在高能級強夯施工中門架立柱的強度研究

2013-08-21 01:17:04王紅霞

山西建筑 2013年11期

關鍵詞：施工

王紅霞

(山西機械化建設集團公司，山西太原 030009)

0 引言

強夯法是地基處理的主要方法之一，在我國山區高填方工程、拋石填海工程、超厚濕陷性黃土地基中高能級強夯施工被廣泛應用。我們用W200C型履帶式起重機作為主機和配置門架組成強夯機，在陜西富縣施工工地進行了12 000 kN·m強夯測試，通過測試儀器DADTLOGGER7V13數據采集儀對兩門架立柱做了10個點的應力測試，以此為依據進行一系列計算驗證，驗證800×800截面的門架立柱能否滿足12 000 kN·m強夯施工強度要求，為同類施工提供借鑒。

1 測試概況

為了得到門架立柱是否滿足12 000 kN·m施工要求，我們用50 t夯錘起升24 m(風力很小，忽略不考慮)，門架立柱使用4 m×4節、3 m×3節、2 m×1節，共計27 m高，履帶式起重機吊桿長28 m;測試點選在夯土含水量比較大的地方，而且在同一點反復夯實進行得到較大的吸附力，測試門架立柱結構應力變化，并記錄了第一、三、五錘的應力和應變。

2 測試數據

測試數據見表1。

表1 測試數據表

測點布置在門架兩立柱距地面第二節的桁架下方，其中1，2，3，4，5，6 在同一截面上，7，8，9，10 在另一個立柱同一截面上，5，6點布在橫綴上，其余8點布在柱肢上，以門架放松狀態為零做的測試。進行到第五錘時，夯錘吸附嚴重，再加大力量起吊會對起重機造成損害，認為這時達到了起吊最大值。

3 夯錘選擇

強夯地基處理施工，我們通常采用W200C1型履帶式起重機作為強夯機，臂桿長26 m～30 m，附帶輔助裝置——高度26 m～28 m 的門。通過吊 45 t，50 t，55 t的夯錘分別起升 22 m，24 m，27 m這三種方法來實現12 000 kN·m的強夯地基處理，但哪種方案最佳，我們從以下幾方面進行考慮:1)對相同的夯擊能量，常選用大落距的施工方案，以獲得較大的接地速度，將能量有效地傳到地下深處，增加深層夯實效果，減少消耗在地表土層塑性變形的能量;2)大噸位的夯錘在施工時的吸附力比較大，在起錘過程中，主機的瞬間載荷超過正常工作很多，嚴重影響強夯機的性能;3)門架太高時穩定性比較差，而且安全性也低了。從這幾方面考慮，我們選擇了用50 t夯錘起升24 m來打。

4 數據分析

門架格構柱底第二節橫綴上的5，6點，在門架與強夯機垂直面方向的中性面上，這個方向產生的彎矩在兩點上為零，而剪切力最大，因此只考慮剪切應力;而在門架立柱與強夯機工作方向5，6點距中性面最遠，產生的彎矩最大，剪切力最小為零。經過理論計算與試驗數據基本相符，同時根據試驗報告，知橫綴上點5，6處在這三錘測試時，應力變化不大而應力值也不大，說明兩立柱只考慮彎曲，則門架立柱屬于壓彎構件。

4.1 第一錘起錘時門架受力情況分析

1)確定臂桿與水平的夾角θ。在強夯施工時，通常門架不與地面垂直，而是有一定的偏離，即門架頂端垂直地面投影與底端的距離為0.8 m～1.0 m，一般根據門架的長度取值，因測量門架長為27 m，則取值0.8 m，那么門架與地面垂直線所成夾角ψ=

整個門架包括橫擔、十字頭在門架立柱方向上的總長度H=28.37 m;根據強夯機臂桿長28 m和鵝頭結構尺寸，計算出鵝頭耳孔到臂桿支點所在水平面的距離L=28.39 m，再加上臂桿支點到地面距離 2.1 m，那么由兩者的高度相同，即 28.37cosψ=28.39sinθ－0.577 6cosθ+2.1，就可得出吊桿與水平的夾角 θ，我們根據計算測試得θ=68.8°(見圖1)。

