路基箱結構的變形研究

丁俏俏 邱國志 魯小軍

(1.上海交通大學土木工程系，上海 200240; 2.中國核工業中原建設公司，北京 100037)

1 概 述

目前，第三代核電技術AP1000已應用于我國的核電站建設，其特點之一即為模塊化建造。整個工程中由于大型結構模塊和設備的運輸及裝配需要，吊機的工作也是整個項目得以順利進行的重要環節。由于吊機所起吊模塊普遍具有質量重、體積大、不可分裝的特點，而使吊車對地基產生較大壓力容易造成地基承載力不足、地基變形和地基土破壞，影響吊車在運行過程中的安全性。因此，為了保證使用過程的安全并降低地基承載力的要求，在吊車行駛路徑的路面下鋪設路基箱,將荷載均布分配，降低對地基承載力的要求。

1.1 結構選型

在AP1000核電項目模塊化施工中，大型吊機已成為其關鍵施工設備。它可將大型模塊直接起吊后放置在安裝地點。目前核電安裝工程項目中吊車額定起重重量最大為3 200 t，吊機履帶寬度2 m，若直接與地面接觸受力，則對地基的承載力要求很高，需要對地基進行高成本處理。為此，在地基上鋪設路基箱，它是由一骨架體組成,骨架體由縱向通長立板和橫向立板組成,并且在通長立板和每個橫向立板處設置斜向立板,骨架體的上下表面則各封有一層蓋板。它的作用是對地基上部施加的荷載進行分載，使地基滿足承載力要求。根據吊車履帶寬度和地基情況，確定路基箱平面尺寸長6 m，寬3 m，鋼材采用Q345[1]。吊機工作過程中路基箱上表面直接承受履帶荷載，受力面積為2 m×3 m，下表面與地基接觸。路基箱布置示意圖見圖1，內部結構圖見圖2。

圖1 路基箱布置示意圖[2]Fig.1 Layout of welded grillage slabs

圖2 路基箱內部結構圖Fig.2 Internal structure of welded grillage slabs

通過改變路基箱高度、上下蓋板厚度、縱向通長立板厚度、橫向和斜向立板厚度，本文確定7種規格的路基箱進行研究，路基箱模型尺寸如表1所示。

表1模型規格表

Table1Modelspecificationsmm

路基箱平面尺寸6 000×3 000路基箱高度H250300350400上下蓋板厚T20222025253030縱向通長立板厚W16201620202525橫向、斜向立板厚B16161616162020模型編號M1M2M3M4M5M6M7

1.2 地基土特性

地基土一般是分層分布的，而且在水平方向上地基土土層的厚度和性質都會發生變化，要表征地基土特性的參數有很多種，本文以地基基床系數來反映地基的不同土層。文克爾曾提出假設[3]：地基上任一點所受的壓力強度p與該點的地基沉降量s成正比，這個反力系數就是基床系數。因此，基床系數也可理解為土體的剛度，基床系數越大，土體越不容易變形。不同土層的天然地基基床系數如表2所示，本文將研究路基箱在不同地基土條件下的受力特性與變形規律。

表2天然地基基床系數[4]

Table2Thecoefficientofnaturalfoundation[4]

土的名稱狀態K/(MPa·m-1)淤泥質土、有機質土或新填土—1～5軟弱黏性土—5～10黏土、粉質黏土軟塑可塑硬塑10～2020～4040～100砂土松散中密密實10～1515～2525～40礫石中密25～40黃土及黃土類粉質黏土—40～50

2 分析模型

運用有限元軟件ANSYS對路基箱建模分析時，其計算模型的選擇會直接影響到計算結果。在路基箱荷載作用下，地基土會有不同程度的變形。同時,不同地基土也會影響路基箱的變形和受力。根據實際情況,將其轉化為分析模型,則路基箱上作用的荷載為均布壓力，路基箱分析模型的基本假設則有以下三條：

(1) 假定地基土為完全彈性，路基箱受到的基底反力與其變形成正比；

(2) 在實際過程中路基箱會產生彎曲變形，與履帶間發生脫離現象，為了滿足彈性地基梁模型，假定吊車履帶與路基箱共同彎曲變形；

(3) 在實際工作過程中，路基箱的受力總是變化而且局部不均勻，為了滿足彈性地基梁模型，假設吊車通過履帶將壓力均勻分布到路基箱。

針對路基箱模型的受力及分析模型的基本假設，路基箱上表面與吊車履帶接觸的部分受均布豎向壓應力作用，地基為彈性地基，因此對于地基選用文克爾地基模型[5]。這是一種簡單的線彈性地基模型，它假定地基土界面上任意一點處的變形S(x,y)與該點承受的壓力強度p(x,y)成正比，且p不影響該點以外地基的變形。根據文克爾對地基的基本假設，本文在采用有限元軟件ANSYS對路基箱進行分析時，把路基箱分成規則的若干單元，單元模型采用Shell181[6]。該單元模型有4個節點，每個節點有6個自由度，適用于薄到中等厚度的殼單元，并具有很強大的非線性功能。從約束情況，根據地基對每一單元的影響采用作用于單元兩端節點的兩根彈簧代替，簡化模型如圖3所示。彈簧剛度系數為

K=kbl

(1)

