黃浦江畔大型機(jī)械吊裝對(duì)防汛墻的影響分析及防治措施

      作者:唐葆華    
      時(shí)間:2010-08-13 21:33:06 [收藏]
      摘 要:本文以上海港國(guó)際客運(yùn)中心鋼結(jié)構(gòu)工程為實(shí)例,著重介紹了大型吊機(jī)在黃浦江畔施工對(duì)周邊復(fù)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(shí)施效果。 關(guān)鍵詞: 大型吊機(jī);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(jī) 械 吊裝
         0 引言
        隨著我國(guó)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(lái)越大,而因工程環(huán)境的不同,為了滿(mǎn)足工程施工,不少特大工程施工所用均采用了大型吊機(jī),如浦東機(jī)場(chǎng)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??紤]的是吊機(jī)位置的基礎(chǔ)或結(jié)構(gòu)能否滿(mǎn)足要求,而往往忽略了吊車(chē)施工中對(duì)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(gè)容易被忽視的盲區(qū)。如果不進(jìn)行周全的考慮,造成的后果可能會(huì)無(wú)法估量。本文以上海港國(guó)際客運(yùn)中心候船樓鋼結(jié)構(gòu)施工為例,重點(diǎn)介紹黃浦江畔大型機(jī)械吊裝對(duì)周邊防汛墻的影響分析及防治措施。
        1 工程概況
        上海港國(guó)際客運(yùn)中心候船樓工程(俗稱(chēng)“一滴水”)為上海市打造航運(yùn)中心的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一,其奇特輕巧的造型設(shè)計(jì),高科技含量、完美的功能配備,成為上海未來(lái)發(fā)展的標(biāo)志性建筑。候船樓位于黃浦江畔,架空于客運(yùn)中心中央公園上方,離地13米,建筑面積約4000平方米,見(jiàn)圖1。
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        為了滿(mǎn)足鋼結(jié)構(gòu)船上運(yùn)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(jī)械之一,布置在客運(yùn)中心地下室的東南角上(見(jiàn)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(shí)老防汛墻建造時(shí)間久遠(yuǎn),結(jié)構(gòu)局部已產(chǎn)生傾斜,且吊車(chē)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

        2  600t履帶吊布置圖

         

        來(lái)極大的生命財(cái)產(chǎn)損失和社會(huì)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(duì)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(duì)鋼結(jié)構(gòu)吊裝對(duì)防汛墻和周邊土體的影響進(jìn)行分析。
         
        2.1吊機(jī)區(qū)域內(nèi)土質(zhì)情況
        根據(jù)勘察報(bào)告,該區(qū)域的土質(zhì)情況見(jiàn)下表:
        表1土體的土質(zhì)參數(shù)
        名稱(chēng)
        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(jī)模型的建立
        經(jīng)對(duì)吊裝工況進(jìn)行簡(jiǎn)化后的受力狀態(tài)見(jiàn)圖3。在二維的基礎(chǔ)上,模型土質(zhì)、約束條件等進(jìn)行假定,建立三維有限元模擬。為簡(jiǎn)化計(jì)算模型,考慮到整個(gè)計(jì)算區(qū)域呈對(duì)稱(chēng)形式,以吊車(chē)停放中心為對(duì)稱(chēng)軸,建立半側(cè)模型,并施加相應(yīng)荷載和邊界約束,形式見(jiàn)下圖4。
         
        2.3吊機(jī)區(qū)域土場(chǎng)模型計(jì)算分析
        為模擬施工現(xiàn)場(chǎng)土體的初始應(yīng)力場(chǎng),建模過(guò)程中共分4個(gè)施工階段,前3個(gè)階段用于模擬地場(chǎng)和結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)力,并平衡土體自重,第4階段為實(shí)際吊機(jī)施工工況。經(jīng)計(jì)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(jiàn)下圖5。
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        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(duì)稱(chēng)特性,平行防汛墻走向的位移(y軸)較小,且不對(duì)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(jiàn)圖6。

         

        \
        計(jì)算結(jié)果表明在吊車(chē)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(shì)。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(jiàn)表2。
        表2 吊車(chē)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(jì)算結(jié)構(gòu),對(duì)防汛墻及其樁體進(jìn)行局部模型分析。經(jīng)計(jì)算,模型中防汛墻及其樁體在吊車(chē)荷載作用下的變形見(jiàn)圖7。
        \
        上述圖示可見(jiàn)防汛墻及下覆樁體的水平變形呈上小下大趨勢(shì),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(chē)吊裝施工產(chǎn)生的附加荷載很大,對(duì)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(dāng)土層的上隆變形發(fā)生后,可能造成坡體滑塌,進(jìn)而影響樁體和上方防汛墻體的安全。所以從計(jì)算結(jié)果出發(fā),整個(gè)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(hù)措施恨可能發(fā)生破壞。
        3 針對(duì)分析結(jié)果的加固措施的比選
        經(jīng)過(guò)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(hù)措施有以下幾種:
        (1)移動(dòng)原吊車(chē)停放位置,使其與防汛墻的距離增大。
        (2)加固吊車(chē)位置下方的土體,加打攪拌樁或旋噴加固。因?yàn)榻?jīng)多次計(jì)算加固土體可以有效減小土體變形。
        (3)針對(duì)河床坡體的淤泥質(zhì)軟土層進(jìn)行一定的處理,如加壓拋石或水下澆混凝土保護(hù)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(kuò)大路基箱面積,以減小傳遞至地面的壓強(qiáng)載荷。
        (5)通過(guò)構(gòu)筑樁基承臺(tái),將上部荷載直接傳至持力層上,有效緩解附加荷載對(duì)軟弱土層的影響。
        結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,對(duì)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(chē)位置移動(dòng)較為困難;(2)中,由于該區(qū)域?yàn)樵姥磯?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(duì)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(hù)面層受到很大限制,且此方案可行性須進(jìn)行水務(wù)部門(mén)專(zhuān)家論證,較為繁瑣;(4)和(5)相對(duì)而言比較容易實(shí)施。
        4加固措施的實(shí)施
        通過(guò)上述各加固設(shè)想的比較分析,最終確定采用擴(kuò)大路基箱面積與樁基承臺(tái)組合的加固方式。采用承重樁基結(jié)合基坑原有圍護(hù)體系承受上部荷載,將履帶吊自重及負(fù)荷利用樁體傳入下層土體,減輕上層土體的負(fù)荷,避免土體滑坡,減少吊機(jī)重荷載對(duì)防汛墻穩(wěn)定性的影響。樁基承重體系如圖8所示。 
        \
        5 實(shí)施效果
        對(duì)吊車(chē)基礎(chǔ)進(jìn)行加固后,為了觀測(cè)吊車(chē)施工對(duì)防汛墻的影響,專(zhuān)門(mén)在履帶吊邊的防汛墻上設(shè)置了3個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)和位移觀測(cè)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)三個(gè)多月的觀測(cè),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(mén)規(guī)定的允許偏位值。
        實(shí)施的結(jié)果表明,通過(guò)對(duì)吊車(chē)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(duì)周邊環(huán)境的影響。
         
         
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