基坑栈桥承受大吨位吊车荷载加固技术研究

Numerical Simulation Analysis of Reinforcement of a Foundation Pit Tower Crane Installation Station

摘要: 在目前的加固技术中，型钢转换钢梁替代混凝土支撑梁被广泛应用。以临近武汉长江隧道的某基坑项目为研究对象，采用岩土、隧道结构专用有限元分析软件MIDAS/GEN 2020，对该基坑施工过程中的型钢转换钢梁替代混凝土支撑梁的施工工况进行模拟和受力分析，得到塔吊的工作荷载传到型钢转换钢梁上，再传到钢立柱上各构件的变形及应力情况，并进行分析，得出模型的建立是合理可行的。

Abstract: In the current reinforcement technology, the steel beams to replace the concrete support beam for steel beams are widely used. Taking a foundation pit project near the Wuhan Yangtze River Tunnel as the research object, the MIDAS/GEN 2020 special finite element analysis software of geotechnical and tunnel structures is adopted is adopted for the simulation and force analysis. The working load of the tower crane is passed on to the steel beams, and then passed on to the deformation and stress of each component on the steel pillars. It is also analyzed to obtain the establishment of the model reasonable and feasible.

1. 引言

随着基坑支护设计[1]-[3]的发展，型钢梁的应用也越来越广泛。和钢筋混凝土梁的不同在于，型钢有较大的刚度，能够约束混凝土的拉压变形，同时斜裂缝面上混凝土释放出来的应力也由型钢腹板来承担。型钢梁较普通钢筋混凝土梁的各种抗性均有所提升。

本文以武汉地区某基坑[4]-[7]型钢转换钢梁为例，根据场地基坑支撑梁实际布置，设计型钢转换钢梁，以避免吊车站在混凝土支撑梁上，并对型钢转换钢梁受力进行分析。评价、探讨了型钢转换钢梁方案的可行性，为类似基坑的型钢转换钢梁提供经验指导。

2. 工程概况

2.1. 工程基本情况

武汉江城之门项目位于武汉市武昌滨江商务区的核心区，与正在建设中的绿地中心“636”相邻。本工程为以办公为主的大型综合体超高层建筑，建筑形态为双塔与连接体组成的“门”形建筑。结构体系为钢框架–核心筒混合结构。总建筑高度为239.6米，地上54层，地下4层，裙楼5层，副楼6层。总建筑面积约为35.4万平方米，其中地上26.3万平米，地下9.1万平米。塔楼为写字楼，地下室为车库、设备用房及人防工程。

2.2. 施工概况

根据施工方案，基础底板浇筑完成凝固程度达到80%后开始安装塔楼南侧1#ZSL850塔吊，使用220T利勃海尔汽车吊站在塔楼东侧钢筋堆场处吊装。220T汽车吊使用普通工况，配重46.5 t，出杆40 m。

选用220T汽车吊。

2.3. 吊车支腿基础复核

汽车吊工作时支腿打开横向间距8000 mm，竖向7500 mm，配重43 t，汽车吊自重60 t，最大吊重为吊臂整体吊装单元13.9 t。由此可知，安装ZSL850塔机时最重安装部件为在22 m吊13.9 t时，吊车总重：

$G=\text{60}\text{t}+\text{43}\text{t}+\text{13}\text{.9}\text{t}=\text{112}\text{.9}\text{t}$

静载安全系数取1.2，动载安全系数取1.4；

汽车吊可以360˚回转，根据单支脚最大受力经验公式：

$N=1.2\times G÷4+1.4\times Q\times R÷\left(1.4\times I\right)$

式中：N——压脚压力；

G——车体重量；

Q——吊装重量；

R——吊装幅度；

I——支腿伸距；

压脚压力：

$U_{\max }=0.25\times 112.9\times 1.2+13.9\times 22÷\left(1.4\times 7.5\right)\times 1.4=76.8\text{t}$

汽车吊在最不利工况最大单腿压力为76.8 t，根据现场情况，汽车吊站位在环形支撑立柱上。

汽车吊工作时支腿打开横向间距为8000 mm，竖向为7500 mm，配重46.5 t，汽车吊自重60 t。汽车吊在最不利工况下最大单腿压力为76.8 t，加固转换梁荷载统一按照80 t荷载进行计算。

