湍流河滩段桁架吊装安全技术措施与实践.pdf

Engineering Construction2023年6 月44建程设第55卷第6 期瑞流河滩段桁架吊装安全技术措施与实践李庆铠，向继辉，王敏岩，李静园（1.中国有色金属工业第六冶金建设有限公司，河南郑州450 0 0 6；2.山西晋设拓凡建筑设计咨询有限公司，山西太原0 3 0 0 0 0）摘要：在类似河沟地段进行桁架、管道等吊装施工过程中，经常会选用汽车起重机械，支腿反力计算及软弱地基处理方案是其中的难点和重点。本文以某跨河桁架吊装项目为例，选择合理汽车吊型号，利用Fortran软件编程快速、准确地计算出最大支腿反力。将表层软弱地基换填为碎石垫层，采用数值插入法编程计算最小换填厚度，并计算最小回填区域，最后验证其地基变形及整体稳定性。吊装过程中通过精密水准监测支腿位置沉降变化，实践表明：在河沟地段吊车支设区域采用碎石换填处理方案可行，且效果较为显著，可为类似工程问题提供借鉴。关键词：跨河吊装；碎石换填；支腿反力；软弱地基中图分类号：TU758.15文献标识码：A文章编号：16 7 3-8 9 9 3(2 0 2 3)0 6-0 0 44-0 7doi:10.13402/j.gcjs.2023.06.075Safety technical measures and practice of trusshoisting in turbulent beach sectionLI Qingkai,XIANG Jihui,WANG Minyan,LI Jingyuan?2(1.China Nonferrous Metals Industry Sixth Metallurgical Construction Co.,Ltd.,Zhengzhou 450006,Heuan,China;2.Shaxi Jinshe Tuofan Architectural Design Consulting Co.,Ltd.,Taiyuan 030000,Shanxi,China)Abstract:In the process of lifting trusses and pipes in similar river gully sections,the automobile crane is often used,andthe calculation of leg reaction and the treatment scheme of weak foundation are the difficulties and key points.Taking across-river truss hoisting project as an example,a reasonable type of crane was selected,and the maximum leg reaction wascalculated quickly and accurately by using Fortran software programming.The surface soft foundation was replaced withgravel cushion,and the minimum flling thickness was calculated by numerical insertion method,and the minimumbackflling area was calculated.Finally,the foundation deformation and overall stability was verified.In the process oflifting,the settlement change of the supporting leg position is monitored by precision leveling.The practice shows that it isfeasible