地铁车站顶部龙门吊轨道基础设计计算

2021年2月11日00:00:13
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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16.3m,厚度0.8m,顶板下无梁无柱,其上覆盖一层1.2m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。

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16.3m,厚度0.8m,顶板下无梁无柱,其上覆盖一层1.2m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20kN/m2,考虑到顶板上有1.2m厚的人工填土层,填土密度按P=2g/cm3计,可推算出顶板的直接允许荷载为44kN/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。

地铁车站顶部龙门吊轨道基础设计计算

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

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30kN/m2,比设计给定的地面允许荷载大10kN/m2。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54kN/m2。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,如何保证轮压经过轨道基础和人工填土层后扩散到顶板的荷载小于30kN/m2,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
地铁车站顶部龙门吊轨道基础设计计算

图2 轨道反力计算简图

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120kN。当重物沿龙门吊横梁移动到内侧时(吊勾极限位置距立柱1.6m),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:

9.124R2-(9.124-1.6)P=0

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=120kN代入式(1)求得:

R2=99kN

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ψ2取值如下:

ψ2=1+0.7v

式中,v为最大起升速度,v=0.12m/s。

考虑动载效应后的单个轮压为:ψ2R2/2=53.6kN;龙门吊自重700kN,由4个轨道轮分担,单个轮压为175kN;因此,最大轮压为228.6kN;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230kN。

2.2 计算模型及参数
地铁车站顶部龙门吊轨道基础设计计算

图3 车站顶板上部龙门吊基础横截面

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75cm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。

将轨道基础看作弹性地基梁,由于基础下方填土层厚仅75cm,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=1.5kPa;

A——单个土柱截面积(其大小与基础有限单元面积相等),A=150cm2;

L——土柱高度,L=75cm。

将上述数据代入式(3)得:k=3kN/cm。

采用大型结构分析有限元软件Algor12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3m长的基础进行分析。采用6面体实体单元,共划分4865个单元,6150个节点,最大单元尺寸10cm×10cm×15cm,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=30000MPa,μ=0.15,密度ρ=2.4g/cm3

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32.8kPa,考虑0.75m厚土层的自重后,顶板上的最大压应力为47.8kPa<54kPa,符合要求,见图4。

地铁车站顶部龙门吊轨道基础设计计算

图4 龙门吊基础基底应力分布( 图中应力单位为102kPa)

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2m和3.0m处,基底压力分别降至17.7kPa和6.6kPa,6.6kPa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2.8m,而龙门吊前后两个轨道轮的轴距为10m,左右轮距为9.124m,因此相邻轨道轮之间的应力叠加作用可忽略不计。

2)基础变形分布

轨道轮作用点下方的竖向位移最大(1.7mm),沿轨道纵向距轨道轮作用点3m处,竖向位移降低至0.3mm,由此可推算出基础的竖向挠度为1.4mm。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22cm,最大压应力10.2MPa,小于C30混凝土的弯曲抗压强度16.5MPa,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4MPa,由受拉区应力分布积分求得受拉区总拉力约为816kN。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,其强度设计值ƒy=310MPa,所以钢筋总面积As=2632mm2,折合Φ20Ⅱ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9.2MPa,小于C30混凝土的弯曲抗压强度16.5MPa,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2.1MPa,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13kN/m,因此横向受拉区也只需按构造配筋。基础宽度2.4m,高0.45m,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12%[1],即:Af=131.6mm2/m。选用Φ6Ⅰ级配筋,单根钢筋截面积A1=28.3mm2,则单位长度需配置Af/A1=4.65根分布筋,取5根,分布筋间距s=0.2m。

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。

地铁车站顶部龙门吊轨道基础设计计算

图5 轨道反力计算简图

对图中B点取力矩平衡得:

9.124R1-(4+9.124)P=0       (4)

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=120kN代入式(4)求得:

R1=172.6kN

考虑动载效应和龙门吊自重后的单个轮压为:

175+ψ2R1/2=268.6kN

考虑一定安全余量,取轨道梁最大设计轮压为:300kN。

3.2 计算模型及参数
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文章来源:

《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􀀁 510030)

 

 

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