基于古老运河软弱河床上大型龙门吊轨道基础承载安全性的计算分析

王磊

（中交路桥华北工程有限公司）

1 工程背景

济宁市环湖大道东线工程（太白湖新区段），位于山东省济宁市东南部、微山县北侧，起于火炬路与南二环交叉口，止于泗河大桥南引道，全长7.92km。主要工程量包括起点南二环互通立交、主线及泗河大桥，其中新建泗河大桥主桥采用30m+95m+130m+95m+30m=380m中承式系杆拱桥，横跨泗河。泗河中承式系杆拱桥，最大跨径为130m，主桥主梁断面全宽34.5m，道路设计中心线处标准梁高为2.0m，采用钢结构。拱肋整体向内倾斜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，采用钢箱结构。总用钢量约1.18万t，全桥共分解成315个钢箱节段，尺寸不一，其中最重块段为J13，重达1110kN（111.047t）。拟搭建落地钢管桩支架，采用150t跨墩龙门吊起吊对各节段进行分段安装，龙门吊基础由轨道梁和混凝土基础组成，单组最大轮重为875kN（87.5t）。

2 龙门吊基础地质条件

济宁地区属新华夏系第二沉降带，处于近南北向的济宁凹陷的中心部位，西以嘉祥凸起为邻，东以兖州凸起相接。场区及其附近的地质构造形迹以断裂为主，距拟建现场较近的断裂构造规模较大的有三条，东部的孙氏店断裂、西部的嘉祥断裂、北部的郓城断裂。泗河大桥根据钻探揭露，原位测试及室内土工试验，场地表层为填筑土层，其下为第四系全新统合晚更新统冲洪积土组成的粉土、粉砂及黏性土层，自上而下可分为如下13层（含亚层）：1-1层底填筑土，平均厚2.45m；1层淤泥，平均厚度0.62m；2-1层黏土，平均厚度1.74m；2层淤泥质粉质黏土，平均2.67m；3层粉质黏土，平均2.78m；4层黏土，平均厚度4.18m；5层粉质黏土，平均10.88m；6层细砂，平均4.16m；7层黏土，平均3.03m；8层细砂，平均厚度3.25m；9层黏土，平均厚度22.4m；10层中砂，平均厚度5.88m；11层黏土，平均厚度5.63m；12层中砂，平均厚度12.37m；13层黏土，该层未穿透。

3 龙门吊概况及计算

起重设备采用跨径为37m，净高为45m，额定起吊重量为1500kN（150t）的跨墩龙门吊，自重为2350kN（235t）。龙门吊轨道基础采用倒T型C30混凝土条形基础，下基础宽120cm，高60cm，上基础宽60cm，高30cm，C30混凝土内设构造钢筋，基础底设置厚度为10cm，宽1.4m的C30混凝土垫层。龙门吊轨道基础每隔20m设置一道2cm宽的沉降缝。下基础底部采用12根Φ16mm钢筋作为纵向受拉主筋，顶部放置6根Φ12mm钢筋作为抗负弯矩主筋，侧面抗扭钢筋4根Φ12mm钢筋，抗弯和抗扭钢筋均采用HRB400；每隔40cm设置一道环形箍筋，箍筋采用HRB235Φ10mm光圆钢筋，箍筋间距为40cm。

3.1 计算参数确定

43#钢轨抗拉强度780MPa；Q235钢材强度：[σ拉、压]=215MPa [σ弯]=215MPa[τ]=125MPa；Q235 钢材弹性模量E=2.1×105MPa；临时结构重要性系数取；龙门吊轮载按照可变荷载，分项系数取1.5；基础按照恒载，分项系数取1.3；龙门吊车对钢轨的压力取最大轮压273.7kN。容许挠度不超过L/400。