to adopt the gravel filling treatment scheme in the supporting area of the crane in the river gully area,and the effectis more significant,so as to provide reference for similar engineering problems.Key words:lifting across the river;gravel replacement;leg reaction;weak foundation由于钢桁架结构具有承载力大、结构简单、布置灵活、施工速度快等特点，被广泛应用于跨越河流、沟渠等类似项目，但是受软弱地基及场地狭隘影响，钢桁架吊装施工是该类项目的难点。近年来，随着基础建设的蓬勃发展，为确保建筑物安全，学者们对软弱地基的加固处理越来越重视。楚收稿日期：2 0 2 2-12-0 2作者简介：李庆铠（19 9 5一），男，工程师，从事工程管理工作。义华1采用真空预压法对软土地基进行加固，通过优化工艺流程及参数、控制重点工序，有效降低了场地工后沉降对建筑物桩基的影响。陈佐林2 采用加芯搅拌桩，解决了某铁路站场软土地基承载力不足的问题。蒋淑华等3 研究了振冲法在淤泥含量比较高地区地基加固的可行性，实验表明振动水冲密452023年第6 期李庆铠，等：湍流河滩段桁架吊装安全技术措施与实践实加固效果良好。但上述方法由于处理周期长、费用高，对于临时性工程不适用。基于前人研究并结合项目实际，本文采用较为经济且便于施工的碎石换填方案处理河沟地段软土地基，先行确定吊车最大支腿反力，采用数值插人法编程计算最小换填厚度及范围，在确保安全可控的前提下，控制换填成本，并提高施工速度，以期可为同类工程提供参考。1工程概况河南省郑州市上街区某铝厂赤泥外排管线系统，由于受2 0 2 1年“7 20特大暴雨”影响，河流水位上涨，局部跨河架空桁架损毁。设计提供修复方案仍采用空间桁架结构体系，使用桁架上下弦杆受力，桁架平稳放置在东西两侧赤泥外排管道承台基础上的架支座上，钢桁架与支座采用焊接，桁架长度为7 0 m，高度为7 m，宽度为3.5m，总重量约为8 7 t。施工单位拟采用车间分段制作，现场拼装为两节，吊装时利用河道中间原有管道支架基础搭设施工操作平台进行空中合拢。支架基础距离河东、河西桁架基础分别为3 9、3 1m，吊装单件最大重量（河东桁架）为48.5t。结合最不利吊装重量及吊装构件尺寸，经验算拟采用3 0 0、12 0 t汽车起重机各1台进行双机抬吊钢桁架合拢工作。由于河道两岸存在软弱地基，不能满足大吨位吊车的吊装站位，项目部拟采用压实性好的碎石或砾石，分层摊铺、碾压，沿河东、西两侧道路各向河床内修筑临时围堰，以满足吊装要求。现场实际工况及项目拟采用的吊装方案总体布置方案分别如图1、2 所示。桁架基础跨河原有桩基础基座，河西回填经检验，仍可使用河床区域河东回填河床区域图1现场实际工况桁架承台桁架承台桁架合拢位置桁架承台河东道路河西道路120t汽车吊300t汽车吊300t汽车吊120t汽车吊换填区域河换填区域图2吊装方案总体布置2计算汽车吊支腿反力2.1计算模型及参数分析为确保吊装安全，选取吊装单件最大重量为48.5t，且全部由3 0 0 t汽车吊承重。为准确得到最大支腿反力，参照房晓文4 论文中假定的起重机支腿反力计算模型（图3）及其推导出的各支腿反力计算公式进行简化计算。4y4aVMGI0GXaeue2O302bb图3支腿反力计算模型(1)支腿反力计算4(1+%)+(1-%)McosOsingF=46a(1)GMcosOsingF11464a(2)cossinM1+6a(3)GsingF46a(4）式中：G，为上车自重，含吊臂、配重、吊重，t;Gz为下车自重，t；M 为作用在吊臂平面内的力矩，kN；e i 为回转中心距支腿中心距离，m；e 为下车重心距支腿中心距离，m；为吊臂与起重机纵轴夹角，（）；为垂直车身长度方向支腿跨距之半，m；b 为平行车身长度方向支腿跨距之半，m；Fi、46建设程第6 期第55卷F2、F3、F4分别为四个支腿反力，t。