式中k——地基系數；

l——x軸方向彈簧間距；

b——y軸方向彈簧間距。

圖3 文克爾地基梁簡化計算模型Fig.3 Winkler beam simplified model

3 分析結果

在以上基本假設條件下對路基箱計算模型的研究表明，彈性地基梁模型中地基的彈性模量是通過彈簧的剛度近似模擬的，彈簧模量可用地基基床系數近似表示[7]。因此為了使計算結果有一定代表性，并且考慮到地基基床系數的取值范圍，每種地基土層選擇三種基床系數值進行計算，分別為：較小值Kmin+10%ΔK,中間值(Kmin+Kmax)/2,較大值Kmin+90%ΔK(其中，Kmin為基床系數最小值，Kmax為最大值),分別表示為10%K，50%K，90%K。由于地基土K值參數和路基箱種類都較多，但同一地基土條件下不同規格路基箱的受力變形特性規律相似，以及同一路基箱在不同地基土條件下的受力變形特性規律相似，故選取以下情況分析規律。

3.1 路基箱設計荷載與地基條件的影響分析

不同地基基床系數下路基箱的承載能力(吊車履帶壓力)如圖4所示。

圖4 路基箱在不同基床系數下的承載能力Fig.4 Carrying capacity of welded grillage slabs under different ground conditions

分析路基箱在不同基床系數下的承載能力的規律可以為使用單位根據項目中吊車等施力物體對地基的作用力及基床系數相應地選擇路基箱規格提供參考。觀察圖4可以得到，不同規格路基箱的承載能力在地基基床系數變化下具有相同變化規律，即隨著地基基床系數的增大，路基箱的承載能力也隨之增加。當地基基床系數一定時，考慮路基箱規格對路基箱承載能力的影響，結合表2中的路基箱模型尺寸，從編號為M1到M7的路基箱總體尺寸增加，即路基箱整體規格逐漸加大。因此可以得到，隨著路基箱整體規格的加大，路基箱所能承載的能力明顯增大。但從M2與M3的曲線比較來看，當地基基床系數較小時，M3的承載能力比M2的大，而隨著基床系數的增加，M2的承載能力卻比M3的大，所以在地基基床系數的不同范圍，路基箱的高度和各板厚對路基箱承載能力的影響不同。

3.2 路基箱變形與地基條件的關系

圖5為荷載作用下采用ANSYS分析得到的路基箱變形圖。根據圖5可以得到圖6所示的一般情況下路基箱沉降變形示意圖。圖7、圖8為路基箱最大沉降和相對變形與地基基床系數的關系圖。路基箱最大沉降和相對變形都是設計中需要嚴格控制的變形量,它們對吊車工作時的安全性起著重要影響。由圖6可知,當路基箱的相對變形過大,吊車有可能出現傾覆等情況,并且對于路基箱的受力,其均布荷載對受力面的作用而產生的應力分布將可能出現應力集中等現象,導致路基箱進入彈塑性狀態。從圖7和圖8可以看出，隨地基土基床系數的增大，基礎的位移最大值和路基箱自身相對變形都不斷減小。路基箱的最大位移和相對變形基本保持相同變化規律，且最大位移受地基土條件影響較大。隨著地基變軟，基床系數k<10 MPa/m，地基為淤泥質土或軟弱黏性土地基時，基礎沉降明顯增大。其主要原因是路基箱底部應力分配不均勻，作用于軟土地基上時由于土體材料的非線性效應，荷載對地基沉降的影響增大，導致路基箱最大位移和相對變形都增加。在地基條件不變的情況下，隨著路基箱的高度和各板厚的增加，路基箱最大位移增大了，但是路基箱自身相對變形卻逐漸減小，并且，在地基基床系數較小，即地基土較軟時，路基箱的自身變形和最大位移隨路基箱規格變化更加明顯。這表明，在選擇路基箱時要將最大位移和自身相對變形綜合考慮，并兼顧經濟因素而選取最合適的路基箱。

圖5 路基箱變形圖ANSYSFig.5 Ansys data gragh of deformation of welded grillage slabs

圖6 路基箱變形示意圖Fig.6 Deformation of welded grillage slabs

圖7 路基箱在不同基床系數下的最大位移Fig.7 Maximum displacement of welded grillage slabs under different ground conditions

圖8 路基箱在不同基床系數下的相對位移Fig.8 Relative displacement of welded grillage slabs under different ground conditions

4 結論與建議

利用有限元軟件ANSYS分析了多種規格路基箱在不同地基條件下的受力和變形情況，由分析結果可得到以下結論：

(1) 在相同地基條件下，隨著路基箱的高度和各板厚的增加，路基箱的承載能力增大，即可以顯著提高路基箱的受力性能。當考慮一種路基箱在不同地基條件下的變形情況時，隨著地基基床系數的增大，路基箱的最大位移和自身相對變形都越來越小，并且當地基基床系數k<10 MPa/m，地基為淤泥質土或軟弱黏性土地基時，基礎沉降明顯增大。因此盡量不要將路基箱設置在淤泥及軟弱黏土層等地基剛度較小的地基層，以避免路基箱的變形造成工程事故。若實際工程中不可避免的碰到淤泥質土或軟弱黏性土地基時，可根據實際情況采用適當方法對地基進行處理后再鋪設路基箱。

(2) 路基箱使用單位可以根據路基箱承載能力和地基土條件參考本文結果初步確定路基箱的高度和各板厚。

(3) 考慮到模型與實際情況仍存在差異，以及加工制作的誤差，路基箱初始彎曲變形等未知因素的影響，為了確保吊機實際工作過程中的安全性，初選的路基箱在實際工作前應進行必要的測試和試吊。在試吊過程中，吊載重量分步增加，每步增加值不超過200 t，在吊載增加過程中觀測路基箱的變形，如發現變形不均或變形過大，需停止繼續加載，分析原因后才能繼續加載。

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