙门吊前后两个轨道轮的轴距为 10 m ,左右轮距 为 91124 m ,因此相邻轨道轮之间的应力叠加作用可忽略不 计 。图 2 轨道反力计算简图式中 , 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起吊或制动过程重物会产生动载 ,按起重机设计规范( GB3811 - 83) ,动载系数2 取值如下 :2 = 1 + 017 v式中 , v 为最大起升速度 , v = 0112 ms 。(2)考虑动载效应后的单个轮压为 :2 R2 / 2 = 5316 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 22816 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 。212 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 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 4 龙门吊基础基底应力分布 ( 图中应力单位为 102 kPa)2) 基础变形分布轨道轮作用点下方的竖向位移最大 (117 mm) ,沿轨道纵 向距轨道轮作用点 3 m 处 ,竖向位移降低至 013 mm ,由此可 推算出基础的竖向挠度为 114 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 cm , 最 大 压 应 力1012 MPa ,小于 C30 混凝土的弯曲抗压强度 1615 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 级钢筋 ,其强图 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 :2度设计值 f y = 310 MPa ,所以钢筋总面积 A s = 2 632 mm ,折合- 20 级钢筋 8138 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 912 MPa , 小 于 C30 混凝土的弯曲抗压强度 1615 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 211 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 kNm ,因此横向受拉区也只 需按构造配筋 。基础宽度 214 m ,高 0145 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k = EAL(3)式中 E 人工填土层的弹性模量 ,根据地质资料取 E =115 kPa ;A 单个土柱截面积 ( 其大小与基础有限单元面积 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 kNcm 。 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的 12 %1 ,即 : A = 13116 mm2 / m。选用 419 mm ,所以梁的最大变形符合(4)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式中 , R1 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 :R1 = 17216 kN考虑动载效应和龙门吊自重后的单个轮压为 :175 + 2 R1 / 2 = 26816 kN考虑一定安全余量 ,取轨道梁最大设计轮压为 :300 kN 。312 计算模型及参数龙门吊左侧轨道梁架设在间距 6 m 的 3 ,取= 3 。h0= 148 437 N 250 000 N所以Vmin最小承载力小于设计剪力 ,故应按计算配筋 ,箍筋用量为 : 012 V - + 115 f c bh0A sv= 110361125 f hSy 02式中 A sv 单肢箍筋截面积 ,mm ;s 箍筋间距 ,mm。图 6 多跨连续梁模型管桩的压缩刚度 k 为 :k =选用 28 ,则单肢箍筋面积 A = 10015 mm2sv(5)EA/ L A sv 22由上式得 : s = 11036 = 97 mm ,取 s = 100 mm式中E 管桩的弹性模量 ,取 C25 混凝土弹性模量值 E= 28 000 MPa ;A 管桩截面积 , A = 01125 6 m2 ;L 桩长 ,1518 m ,取 L = 18 m。 将上述数据代入式 (5) 得 : k = 300 000 kNm 。综上 ,箍筋配置如下 : 选用 级钢筋 28 ,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 。313 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