（2）参数计算。本文拟采用3 0 0 t汽车吊简化参数计算模型（图4），依据LTM1300/13 0 0 T 全液压汽车吊说明书，图中各参数说明如下：G，代表吊车配重，取140 t；G 4代表吊车自重，取7 0 t（不含配重），其中包括吊臂重量G，约为17 t；G代表吊装重物，最大吊重为48.5t；L代表配重重心距吊臂旋转中心水平距离，等于4.0 m；Lz代表吊重重心距吊臂旋转中心水平距离，依据吊车工况表及最大吊重情况，取极限回转半径为14.0m；支腿纵向及横向间距均为8.8 m（全伸状态),e=0.17 m,e2=2.01 m。9GoLy4Gs0088LI8GOG2XG3eie23elO28800图4简化参数计算模型1）上车自重：Gi=G,+Gs+i G(5)2）下车自重：G2=G4-Gs(6)3）参数M计算：M=,G,L,+0.5GsLz+F,hx-G,L(7)式中：为动荷载系数，依据建筑结构荷载规范（CB500092012）5】，特种吊车竖向荷载的动力荷载系数取1.1；F，为最不利方向风荷载；h，为吊装状态下吊臂顶点距旋转中心垂直距离，取为8 m（旋转中心距离地面2 m）。4）风荷载F,计算5W=,+,+,xwo(8)式中：Wk为风荷载标准值，kN/m；，为高度z处的风振系数，参照高层建筑仅考虑结构第一振型的影响，按照荷载规范计算5，取值为1.56 8；。为风荷载体型系数，按照单榻桁架查表并计算：=（A,/A o）；A，代表桁架杆件和节点挡风的净投影面积，以最不利吊装段桁架计算取值为21.76m；A 代表桁架的轮廓投影面积，计算取值为18 5.2 5m；，为各种截面的杆件体形系数，查表可得为1.3；，为风压高度变化系数，按照B类粗糙度，距离地面10 m考虑，系数取值为1.0；wo为基本风压，kN/m，查表可得河南省郑州市地区取值为0.45kN/m；2.2编程计算求极大值按照上节基础参数，将式(5）（8)分别代入式（1）（4），采用Fortran软件编程计算，得到各支腿反力随着汽车吊吊臂与水平坐标轴夹角Q(0360）的变化曲线（图5），计算增量为1，取最大值（表1）作为最不利支腿反力。1003804604010601201802403003600/（）1Fi;2F2;3F3;4F4。图5支腿反力变化曲线通过计算可得，支腿1和2 的极大值大于支腿3 和4的极大值，则在验算地基承载力时，取支腿1的最大支腿反力为最不利工况。表1最不利支腿反力汇总支腿编号夹角/）支腿反力/tF13597.54F222597.54F31589.50F44589.503地基土层参数及换填措施3.1换填区工程勘察因工程为抢修项目，为确保项目安全并兼顾工程进度，在两岸拟换填区域进行钻孔勘察，场地土层特征及相关物理力学参数如表2 所示。3.2碎石换填措施项目部拟采用反铲挖掘机，将拟换填区域水下约0.4m厚的淤泥清除干净，然后按照建筑472023年第6 期李庆铠，等：湍流河滩段桁架吊装安全技术措施与实践表2各土层主要物理力学参数重度/承载力特层号岩性层厚/m(kN m3)征值/kPa1淤泥质土0.4017.02粉土1.8017.41003粉细砂2.6018.51404砂砾石2.4020.0250地基基础工程施工质量验收标准(GB502022018）6 ，选用不含植物残体、垃圾等杂质，级配良好的碎石作为换填材料，最大粒径小于50 mm。4换填垫层厚度及范围计算4.1支腿处简化计算模型及压应力计算4.1.1河内回填部分简化模型由于拟支设吊车位置处于河坡地段，一端需要向河内回填部分（计算模型简化为图6），一端位于河坡无水地段（计算模型简化为图7）。将吊车支腿视为埋置深度为0 的独立基础，并将河流水位作为地下水位面。