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黃浦江畔大型機械吊裝對防汛墻的影響分析及防治措施

作者：唐葆華    
時間：2010-08-13 21:33:06 [收藏]
摘 要：本文以上海港國際客運中心鋼結(jié)構(gòu)工程為實例，著重介紹了大型吊機在黃浦江畔施工對周邊復雜環(huán)境，特別是防汛墻的影響分析，以及防治措施的構(gòu)想和實施效果。 關(guān)鍵詞： 大型吊機；防汛墻；鋼結(jié)構(gòu)施工；結(jié)構(gòu)分析
    關(guān)鍵詞：黃浦江畔 大型機 械 吊裝
     0 引言
    隨著我國鋼結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的造型和體量也越來越大，而因工程環(huán)境的不同，為了滿足工程施工，不少特大工程施工所用均采用了大型吊機，如浦東機場二期的600t履帶吊，廣州電視塔采用的1200t.m塔吊。但在鋼結(jié)構(gòu)施工中，我們通常考慮的是吊機位置的基礎(chǔ)或結(jié)構(gòu)能否滿足要求，而往往忽略了吊車施工中對特殊環(huán)境中的影響分析，這也是鋼結(jié)構(gòu)施工和地基施工分界面上一個容易被忽視的盲區(qū)。如果不進行周全的考慮，造成的后果可能會無法估量。本文以上海港國際客運中心候船樓鋼結(jié)構(gòu)施工為例，重點介紹黃浦江畔大型機械吊裝對周邊防汛墻的影響分析及防治措施。
    1 工程概況
    上海港國際客運中心候船樓工程（俗稱“一滴水”）為上海市打造航運中心的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，其奇特輕巧的造型設(shè)計，高科技含量、完美的功能配備，成為上海未來發(fā)展的標志性建筑。候船樓位于黃浦江畔，架空于客運中心中央公園上方，離地13米，建筑面積約4000平方米，見圖1。
    \
    為了滿足鋼結(jié)構(gòu)船上運輸和大跨度吊裝以及工期的需要，本工程選用了大型的600t履帶吊作為主要起重機械之一，布置在客運中心地下室的東南角上（見圖2）。如圖所示，600噸履帶吊停放位置又緊靠老防汛墻，因其自重大，同時老防汛墻建造時間久遠，結(jié)構(gòu)局部已產(chǎn)生傾斜，且吊車施工期間正處于汛期，如果使用期間造成防汛墻發(fā)生傾覆或墻外坡體滑塌等意外事故，將帶

    圖2  600t履帶吊布置圖

     

    來極大的生命財產(chǎn)損失和社會影響。

     

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    2吊裝工況分析
    為了減少鋼結(jié)構(gòu)施工對周邊環(huán)境的影響，保證施工期間防汛墻體的安全，本工程對鋼結(jié)構(gòu)吊裝對防汛墻和周邊土體的影響進行分析。
     
    2.1吊機區(qū)域內(nèi)土質(zhì)情況
    根據(jù)勘察報告，該區(qū)域的土質(zhì)情況見下表：
    表1土體的土質(zhì)參數(shù)
    名稱
    厚度（m）
    C（kpa）
    摩擦角
    重度kn/m3
    彈性模量(mpa)
    填土
    3.9
    0
    17
    18
    5.6
    粘質(zhì)粉土
    4.6
    4
    18
    17.8
    6.165
    淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土
    3.6
    10
    18
    17.3
    3.714
    淤泥質(zhì)粘土
    7.1
    14
    11
    16.3
    3.5
    粉質(zhì)粘土
    8.3
    17
    17
    18
    4.7
     
    2.2吊機模型的建立
    經(jīng)對吊裝工況進行簡化后的受力狀態(tài)見圖3。在二維的基礎(chǔ)上，模型土質(zhì)、約束條件等進行假定，建立三維有限元模擬。為簡化計算模型，考慮到整個計算區(qū)域呈對稱形式，以吊車停放中心為對稱軸，建立半側(cè)模型，并施加相應(yīng)荷載和邊界約束，形式見下圖4。
     
    2.3吊機區(qū)域土場模型計算分析
    為模擬施工現(xiàn)場土體的初始應(yīng)力場，建模過程中共分4個施工階段，前3個階段用于模擬地場和結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)力，并平衡土體自重，第4階段為實際吊機施工工況。經(jīng)計算，模型中防汛墻結(jié)構(gòu)和周邊巖土體由于附加施工荷載產(chǎn)生的x軸（水平南－北方向）的變形見下圖5。
    \

    圖5 整體x軸方向水平位移

     
    圖6 整體z軸方向水平位移

    由于模型的軸對稱特性，平行防汛墻走向的位移（y軸）較小，且不對防汛墻和墻外坡體的穩(wěn)定產(chǎn)生影響，而模型整體的z軸方向的上隆或沉降變形見圖6。

     