根据加固设计方案，拟采用在吊车支腿下方增加工字钢转换梁，将吊车荷载转换至格构支撑立柱上。

3. 模型的构建

3.1. 模型基本假定和参数选取

本次模拟转换梁构件用3根工字梁进行拼接组成钢梁，工字梁尺寸为HN700 × 300 × 13/24，长度为12 m，采用有限元软件[8] [9] MIDAS/GEN 2020对钢结构承载状态进行模拟分析。梁与吊车大致位置如下，见图3所示。

3.2. 三维模型建立

采用MIDAS/GEN 2020软件对钢结构承载状态、所受荷载大小，以及钢梁上厚钢板的加设施工过程进行三维数值模拟分析。根据塔吊吊装吊车的站位平面布置图，建立三维有限元计算模型。

钢梁上的支撑、荷载位置与面积如下：

一号梁荷载面积500 mm × 500 mm，前端荷载为3.2 N/mm²，后端荷载为1.6 N/mm²。支撑面积500 mm × 500 mm。见图1。

Figure 1. Schematic diagram of No. 1 steel beam support and load

图1. 一号钢梁支撑与荷载示意图

二号梁荷载面积500 mm × 500 mm，荷载为3.2 N/mm²。支撑面积500 mm × 500 mm。见图2。

Figure 2. Schematic diagram of No. 2 steel beam support and load

图2. 二号钢梁支撑与荷载示意图

三号梁荷载面积500 mm × 500 mm，荷载为3.2 N/mm²。支撑面积500 mm × 500 mm。见图3。

Figure 3. Schematic diagram of No. 3 steel beam support and load

图3. 三号钢梁支撑与荷载示意图

为满足承载力的要求，避免转换钢梁变形将荷载传递至格构梁上，在1号、2号、3号钢梁的荷载及支撑位置另设置20 mm厚钢板，并在支撑位置加设2块20 mm厚筋板，厚筋板在钢梁上的布置位置见图4~9。

筋板位置示意图如下。

Figure 4. Schematic diagram of the position of No. 1 steel beam

图4. 一号钢梁钢板位置示意图

Figure 5. Schematic diagram of the position of No. 2 steel beam

图5. 二号钢梁钢板位置示意图

Figure 6. Schematic diagram of the position of No. 3 steel beam

图6. 三号钢梁钢板位置示意图

Figure 7. Schematic diagram of the position of No. 1 steel beam ribs

图7. 一号钢梁筋板位置示意图

Figure 8. Schematic diagram of the position of No. 2 steel beam ribs

图8. 二号钢梁筋板位置示意图

Figure 9. Schematic diagram of the position of No. 3 steel beam ribs

图9. 三号钢梁筋板位置示意图

4. 模拟分析结果

4.1. 结构变形

一、二、三号钢梁变形详见图10~12。

Figure 10. Deformation of No. 1 steel beam 1.0D + 1.0L (mm)

图10. 一号钢梁1.0D + 1.0L变形(mm)

Figure 11. Deformation of No. 2 steel beam 1.0D + 1.0L (mm)

图11. 二号钢梁1.0D + 1.0L变形(mm)

Figure 12. Deformation of No. 3 steel beam 1.0D + 1.0L (mm)

图12. 三号钢梁1.0D + 1.0L变形(mm)

4.2. 结构应力

一、二、三号钢梁应力详见图13~15。

Figure 13. Structural stress of No. 1 steel beam 1.3D + 1.5L (MPa)

图13. 一号钢梁1.3D + 1.5L结构应力(MPa)

Figure 14. Structural stress of No. 1 steel beam 1.3D + 1.5L (MPa)

图14. 二号钢梁1.3D + 1.5L结构应力(MPa)

Figure 15. Structural stress of No. 1 steel beam 1.3D + 1.5L (MPa)

图15. 三号钢梁1.3D + 1.5L结构应力(MPa)