1支腿垫板Po回填上顶面水面以上回填厚度水位面水深度淤泥层厚度粉土层厚度粉细砂层厚度图6河内回填支腿简化计算模型1支腿垫板Po整体回填面回填厚度工水位面粉土层厚度图7河坡无水地段简化计算模型图6、7 中：l为垫板长度，m；Po 为垫板底面压力，kPa；h，为河内回填位置水面以上回填厚度，m；h 为河内回填位置水深度，m；h，为河内回填位置淤泥层厚度，m；h 4为河内回填位置粉土层厚度，m；h，为河内回填位置粉细砂层厚度，m；H 为水位面至整体回填面高度，m；h,为河坡无水地段回填厚度，m；h 4 为河坡无水地段粉土层厚度，m。4.1.2支腿垫板底面压力Pk计算Pk=(Fk+Gk)/A(9)Fk=F,g(10)A=l,bl(11)式中：Pk为垫板底面压力，kPa；A 为基础底面积，m；F为上部结构传至基础顶面竖向力值，kN；G为基础自重和基础上的土重，kN。l为垫板长度，取为2.4m；b 为垫板宽度，取为2.4m；Fl为支腿1的最大支腿反力，取为9 7.54t；g 为重力加速度，取为9.8 kg/N。4.2碎石换填厚度计算4.2.1支腿底垫层承载力验算h项目部经回填压实试验得，压实系数入。0.97的碎石垫层地基承载力特征值为16 7 kPa，测量得碎石重度=2 1.3 kN/m，为确保安全，本文暂定碎石垫层处理后承载力特征值。=16 7 kPa进行计算。忽略垫板自重，由式（9）计算可得：Pk=(97.549.8)/(2.42.4)=165.95kPa将支腿垫板假定为独立基础，埋深为0 m，宽度小于3 m，按照基础设计规范7 规定，不需要再进行地基承载力特征值修正。由于碎石垫层f。Pk，则碎石垫层承载力符合要求。4.2.2河内回填区域垫层厚度计算按照图6 所示，现就河内回填部分进行验算，清淤至粉土层后，假定将碎石回填至水面以上h，的高度铺设支腿垫板(1)垫层厚度确定条件8 P,+Pefaz(12)式中：P，为垫层底面处的附加压力值，kPa；Pe为垫层底面处土的自重压力值，kPa；f a z 为垫层底面处经修正后的地基承载力特征值，kPa。(2）垫层底面附加压力值8 ：b,li(Pk-P.)P,=(b+2tana)(L,+2ztang)(13)式中：Pk为垫板底面压力，16 0.6 8 kPa；P。为垫板底面处土的自重压力，取为0 kPa；z 为垫板下碎石垫层厚度，m；为垫层（材料）的压力扩散角48建设程第55卷第6 期（）；l i 为垫板长度，取为2.4m；b l 为垫板宽度，取为 2.4 m。参数z计算：z=hi+hz+h3(14)式中：h为水面以上回填厚度，m；h 为水深度，取为0.2 m；h，为淤泥层厚度，取为0.4m；参数计算：依据建筑地基处理规范，由于最小换填厚度h+h,=0.6m，(h +h,)/b,=0.6/2.4=0.25则z/b,在0.2 5 0.5区间内取值为8=(z/bl-0.25)(30-20)/0.25+20(15)当z/b1大于0.5，则8=3 0(3)垫层底面处的附加压力值8 Pe=(h+hz+hg)o-(hz+h,)(16)式中：为水的重度，取为9.8 kN/m；为碎石重度，取为2 1.3 kN/m；(4)垫层底面处地基承载力修正8 faz=fak+mbi(b1-3)+nam(d-0.5)(17)式中：fa为修正后地基承载力特征值，kPa；f a k 为地基承载力特征值，kPa；由于b,小于3 m；d=h g=0.4m 小于0.5m则不再进行修正，得：faz=fak=100.0kPa（5）h l=0 m 时承载力验算。假定碎石回填恰好与原始水面平齐，不考虑水流冲击力影响，不考虑回填范围，将z=h+h，=1.5m 代人式（12）（17）计算可得：P,=115.01 kPaPcz=6.90 kPaP,+Pez=121.91 kPa计算可得P，+Pe f a z，则当h=0m时承载力验算不符合，回填厚度乙不足。（6）编程计算h的最小厚度。按照上述计算方法，河内回填位置水面以上回填厚度h，在0.10.6区间内以0.0 1m的增量，通过Fortran软件编程计算。参数符合式(15)的变化规律。令差值y=faz（P,+Pe），则得到y随h,增长的变化曲线如图8 所示。