    \
    計算結(jié)果表明在吊車附加荷載的作用下，防汛墻和墻外坡體都產(chǎn)生了一定的變形。防汛墻的x軸向位移不明顯，防汛墻z軸豎直向位移也較小，且都呈沉降趨勢。然而墻外坡體變形較為顯著，特別是在淤泥質(zhì)土層這一軟弱層，水平向發(fā)生明顯的內(nèi)陷和外凸，豎直向的隆起和沉降變形更為明顯，相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。
    表2 吊車荷載作用下墻體和坡體的變位值

    范圍

     
    水平
    豎直
    外傾（凸）
    內(nèi)傾（陷）
    隆起
    沉降
    防汛墻體
    MAX
    6.12mm
    1mm
     
    6.55mm
    MIN
    0.26mm
    0.146mm
     
    2.91mm
    墻外坡體
    MAX
    3.665cm
    68.6cm
    1.199m
    1.516cm
    MIN
    2.4E-5 m
    6E-6 m
    1E-6 m
    1E-6 m

     

    結(jié)合上述計算結(jié)構(gòu)，對防汛墻及其樁體進行局部模型分析。經(jīng)計算，模型中防汛墻及其樁體在吊車荷載作用下的變形見圖7。
    \
    上述圖示可見防汛墻及下覆樁體的水平變形呈上小下大趨勢，特別是左樁樁端的外曲擾度較大，這與樁端土層為淤泥質(zhì)軟土有關(guān)。
    分析結(jié)果可知由于吊車吊裝施工產(chǎn)生的附加荷載很大，對防汛墻和墻外河床坡體產(chǎn)生了一定的影響。防汛墻本身的變形并不明顯，但是由于防汛墻下方的樁插入深度較淺，且樁端位于十分軟弱的淤泥質(zhì)土層，其擋土效應(yīng)降低，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生了“踢腳”效應(yīng)，使得淤泥質(zhì)土層在坡面上呈整體上隆。當土層的上隆變形發(fā)生后，可能造成坡體滑塌，進而影響樁體和上方防汛墻體的安全。所以從計算結(jié)果出發(fā)，整個防汛墻的安全性受600噸塔吊影響較大，如果不采取一定的保護措施恨可能發(fā)生破壞。
    3 針對分析結(jié)果的加固措施的比選
    經(jīng)過三維模型的分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)模型變形受上部荷載、與防汛墻體的距離以及土體彈模影響等較為敏感，因此初步擬定可供參考的保護措施有以下幾種：
    （1）移動原吊車停放位置，使其與防汛墻的距離增大。
    （2）加固吊車位置下方的土體，加打攪拌樁或旋噴加固。因為經(jīng)多次計算加固土體可以有效減小土體變形。
    （3）針對河床坡體的淤泥質(zhì)軟土層進行一定的處理，如加壓拋石或水下澆混凝土保護面層，或使用噴錨混凝土，土工格柵等局部加固措施提高該層坡面的穩(wěn)定性。
    （4）擴大路基箱面積，以減小傳遞至地面的壓強載荷。
    （5）通過構(gòu)筑樁基承臺，將上部荷載直接傳至持力層上，有效緩解附加荷載對軟弱土層的影響。
    結(jié)合現(xiàn)場實際情況，對各加固構(gòu)想的分析，發(fā)現(xiàn)（1）中，由于海關(guān)大樓和地下室的影響，吊車位置移動較為困難；（2）中，由于該區(qū)域為原防汛墻內(nèi)側(cè)區(qū)域，地下5m范圍內(nèi)存在大量石塊、混凝土壓梁等，對下部土體加固較困難；（3）中，由于墻體外碼頭已經(jīng)修筑完畢，加壓拋石或水下澆混凝土保護面層受到很大限制，且此方案可行性須進行水務(wù)部門專家論證，較為繁瑣；（4）和（5）相對而言比較容易實施。
    4加固措施的實施
    通過上述各加固設(shè)想的比較分析，最終確定采用擴大路基箱面積與樁基承臺組合的加固方式。采用承重樁基結(jié)合基坑原有圍護體系承受上部荷載，將履帶吊自重及負荷利用樁體傳入下層土體，減輕上層土體的負荷，避免土體滑坡，減少吊機重荷載對防汛墻穩(wěn)定性的影響。樁基承重體系如圖8所示。 
    \
    5 實施效果
    對吊車基礎(chǔ)進行加固后，為了觀測吊車施工對防汛墻的影響，專門在履帶吊邊的防汛墻上設(shè)置了3個沉降觀測點和位移觀測點。經(jīng)過三個多月的觀測，數(shù)據(jù)顯示，防汛墻的最大側(cè)向偏位為8mm，最大沉降值為17mm，符合防汛部門規(guī)定的允許偏位值。
    實施的結(jié)果表明，通過對吊車基礎(chǔ)的加固，有效控制了防汛墻的偏位，減少了黃浦江畔鋼結(jié)構(gòu)施工對周邊環(huán)境的影響。
     
     
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