3.2 荷载及荷载组合

3.2.1 荷载类型

轨道及螺栓自重；混凝土基础自重；龙门吊吊车对铁轨的作用,取龙门吊参数中的最大轮压273.7kN（单轮作用）。本项目龙门吊施工属于室外作业，当风力较大或降雨时候应停止施工。当起吊最重节段1110kN且节段位于最靠近轨道位置的时候为最不利工况。龙门吊自重G1=2350kN，节段最重G2=1110kN。起吊最重梁板时单个天车所受集中荷载为P，龙门吊自重均布荷载为q。P=G2=1110kN；q=G1/L=2350kN×10/37=63.514kN/m。当处于最不利工况时单个龙门吊受力简图如下：

龙门吊竖向受力平衡可得到：

N1+N2=q×L+P

N1=(37-3)/37×1110+63.514×37/2=2195kN

N2=3/37×1110+63.514×37/2= 1260kN

龙门吊单侧为双支腿，支腿间距为21m，单支腿按4个车轮考虑，两个车轮之间距离为1m，对受力较大支腿进行分析，受力较大的单侧单支腿竖向受力平衡可得：N1=2195/8=274.4kN。在最不利工况下，龙门吊单个车轮所受最大竖向应力为N=274.4kN。

3.2.2 结构计算工况的确定

①工况一#钢轨架设完毕，组合：1.3×轨道及螺栓自重+1.3×混凝土基础自重;

②工况二#龙门吊安装完毕并吊装最重块段J13，组合：1.3×轨道及螺栓自重+1.3×混凝土基础自重+1.5×龙门吊吊车对铁轨的作用：取龙门吊参数中的最大轮压274.4kN（单轮作用）。

通过以上工况分析对比，工况(2)中吊车轮压远大于其他工况中的可变荷载作用，因此仅对工况(2)进行计算，验算基础强度、刚度是否满足临时结构要求。

3.3 计算模型

龙门吊轨道基础结构采用Midas Civil程序进行计算。选取龙门吊单侧轨道基础进行三维空间建模，并对各种结构赋予各自材料特性。采用Midas Civil模拟地基梁受到的作用，梁体和垫层与地基之间的相互作用模拟成弹簧体。地基梁长度取210m进行计算。

3.4 边界条件

梁一端进行x、y方向水平限位，另一端仅进行y方向水平限位垫层底和土体模拟弹簧，参数采用1200kN/m3的地基反力系数（《MidasCivil使用指南》表3-1《地基反力系数》）。垫层宽度1.2m，分块长度0.5m，节点弹簧线弹性系数取值为1.2，则1.2m×0.5m×80000kN=48000kN/m2，在端部取一半2100kN/m2。弹簧底端节点约束6个自由度。

3.5 计算结果分析

按照极限应力法进行计算，可变荷载系数1.4，t系数1.2进行荷载组合后计算结果：龙门吊轨道基础的最大反力为85.3kN/m2,龙门吊轨道基础的竖向最大变形为1.7mm。推算地基承载力如下：

在实际施工过程中，考虑到地基处理过程中质量的不均匀以及轨道基础地面的不平整，加上龙门吊动荷载作用产生的动力特性等因素，地基承载力要求取为σ=150kPa。

3.6 截面配筋复核计算

3.6.1 基本参数

梁截面1200×600（h×b）；混凝土等级C30保护层厚30(箍筋)/40 (纵筋)mm；抗弯钢筋，12根Φ16HRB400钢筋；抗扭钢筋，4根Φ12HRB400钢筋；箍筋，Φ10HPB235钢筋，间距100mmm；内力设计值，弯矩M=150.4kN•m，剪力V=243.7kN，扭矩T=10.0kN

3.6.2 截面验算

3.6.3 配筋率验算

3.6.4 承载力验算

4 结语

通过上述分析及计算，结果确定了龙门吊轨道基础在最不利工况荷载作用下，其地面的承载力以及轨道梁、轨道基础强度和配筋能满足大型龙门吊进行钢结构吊装施工的需要，从理论上验证了龙门吊轨道具备充足的安全性，并且对基础的形状、配筋、混凝土的型号也进行了确定，使得理论研究能够与实际情况相贴合，为后续龙门吊轨道的施工提供指导性意见，并且为古运河软弱河床上运行大型龙门吊所需的轨道基础的修建形式提供了借鉴和有力的参考依据。