20斤100-10-20-300.00.10.20.30.40.50.6厚度/m1一地基承载力与垫板压力差值；2一地基承载力与垫板压力相等。图：地基承载力与垫板压力差值变化曲线当h=0.33m时，y=0kPa，即表明h,的取值必须要大于0.3 3 m时，可满足承载力要求。4.2.3河坡无水地段垫层厚度计算按照图7 所示，实测坡顶（接近道路面标高）与水位面的高差H=1.9m，河坡地段表层大多为腐殖土，现场清表约0.5m厚揭示下层为粉土层。为便于现场施工及吊车支设，拟将回填标高统一与河边原有道路平齐。按照上述步骤，计算可得河坡无水地段碎石垫层换填厚度z=1.02m时（计算P。时不计地下水影响)满足地基承载力要求。则在接近道路部分，将表层1.0 2 m深原有腐殖土及部分粉土换填为碎石垫层，确保河坡无水地段所有换填区域实际换填碎石厚度均大于1.0 2 m，河内回填区域实际回填厚度为H+h+h=2.5m，经验算满足地基承载力要求。4.3碎石垫层底面宽度计算垫层底面宽度应满足建筑地基处理技术规范（JG J7 9 2 0 12）8 要求，可按照下式确定：bb1+2ztans(18)式中：b为垫层底面宽度，m；b，为垫板宽度，取为2.4m；z 为垫层厚度，河内最深回填区域，取为2.5m；8 为碎石垫层（材料）的压力扩散角（），由于z/b,=2.5/2.40.5，则8=3 0。将各参数代入式（18）可得b应满足：b5.29 m4.4地基变形验算由于支腿部分位于河床上，部分位于岸上，地基所处环境差别较大，存在不均匀沉降，对吊车安全性有较大影响。拟采用分层总和法9 分别验算河床上及岸上两处地基变形值进行对比分析。492023年第6 期李庆铠，等：湍流河滩段桁架吊装安全技术措施与实践任选位于河床位置的一个支腿，计算分层厚度h；0.4b=0.9 6 m；沉降计算深度根据：=0.2。的确定原则。粉土层及粉细砂层的综合e-p曲线如图9、10 所示，回填碎石垫层弹性模量为15.20MPa，各土层信息参见图6、7 所示。根据式（19）计算各分层沉降量，不考虑相邻荷载影响，最终计算各层沉降量结果见表3 所示。0.6840.6740.6640.6540.6440.6340.6240.6140.6040.5940.5840.5740.564050100150200250300350400450500550600650700750800压力/kPa图9第二层粉土层综合e-p曲线0.6790.6690.6590.6490.6390.6290.6190.6090.5990.5890.5790.569L050100150200250300350400450500550600650700750800压力/kPa图10第三层粉细砂层综合e-p曲线elie2i1As;=H(19)1+由表3 的计算汇总表可得，河床位置支腿处最终沉降量为s=36.78mm；按照上述方法计算岸上某个支腿处沉降，最终沉降结果为s=29.52mm；两者沉降偏差相差不大，符合规范沉降量要求7 表3最终沉降计算过程eli-e2iZ/mg/kPag/kPaH,/mma./kPaa,/kPaZ/m0+o./kPaele2As;/mm1+eli00165.95一00.817.04142.628008.52154.290.8162.818.121.634.0891.6680025.56117.141.6142.706.172.553.2552.8990043.6772.282.5115.944.283.460.0932.7890056.6742.843.499.510.6600.6450.00908.134.366.9321.8790063.5127.334.390.840.6570.6480.005 44.895.274.7615.5390070.8518.705.289.550.6580.6520.003 63.266.081.7211.8880078.2413.716.091.950.6560.6520.00241.93注：Z为垫板下深度，m；。