王燕，劉欣梅

（中交天津港灣工程設計院有限公司，天津300461）

斜樁在大型皮帶機工程中的應用設計

王燕，劉欣梅

（中交天津港灣工程設計院有限公司，天津300461）

近年來，大型皮帶機在港口、散貨運輸中的廣泛應用為結(jié)構(gòu)設計提出了新問題，皮帶機的運行，尤其是啟動和制動導致皮帶機基礎承擔較大的水平荷載。若采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的垂直基樁抵抗水平荷載，需要基樁的數(shù)量較多，不經(jīng)濟。通過在設計中應用二維樁結(jié)構(gòu)線性彈性地基反力法的計算理論，為斜樁承擔皮帶機的水平力提供理論計算支持，實現(xiàn)了設計應用技術上的創(chuàng)新。采用斜樁和直樁相結(jié)合的設計方案較好地解決了問題，并且可以縮短施工工期、節(jié)約工程造價。

皮帶機；斜樁；水平力；二維樁結(jié)構(gòu)

港口是交通運輸大動脈的樞紐，是水上運輸和陸上運輸?shù)穆?lián)接點。港口散裝物料運輸具有進出運輸量大的特點，尤其需要注重安全和高效，因此需要采用自動化、專業(yè)化的運輸工藝。皮帶機運輸在特定區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)了貨物的快速轉(zhuǎn)接和運輸，越來越大型的皮帶機和轉(zhuǎn)接設備的興建，也對建筑結(jié)構(gòu)設計技術提出了更高的要求。這種大型皮帶機的啟動和制動裝置，運行時產(chǎn)生的水平荷載，采用何種基礎類型實現(xiàn)力的合理傳遞，是歷來港口軟土地基設計的一大難題。傳統(tǒng)的解決方法是采用足夠數(shù)量的直樁來抵抗水平荷載，這種方法需要基樁的數(shù)量較多，不經(jīng)濟。本文采用二維樁結(jié)構(gòu)線性彈性地基反力法[1]，主要依靠斜樁承擔皮帶機的水平力，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設計技術創(chuàng)新，節(jié)約了工程造價，可以推廣使用。

1 工程概況

本文涉及工程為約6.1 km運輸皮帶機，位于廣東省珠海市高欄港區(qū)內(nèi)，分3段進行設計建設，第一段皮帶機總長度1.5 km，第二段皮帶機總長度2.3 km，第三段皮帶機總長度2.3 km。

2 設計條件

本工程項目設計使用年限為50 a，基本風壓0.85 kN/m2，抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度值0.10g，設計地震分組為第一組，抗震設防類別為丙類，場地類別為Ⅲ類。結(jié)構(gòu)安全等級為二級，建筑抗震設防類別為丙類。

3 方案選擇

皮帶機基礎的設計難點在于，皮帶機基礎受軸力相對較小、水平力和彎矩相對較大。若采用傳統(tǒng)的垂直基樁和承臺的設計方案，會造成基樁豎向承載能力的較大浪費，因此需要采用合理的設計方法來解決這一難題，以一段約580 m長的皮帶機為例，進行方案比選。

本段皮帶機驅(qū)動裝置在啟動時對基礎產(chǎn)生的水平荷載為2 205 kN，彎矩為3 370 kN·m，軸壓力為3 020 kN，另一方向荷載相對較小。

3.1 方案1：φ700 mm直灌注樁

采用φ700 mm直灌注樁，水平承載力特征值52 kN，根據(jù)相關規(guī)范[2-5]進行計算，需要28根樁，承臺尺寸9.8 m×18.17 m×1.5 m，其布置如圖1所示。

3.2 方案2：φ600 mm直管樁

采用φ600 mm的PHC直管樁，水平承載力特征值39 kN，根據(jù)相關規(guī)范[2-5]進行計算，需要40根樁，承臺尺寸10.8 m×18.0 m×1.5 m，其布置如圖2所示。

圖1 φ700 mm直灌注樁方案Fig.1Plan of φ700 mm bored piles

圖2 φ600 mm直管樁方案Fig.2 Plan of φ600 mm tubular piles

3.3 方案3：φ600 mm直管樁+斜管樁

采用φ600 mm的PHC直管樁+斜管樁（斜樁斜度為1∶5）。采用二維樁結(jié)構(gòu)線性彈性地基反力法相關理論進行分析。

1）假設樁結(jié)構(gòu)物是二維的，把承臺看作剛體，樁頭與承臺為完全剛接或完全鉸接，樁頭剛度系數(shù)k1、k2、k3、k4、kv與荷載無關，是常數(shù)。

2）假設作用于基礎承臺形心的總外荷載為水平荷載H0、垂直荷載V0和彎矩M0，受力分析如圖3所示。

圖3 剛性承臺二維樁示意圖Fig.3Sketch of rigid capping 2-D pile structure

3）力的平衡關系為：

式中：Hi、Vi為分解給各樁頭的水平、垂直荷載分量；Mti為分解給各樁頭的外力矩。

由于承臺是剛性的，所以設群樁形心處的水平位移為u0，豎直方向的位移為v0，剛性承臺轉(zhuǎn)角位移θ0。結(jié)合式（1）列出關于u0、v0、θ0的三元聯(lián)立方程，見式（2）。

