4000kN樁基豎向抗壓靜載荷試驗鋼平臺設計及承載力驗算

李燁

（中浩工程檢測技術有限公司）

0 引言

近十年來，廣東省內許多新設立的檢測公司在取得檢測檢驗機構資質認定證書后，都需要在業務所在地行政主管部門申請行政許可。根據廣東省住房和城鄉建設廳發布的《廣東省建設工程質量檢測機構資質條件》（粵建質〔2010〕35號）中的樁基豎向抗壓靜載荷試驗資質分級條件要求，檢測單位樁基豎向抗壓靜載荷試驗資質，申請試驗荷載上限噸位為400噸，然后以半年為周期可向上級行政主管部門申報逐級晉升。申報資質其中一個材料要求就是需要不小于當前所申請等級荷載噸位上限的試驗布置模擬圖、計算書。因此，本文對4000kN靜載試驗鋼平臺設計及承載力驗算進行簡單分析。

1 鋼平臺設計

擬進行最大試驗荷載為4000kN的單樁豎向抗壓靜載荷試驗，采用自有鋼梁搭設平臺，壓重平臺重物及支撐均采用砼配重。砼配重尺寸長2000mm、寬1000mm、高1000mm。砼配重采用鋼筋混凝土澆筑而成，每塊重約50kN。此處假設地基承載能力滿足設計要求。根據實際使用情況，本文驗算中鋼平臺安全系數取為1.1。

鋼平臺采用1根主梁和4根次梁搭設，最大堆載不小于4000kN。其中主梁尺寸長8000mm、寬500mm、高800mm，自重54.62kN。每根次梁由4根工字鋼組成，次梁尺寸長8000mm、寬1000mm、高500mm，由每根工字鋼自重9.89kN，因此每根次梁自重39.56kN。鋼平臺自重合計212.86kN。

鋼平臺有效堆載面積約32m2，每塊砼配重占用面積約2m2，平臺每層可布置16塊砼配重，砼配重應層次交錯搭接堆載。一般規定砼配重高度不應大于8m，現按6層計算，合計96塊，砼配重合計總重4800kN。鋼平臺反力試驗裝置立面示意圖如圖1所示。

圖1 鋼平臺反力試驗裝置立面示意圖

2 驗算部分

2.1 鋼材參數

本次設計中鋼梁均采用普通碳素結構鋼，牌號為Q235，厚度均大于16mm。其材料強度相關參數有：抗拉強度205.00N/mm2、抗壓強度205.00N/mm2、抗彎強度205.00N/mm2、抗剪強度120.00N/mm2以及彈性模量206000N/mm2。

由《碳素結構鋼》（GB/T 700-2006）中得知，厚度大于或等于16mm的Q235普通碳素結構鋼相應的屈服強度為235MPa，抗拉強度為370～500MPa。

鋼梁在制作之前，所用到的鋼材應經有相應資質的檢測單位檢測合格后，方可用于鋼梁的制作。

2.2 主梁計算

2.2.1 荷載計算

千斤頂上部平臺主次梁自重及砼配重堆載總荷載為5012.86kN，超過了千斤頂向上的總推力，主梁不能將上部壓重頂起，作用在主梁上的反作用力總和為4000－696.68×8×9.8/1000=3945.38kN。考慮平臺次梁均勻密布，次梁之間空隙大約有50mm，可以將次梁給主梁的反作用力按均布荷載考慮，次梁施加在主梁上的均布力q=3945.38/8=493.17kN/m，荷載計算簡圖如圖2所示。

圖2

主梁重54.62kN，近似按照均布線載考慮為54.62/8=6.83kN/m。

主梁上總體作用均布線載：

493.17+6.83=500.00kN/m

千斤頂位置最大彎矩：

2.2.2 截面強度驗算

主梁截面如圖3所示。

圖3

其截面特性有：截面面積A=1558.00㎝2、截面慣性矩 Ix=1018967.00㎝4、截面抵抗矩 Wx=25474.00㎝3、回轉半徑ix=25.57㎝、面積矩Sx=17411.50㎝3和截面塑性發展系數γx=1.05。

