大吊车荷载作用下附加应力影响范围研究

大吊车荷载作用下附加应力影响范围研究

申浩 陶泽远

中国核电工程有限公司河北分公司，河北石家庄市

摘要：随着核电建设要求不断提高，“沟道先行”逐渐成为各项目的普遍要求。通过这一措施可以有效缩短施工周期、降低总承包成本、提供完整的地上施工作业面，塑造整齐、有序的现场形象。本文通过分析“沟道先行”对设计阶段的影响，详细研究了核电地下沟道在大件吊装荷载作用下的影响范围，为后续进行结构设计做好了铺垫。

关键字：沟道先行；大件吊装；附加应力；裂缝计算

1.研究背景：

各类大型设备及模块的吊装作业伴随着核电项目整个建安施工阶段。以往项目的常规做法是在大件吊装作业完成后再进行二次开挖施工地下沟道，或采取临时加固措施（例如在沟道内部加设施工临时支撑），即无需在设计阶段考虑大件吊装荷载作用对沟道的影响。而目前随着核电建设的要求不断提高，“沟道先行”逐渐成为各项目的普遍要求。“沟道先行”要求改变以往项目的施工顺序，首先施工地下沟道，一次性施工完成，回填后不再进行二次开挖。采取这一措施可以有效缩短施工周期、降低总承包成本、提供完整的地上施工作业面，塑造整齐、有序的现场形象。

综上所述，“沟道先行”要求必须在设计阶段就考虑大件吊装作用对沟道的影响，这对结构设计提出了更高的要求。对核电地下沟道在大件吊装作用下的附加应力影响范围研究，既可以保证吊装作业时大吊车的安全运行，也可以让沟道设计合理适用、安全经济，具有十分重要的意义。

2附加应力的扩散作用

为了说明地基中附加应力的扩散，假设地基土粒为无数直径相同、水平放置的刚性光滑小圆柱，按平面问题考虑。设地表受一个集中力P=1的作用，如图1所示：

图1 附加应力扩散示意图

图中第一层由一个小圆柱受力，P=1，第二层两个小圆柱同时受力，各为P/2，第三层三个小圆柱受力，两侧小圆柱各受力P/4，中间小圆柱受2P/4，….，依次类推。由图可见，地表的集中力传播越深，受力的小圆柱就越多。每个小圆柱所受的力也就越小。需要说明的是，如果小圆柱的表面不是光滑的，圆柱之间将有摩擦作用。

可以看出，地基中的附加应力分布具有下列规律：1.在地面下任一深度的水平面上，各点的附加应力非等值，在集中力作用线上的附加应力最大，向两侧逐渐减小。2.距离地面越远，附加应力分布的范围越广，在同一竖向线上的附加应力随深度而变化。超过某一深度后，深度越大，附加应力越小。这些规律即地基中附加应力的扩散作用。此规律与一根柱体受集中荷载后情况完全不同。柱体受集中荷载后，沿柱体长度方向，各水平截面上的应力基本不变并未发生扩散作用。

3 附加应力的计算方法

3. 1 弹性分析法

目前《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）中采用的地基附加应力计算方法，是根据弹性理论推导出来的。因此，对地基作下列几点假定：1）地基是半无限空间弹性体；2）地基是连续均匀的；3）地基是各向同性的。

在半无限空间表面上作用一竖向集中力F时，半空间内任意一点的应力和位移的弹性力学解，是由法国的布辛奈斯克1885年首先提出。矩形分布荷载在地基中引起的应力可以采用积分的方法得出。

3.2应力扩散法

压力扩散角这一概念是从实用角度出发，假设基底处的附加应力往下传播时，按照一定的角度向外扩散，并均匀分布在扩散后的面积上。根据扩散前后总压力相等的条件，可以计算出扩散后的压力。

压力扩散角的计算方法一般应用到具有软弱下卧层的双层地基的附加应力计算中，通过不同的扩散角度，可以考虑双层土不同弹性模量的影响。其实双层土的压力扩散作用存在理论解，但是按照前面所述的弹性力学计算方法过于复杂，不便于工程应用。

而土体的扩散角一般是通过试验的得出的。《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）中验算软弱下卧层时，采用的地基压力扩散角就是由实测的软土层顶地基压力值反算得到的，而它也仅适用于进行软弱下卧层地基验算，对其他情况不一定适用。因此，应力扩散法是一种简化算法，该方法得出的附加应力是一定范围内的平均值，当计算沟道处附加应力时，此方法不准确、不安全。

4 附加应力影响范围的计算

大件吊装荷载作用工况下，沟道的荷载主要为土重产生的恒荷载，以及大吊车产生的吊车荷载。没有大件吊装工况时，沟道的荷载主要为土重产生的恒荷载以及10kN/m2的地面荷载。因此可认为，当大吊车荷载产生的土中附加应力小于10kN/m2时，大吊车荷载对沟道的影响可忽略不计，但此范围较大，为了设计的简便，将大吊车荷载产生的土中附加应力大于10kN/m2且小于土重的10%时，较保守的取土重的10%计算配筋量。即在进行沟道设计时：1）当大吊车荷载产生的土中附加应力小于10kN/m2时，不考虑大吊车荷载的影响；2）当大吊车荷载产生的土中附加应力大于10kN/m2且小于土重的10%时，取土重的10%计算配筋量；3）当大吊车荷载产生的土中附加应力大于土重的10%时，按实际大吊车荷载计算配筋量。因此划分出土自重应力的10%等值线以及10kN/m2单元应力等值线对沟道设计具有重要的意义。

使用平面应变单元模拟土体，在最上层局部单元表面施加吊车荷载，计算后求解吊车荷载引起的单元应力与土自重应力的10%等值线以及10kN/m2单元应力等值线，并采取分段折线包络方法求出吊车荷载影响范围。综合已完工以及正在完工项目实际情况，埋深统计至30m，计算结果如下图2。

图2 附加应力影响范围示意图

5.总结

本文总结归纳了目前常用的土中附加应力计算方法，指出规范中规定的压力扩散角法仅考虑力的计算值和实际值的符合，无法反应土中附加应力真实的扩散分布情况。创新性的提出了采用土自重应力的10%等值线以及10kN/m2单元应力等值线来指导设计。