为地基土的自重应力，kPa；.为基础中点以下基础中附加应力，kPa；H,为地基土分层厚度，mm；。为基础底面计算点至第i层土、第i-1层土底面范围内平均自重应力，kPa；3.为基础底面计算点至第i层土、第i-1层土底面范围内平均附加应力，kPa；e i 为自重应力下土体的稳定孔隙比；e2为附加应力下土体的稳定孔隙比；为各分层沉降量，mm。5稳定性验算及施工质量控制5.1稳定性验算由于该项目碎石垫层换填，仅为临时性工程，清除完淤泥之后下部地基条件较好，且临水面换填厚度较大，故不再进行整体变形计算。进行稳定性验算，计算模型如图11所示。当垂直于坡顶边缘线的基础底面边长b，小于50建设程第6 期第55卷支腿垫板b2biH碎石垫层粉土层图11稳定性计算简化模型或等于3 m时，其基础底面外边缘西线至坡顶的水平距离b,不得小于2.5m，且应符合下式7 ：b,2.5 b,-d/tan(20)式中：d为基础埋置深度，取为0.0 m；b,为垫板宽度，取为2.4m；为边坡坡角，（）。将b,=2.4m代人式(2 0)可得：b2 6.0 m因此，换填范围坡顶边缘线距离吊车支撑脚点处垫板外侧最小距离为6.0 m；此外，换填碎石垫层满足边坡坡角小于45、坡高H，小于8 m的限制条件。由于参数bz计算所得条件（bz6.0m），高于上节所计算垫层底面宽度b限制（b5.29m），则取bz=6.0m、=45即可满足规范要求。同时，为确保整体稳定性，在吊车支设区域整体铺设10 mm厚钢板，点焊连接，确保碎石垫层整体稳定性。5.2施工质量控制碎石换填垫层严格按照施工质量验收标准5 进行，现场垫层处理完毕，最终实测数值满足压实系数入。0.9 7；地基承载力特征值大于16 5.9 5kPa。吊装施工过程中，先将3 0 0 t汽车吊支设完毕静置一段时间，并通过精密水准仪监测吊车支腿处标高变化，现场支腿垫板处初期有15mm沉降现象，后期无太大沉降变化，待稳定之后开始吊装作业。起吊中及合拢过程中沉降基本无变化，项目最终顺利合拢，成功完成吊装施工任务，如图12 所示。图12地基处理完毕后现场吊装6结语本文针对跨河钢桁架吊装施工过程中，河沟地段软弱地基承载力不足、场地狭隘等难点，基于安全、成本及进度的综合考虑确定采用碎石换填技术处理软弱地基。通过编程计算明确碎石换填厚度、回填区域、压实系数等参数，在施工过程中严格控制换填质量，并实时监测吊装过程中地基沉降变化。工程实践表明，碎石换填技术处理河沟地段软弱地基，具有安全可靠、成本低廉及缩短工期等优势，其成功经验对类似工程处理具有借鉴及推广意义。参考文献：1楚义华真空预压法加固软土地基的应用 工程建设,2 0 14,46(2):19-2 2.2陈佐林。某铁路站场软土地基处理中多向加芯搅拌桩的施工质量控制J工程建设，2 0 2 0,52（1）：56-60.3蒋淑华，冯伯林振冲加固地基在港口建设中的施工与应用J.工程设计与建设,2 0 0 5（1）：48-51.4房晓文，陈学东，周振华，等。汽车起重机支腿反力简化计算方法与实验验证J起重运输机械，2 0 12(3):89 92.5中华人民共和国住房和城乡建设部建筑结构荷载规范：GB500092012S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 12.6中华人民共和国住房和城乡建设部建筑地基基础工程施工质量验收标准：GB502022018S .北京：中国建筑工业出版社，2 0 18.7中华人民共和国住房和城乡建设部建筑地基基础设计规范：GB500072011S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 11.8中华人民共和国住房和城乡建设部建筑地基处理技术规范：JGJ792012S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 13.9陈书申，陈晓平土力学与地基基础M武汉：武汉理工大学出版社，2 0 17.