施工过程各工况计算主要结果列表如下，详见表1。

Table 1. Calculation and analysis of construction conditions

表1. 施工工况计算分析表

序号	工况	最大变形(mm)	主结构最大应力(MPa)
1	1号梁1.0D + 1.0	−0.8	/
2	1号梁1.3D + 1.5L	/	188
3	2号梁1.0D + 1.0L	−1.8	/
4	2号梁1.3D + 1.5L	/	212
5	3号梁1.0D + 1.0L	−3.4	/
6	3号梁1.3D + 1.5L	/	184

5. 格构柱受吊车荷载计算

5.1. 格构支撑1

格构柱1尺寸详见图16。

Figure 16. Sectional view of No. 1 lattice support

图16. 格构支撑1截面图

截面型号：箱4L-200 * 24。

钢材组合截面。

截面材料类型：Q345。

截面每米质量：284.67 kg/m。具体参数详见表2。

Table 2. The geometry and mechanical parameters of the support section of the No. 1 lattice

表2. 格构支撑1截面几何及力学参数表

截面几何及力学参数
上翼水平间距	D1 = 140 mm
腹翼竖向间距	D2 = 140 mm
截面外包高度	H = 540 mm
截面外包宽度	B = 540 mm
形心距截面左边	Cx = 27 cm
形心距截面下边	Cy = 27 cm
截面面积	A = 362.64 cm^2
x向剪切面积	Ax = 160 cm^2
y向剪切面积	Ay = 160 cm^2
x轴截面惯性矩	Ix = 175725 cm^4
y轴截面惯性矩	Iy = 175725 cm^4
截面抗扭惯性矩	Iz = 721.508 cm^4
xy轴截面惯性矩	Ixy = 0 cm^4
x轴截面抵抗矩	Wx = 6507.93 cm^3
y轴截面抵抗矩	Wy = 6507.93 cm^3
x轴回转半径	ix = 22.01 cm
y轴回转半径	iy = 22.01 cm

格构支撑受到混凝土梁荷载为750 kN，吊车荷载为800 kN，柱长14.3 m，稳定系数为φ = 0.78格构柱稳定计算：

$\frac{1.4}{\phi \text{Af}}=\frac{1.4\times \left(750000+800000\right)}{0.78\times 36264\times 295}=0.26<\text{1}$

满足承载力要求。

5.2. 格构支撑2

格构柱2尺寸详见图17。

截面型号：箱4L-200 * 16。

钢材组合截面。

截面材料类型：Q235。

截面每米质量：194.72 kg/m。

Figure 17. Sectional view of No. 2 lattice support

图17. 格构支撑2截面图

具体参数详见表3。

Table 3. The geometry and mechanical parameters of the support section of the No. 2 lattice

表3. 格构支撑1截面几何及力学参数表

截面几何及力学参数
上翼水平间距	D1 = 140 mm
腹翼竖向间距	D2 = 140 mm
截面外包高度	H = 540 mm
截面外包宽度	B = 540 mm
形心距截面左边	Cx = 27 cm
形心距截面下边	Cy = 27 cm
截面面积	A = 248.05 cm^2
x向剪切面积	Ax = 106.66 cm^2
y向剪切面积	Ay = 106.66 cm^2
x轴截面惯性矩	Ix = 123700 cm^4
y轴截面惯性矩	Iy = 123700 cm^4
截面抗扭惯性矩	Iz = 225.452 cm^4
xy轴截面惯性矩	Ixy = 0 cm^4
x轴截面抵抗矩	Wx = 4581.23 cm^3
y轴截面抵抗矩	Wy = 4581.23 cm^3
x轴回转半径	ix = 22.33 cm
y轴回转半径	iy = 22.33 cm

格构支撑受到混凝土梁荷载为750 kN，吊车荷载为800 kN，柱长14.3 m，稳定系数为φ = 0.79格构柱稳定计算：

$\frac{1.4}{\phi \text{Af}}=\frac{1.4\times \left(750000+800000\right)}{0.78\times \text{28405}\times \text{30}5}=0.\text{3}6<\text{1}$

满足承载力要求。

6. 结论

根据有限元分析结果，可以得出：

1) 各工况的计算结果：钢结构施工过程中的最大变形−3.4，钢构件最大应力为212 MPa < 305 MPa，处于设计允许范围内；

2) 格构支撑1满足承载力要求，且在设计范围之内；

3) 格构支撑2满足承载力要求，且在设计范围之内。

NOTES

^*通讯作者。