式中：承臺底部水平（yi=0），則對角元素A**可簡化為式（3）、式（4）。

把式（3）和式（4）帶入式（2）求出群樁在形心處的水平位移u0、ν0和θ0。因為θ0一般很小，可近似取0。

式中：k1i、k2i、k3i、k4i為樁頭剛度系數(shù)；kvi為樁的軸向彈性系數(shù)。k1i為當樁頭只產(chǎn)生垂直樁軸方向的單位位移時，在樁頭上應該作用的垂直樁軸方向的力；k2i為當樁頭只產(chǎn)生單位轉(zhuǎn)角時，在樁頭上應該作用的垂直樁軸方向的力；k3i為當樁頭只產(chǎn)生垂直樁軸方向的單位位移時，在樁頭上應該作用的垂直樁軸方向的力矩；k4i為當樁頭只產(chǎn)生單位轉(zhuǎn)角時，在樁頭上應該作用的垂直樁軸方向的力矩；kvi為當樁頭產(chǎn)生樁軸方向單位位移時，在樁頭上應該作用的樁軸方向的力；φi為各樁傾斜角；ui′、vi′為垂直樁軸及沿樁軸方向樁頭的位移；ui、vi為樁頭的水平位移及豎直方向的位移；xi、yi為各樁軸到承臺形心的x向距離和y向距離[1，6]。

求出ui′、vi′后，進行內(nèi)力配筋計算。

4）根據(jù)二維樁結(jié)構(gòu)線性彈性地基反力法的理論計算結(jié)果分析，斜樁承擔了絕大部分的水平荷載作用。在設計過程中，為簡化計算，可將水平荷載全部由斜樁承擔，垂直荷載由直樁和斜樁共同承擔。雖然有一些誤差，但在工程設計中是可行的。

5）經(jīng)計算，需14根樁（7根直樁，7根斜樁），承臺尺寸6.77 m×16.4 m×1.5 m，布置見圖4。

圖4 φ600 mm直管樁+斜管樁方案Fig.4Plan of φ600 mm tubular piles and raking piles

3.4 方案選擇

1）由于方案3采用了數(shù)量較少的基樁，故可以節(jié)省皮帶機基礎結(jié)構(gòu)占用的空間，使結(jié)構(gòu)布置更加合理，空間使用更靈活；

2）方案3基樁數(shù)量少，承臺體積小，節(jié)約混凝土和樁基用量，從而縮短工期、節(jié)約工程造價；

3）通過3種方案的對比，綜合建議采用方案3“φ600 mm直管樁和斜管樁相結(jié)合”的方案。

4 工程造價比較

以上3種方法均能實現(xiàn)皮帶機水平荷載與地基之間的傳遞，3種方案的工程造價比較見表1。

表1 承臺工程造價方案比較Table 1Comparison of costs schemes

經(jīng)對比可以看出，方案3斜樁與直樁相結(jié)合的方案比方案1直灌注樁方案樁用量減少50%，混凝土用量減少38%，比方案2直管樁方案樁用量減少65%，混凝土用量減少43%。

綜合進行比較，采用斜樁方案能夠節(jié)省工程造價約45%，因此，對于承受較大水平力的皮帶機基礎及類似的設備基礎來說，采用方案3斜樁的處理方法，經(jīng)濟效益非常明顯。

5 結(jié)語

1）通過在設計中應用二維樁結(jié)構(gòu)線性彈性地基反力法的計算理論，為斜樁主要承擔皮帶機的水平力提供理論計算支持，實現(xiàn)了設計應用技術上的創(chuàng)新。

2）經(jīng)濟效益明顯。通過斜樁抵抗水平力、斜樁與直樁共同抵抗豎向力的設計方法與傳統(tǒng)處理方法進行比較，斜樁方案能夠縮短工期、節(jié)約工程造價。

3）采用斜樁抵抗水平力的設計，減少了皮帶機基礎結(jié)構(gòu)占用的空間，使結(jié)構(gòu)布置更加合理，空間使用更靈活。

[1]橫山幸滿.樁結(jié)構(gòu)物的計算方法和計算實例[M].唐業(yè)清，譯.北京：中國鐵道出版社，1984. YOKOYAMA Yukima.Calculation method and practical examples for pile structures[M].TANG Ye-qing,translate.Beijing:China Railway Publishing House,1984.

[2]JGJ 94—2008，建筑樁基技術規(guī)范[S]. JGJ 94—2008,Technical code for building pile foundations[S].

[3]GB 50007—2011，建筑地基基礎設計規(guī)范[S]. GB 50007—2011,Code for design of building foundation[S].

[4]GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S]. GB 50010—2010,Code for design of concrete structures[S].

[5]GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]. GB 50009—2012,Load code for the design of building structures [S].

[6]王守忠，李金華.單樁結(jié)構(gòu)物的計算方法[J].港工技術，1988（1）：1-14. WANG Shou-zhong,LI Jin-hua.Calculation method for single pile structures[J].Harbor Engineering Technology,1988(1):1-14.

Application design of raking pile on large-scale belt conveyor

WANG Yan,LIU Xin-mei
（Tianjin Port Engineering Design&Consulting Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China）

In recent years,the wide application of large-scale belt conveyor in port and bulk cargo has put forward new problems for structural design.Operation of belt conveyor,especially the starting and braking,always cause great horizontal load on its foundation.If the vertical pile is used to resist horizontal load in traditional structure,a huge quantity of piles are required and uneconomical.In this paper,the linear and elastic foundation counterforce method is adopted for 2-dimensional pile structure,which provides theoretical support for the horizontal force of raking pile bearing belt conveyor,and realizes the innovation of design,application and technology.The design scheme combining the raking pile and the straight pile can solve the problem better,and can shorten the construction period and save the project cost.

belt conveyor;raking pile;horizontal force;2-D pile structure

U655.544；U653.922

A

2095-7874（2017）07-0044-04

10.7640/zggwjs201707010

2017-04-09

2017-05-16

王燕（1969—），女，天津市人，工程碩士，高級工程師，副總經(jīng)理，副總工程師，工業(yè)與民用建筑專業(yè)。E-mail：1244695900@qq.com