圖1 履帶吊與門架工作簡易圖

2)求作用在吊桿上各力力臂。通過臂桿長度、鵝頭尺寸、臂桿水平夾角，首先計算出十字頭和橫擔重量折算到吊桿處的力臂L2，再根據鵝頭尺寸和L2得出起吊重物的力臂L1，假定臂桿力臂L3為重物力臂L1的一半;根據L2及門架地面垂直線所成夾角算出門架作用力力臂L4。

3)計算起升載荷折算到立柱頂端的力。強夯施工時，起升載荷要考慮夯錘在地基中的吸附和無約束的起升時動載，通過比較，還是吸附時的起升載荷大，所以起升載荷按吸附時的最大載荷計算。

在第一錘起錘時基本無吸附力，同時為了測試更準確，起錘速度很慢，基本沒有加速度，所以第一錘起錘時GP=G+Q吊鉤=(50 t+1.5 t)×9.8=50.47 ×104N。根據臂桿力矩平衡，∑M=0(把鋼絲繩看作與吊桿一致，則可視作強夯機卷筒拉力不產生力矩)，則 R支L4=GPL1+Q吊L3+(Q橫+Q十字)L2，得R支=55.397 ×104N(其中Q吊臂桿與鵝頭部分自重為7.064 t，Q橫+Q十字橫擔與十字頭部分自重為2.004 t)。

4)根據試驗數據計算出立柱端的力。因門架立柱為壓彎構件，我們只考慮橫向力和軸心壓力。測試點在立柱底部第二節下端，則在橫擔兩邊的支撐力應減去格構柱和連接板自重產生的力(在此處產生的彎矩很小，可以忽略)。同時由于門架在強夯機垂直面有一個傾角 γ =arcsin1.5/27=3.185°，則 R′支= ［(σ門A+σ門B)A －2(Q門24+Q連)cosψ］cosγ =55.825 ×104N，其中，Q門24為立柱第二節以上24 m格構柱的重量;Q連為立柱與橫擔連接板的重量。那么兩者的差為 R′支－R支=55.825×104－55.397×104=0.526×104N，這時由于鵝頭重而整個吊桿的中點，按中點位置計算少算的部分。

4.2 強夯機最大拉力計算

門架試驗是在微小風力的情況下進行的。我們通常施工時，風力三級時由于離地面距離不同風速差別很大，并且由于門架高達27 m，風對門架上部作用力大，門架晃動厲害，造成夯錘擺動影響施工，所以一般風力達到三級以上，為了保障施工安全和質量，我們就停止施工，因此計算時不考慮風的影響。

第五錘時，發動機加油基本達到了最大功率，吊車卷筒不轉，提不起錘，再進行加大力起吊，對強夯機嚴重不利，則認為此時吊車主卷揚拉力最大。

考慮到前面由于吊桿的重心選擇而產生的差，則:

根據力矩平衡;R支L4=GPL1+Q吊L3+(Q橫+Q十字)L2，則GP=110.015 ×104N。

由于吊車起吊第五錘時，主卷揚機已處于最大能力狀況，且錘未被吊起，可初步認為吊車最大瞬間單繩拉力為:

F繩max=110.015 ×104÷7 ÷9.8=1.604 ×104N。

5 強度驗證

這次測試選在夯土含水較大的地點進行，并且強夯機在同一地點反復夯土，隨著錘夯出坑的深度逐漸增加，土對錘的吸附力逐漸增大，最后達到很大的吸附，使夯錘深陷。實際工作中，我們為了使強夯機能在主要技術參數內工作(符合產品工作要求)，有效地保證強夯機的性能，通過施工方案的選擇和對夯錘的改進，減小吸附力，使強夯機能正常工作并很好完成施工。所以立柱、柱肢的強度按最大承載力時驗算的強度合格，就能滿足正常強夯施工時的強度要求。