2.2.3 抗彎強度驗算

安全系數205.00/149.55=1.4＞1.1，故滿足使用要求。

2.2.4 抗剪強度驗算

安全系數120.00/20.10=6.0＞1.1，故滿足使用要求。

2.2.5 穩定性驗算

腹板h0/tw=（800－60）/30=24.7＜80

翼緣b0/t=（500－2×30）/30=14.7＜40

因此，局部穩滿足使用要求。

2.2.6 撓度驗算

根據v＜［v］，撓度變形滿足使用要求。

2.3 次梁計算

2.3.1 荷載計算

次梁承受靜荷載作用或漸進式加荷作用，不考慮動力系數。并且作用于梁上的荷載宜為均布荷載和均勻分布的集中荷載。根據《建筑地基基礎檢測規范》（DBJ/T 15-60-2019）中的第8.2.3條規定，加載反力裝置能提供的反力不得小于最大試驗荷載的1.2倍，擬定4根次梁承受總荷載為4800kN。本設計中的一根次梁由四根工字鋼組成，故一根工字鋼承受總荷載為300kN。

考慮工字鋼自重 9.89kN，因此 qk=（300+9.89）/8=38.74kN/m，根據《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）中第3.2.4條，取分項系數為1.35，構件重要性系數為1.0，則鋼梁荷載設計值q=1.35×38.74=52.30kN/m。

2.3.2 截面強度驗算

次梁工字鋼截面如圖4所示。

圖4

其截面特性有：截面面積A=282.00㎝2、截面慣性矩Ix=104246.00㎝4、截面抵抗矩 Wx=4170.00㎝3、回轉半徑ix=192.00㎝、面積矩Sx=2488.00㎝3和截面塑性發展系數γx=1.05。

2.3.3 抗彎強度驗算

安全系數205.00/95.56=2.1＞1.1，故滿足使用要求。

2.3.4 抗剪強度驗算

安全系數120.00/16.64=7.2＞1.1，故滿足使用要求。

2.3.5 穩定性驗算

根據《鋼結構設計規范》（GB 50017-2017），由于h0/tw=（500-60）/30=14.67＜80，可按構造布置橫向加勁肋。

2.3.6 撓度驗算

根據v＜［v］，撓度變形滿足使用要求。

3 應用測試

本單位經廣東省農墾中心醫院委托，負責廣東省農墾中心醫院門診綜合樓項目的地基基礎檢測工作。其中樁號為K93的預應力管樁，樁徑500mm，樁長39.8m，樁身強度C80，單樁抗壓承載力特征值為2000kN，設計持力層為中粗砂層。本次單樁豎向抗壓靜載試驗最大試驗荷載為4000kN，采用本文設計的鋼平臺進行試驗，采用砼配重堆載。根據《建筑地基基礎檢測規范》（DBJ/T 15-60-2019）中的第8.2.3條規定，加載反力裝置能提供的反力不得小于最大試驗荷載的1.2倍，考慮砼配重長期使用中會產生質量損耗，本次堆載砼配重98塊，每塊重約5噸，合計約490噸，符合規范要求。檢測過程中暫無撓度變形、局部形變、焊縫開裂、傾斜等其他異常情況。可見本文的靜載試驗鋼平臺設計和驗算是符合實際使用情況的。

本次單樁豎向抗壓靜載試驗中采用武漢巖海工程技術有限公司的靜載荷測試儀，設備型號為RS-JYE，經廣東省中山市質量計量監督檢測所檢定合格。在檢定有效期內進行本次檢測工作。其中單樁豎向抗壓靜載試驗荷載-沉降數據匯總表如表1所示。

表1 單樁豎向抗壓靜載試驗荷載-沉降數據匯總

4 建議

在本次設計與驗算的過程中，只是考慮在理想狀態下，實際應用中，還需要考慮到焊縫質量以及鋼梁的耐久性。

現今資質申報的條款要求中，對鋼平臺這一部分一般只是需要計算書，并沒有對鋼梁這類設備要求提供檢定校準證書，也沒有功能性核查的要求。靜載試驗的油泵都有功能性核查記錄文件，安全隱患更大的鋼平臺就更需要關注。

鋼平臺的作業環境一般都是比較惡劣的，甚至于存放環境也不是那么良好。鋼梁經過長期的日曬雨淋，會氧化腐蝕，耐久性和安全性也會有所降低。有個別檢測單位的主梁在加載的過程中產生局部變形。安全第一，預防為主。為避免鋼梁在檢測工作中出現問題，在條件允許的情況下，可以委托有鋼結構工程檢測資質的檢測單位定期對鋼梁進行檢測。部分檢測單位自身有鋼結構工程檢測資質的情況下，也可以進行自行檢測，出具報告后加蓋CMA章和報告章，作為鋼梁功能性核查文件，這樣能及時發現鋼梁存在的問題并能及時進行加固，避免在工作中出現安全事故。因此，建議檢測單位或者勞務單位的鋼平臺計算書附上鋼結構檢測報告以及鋼材檢測報告，會顯得更為嚴謹。