姜志建1 焦 博2 徐金帅31 中核机械工程有限公司 嘉兴 314300 2 大连益利亚工程机械有限公司 大连 1160233 大连理工大学 大连 116023
摘 要：通过对路基箱结构模型和计算模型的分析，并考虑地基影响因素，通过实际加载试验，分析检验路基箱在实际使用情况下的工作性能和状态，确定路基箱实际分载能力，并将测得的路基箱实际分载能力与理论分析结果进行对比，检验了理论分析模型和结果的可靠性，并对路基箱的使用提出了建议。
关键词：履带起重机；核电；路基箱；分载性能
0 引言随着国内大型吊装工程中重型设备和模块增多，大型履带起重机使用越来越频繁，而吊装施工作业时起重机履带对地的压强非常大，对地基的承载力要求很高，处理成本相对较大。为了降低吊装时履带起重机对承载力的要求，吊装施工中普遍采用铺设路基箱的方法进行分载[1]。
起重机厂家通过说明书及模拟软件仅能提供在最大负载情况下大型履带起重机接地比压的数据，对路基箱及地基基础处理强度的计算分析需要施工单位进行计算。分载能力是路基箱的关键性能参数，其大小将直接决定地基的处理难度和成本，亦对大型履带起重机的安全有直接影响。由于路基箱工作时的受力复杂，难以确定符合实际的计算模型，故很难判断有限元分析得到的分载数据是否准确以及路基箱分载能力是否能满足地基的分载需求。
目前，国内大型吊装企业对路基箱使用主要基于使用经验，主要有两种计算方法：一种是认为履带和路基箱是刚性体，可按照履带面积与路基箱面积的比值作为衡量分载性能的标准。例如石化行业的大型履带起重机在使用时均按照路基箱总面积作为整个受压面来计算分载性能，从而提出地基处理要求。另一种认为履带和路基箱是弹性连接体，路基箱是通过变形来进行分载的，根据地基的基床系数不同，分载能力不同。例如电建行业的大型履带起重机在使用时对路基箱的接地面积进行70% 折减，认为路基箱受力后变形上翘，从而计算出对地压强要求。
1 路基箱结构及模型分析1.1 结构情况根据起重机在路基箱上的行走方式和履带尺寸，同时考虑运输、铺设等因素，路基箱平面尺寸3 000mm×6 000 mm，高350 mm，各板件厚度为25 mm。内部结构布置如图1 所示。
图1 路基箱内部结构图
1.2 计算模型选择路基箱工作时的受力复杂，在进行分析设计时，难以找到符合实际的计算模型，故根据经验假设有弹性地基梁模型和悬臂梁模型[2]。1.2.1 悬臂梁简化计算模型1）履带架结构刚度很强，假设起重机履带与路基箱与接触面不发生相对位移，也不会因为受压发生弯曲变形等；2）路基箱由一定厚度的钢板焊接完成，设有加强结构防止变形，刚度远大于地基土，故假设路基箱结构不发生变形，起重机对路基箱的压力完全传递到地基下。这种形式的简化计算模型设定条件与悬臂梁结构受均布荷载时情况类似，故称此类模型为悬臂梁模型。边界条件如图2 所示。
图2 路基箱悬臂梁计算模型
1.2.2 弹性地基梁简化计算模型路基箱是由钢板结构焊接完成，在受到外力后必然会出现弯曲或变形，这种受力结构形式与弹性地基梁受到荷载发生的变化类似，基本假设前提条件如下：1）钢制路基箱在受到履带起重机荷载后，整体结构会发生变形，部分接触面发生脱离，为了简化模型，按照起重机履带与路基箱受力后同时发生弯曲来考虑；2）假设起重机自身质量加上吊装物质量以及超起配重的全部压力通过两条履带作用在路基箱表面；3）相比于履带和路基箱的刚度，地基土质按照弹性来考虑，假定路基箱受力后地基基底所产生的反向力与路基箱的变形成线性比例关系。弹性地基梁简化模型如图3 所示。
图3 文克尔弹性地基梁简化计算模型
1.2.3 对比分析结果采用Ansys 软件对悬臂梁模型和弹性地基梁分别进行计算，得出荷载达到6 100 kN 时的路基箱应力云图、履带反力图和基底反力图（见图4），图4 中MAX 表示路基箱受到压力后应力最大值出现的位置，L 为应力最大值间的距离，﹢、﹣分别表示压应力和拉应力。
图4 两种模型的应力云图、履带反力图和基底反力图
1）悬臂梁模型路基箱变形相对较小，这主要是由于假设履带与路基箱接触部分没有变形造成的。如图4a所示，悬臂梁模型中的应力最大值为88.5 MPa，最大应力处间距为2 275 mm，最大应力没有发生在路基箱的悬臂根部，这是由于路基箱内设竖向立板，与竖向立板接触的部分面板产生了应力集中现象。履带对路基箱的作用中出现了拉力，说明路基箱与吊车履带接触面可能会出现中间部分脱离的现象。
2）弹性地基梁简化模型路基箱的模拟变形相对较大，是因为简化起重机履带与路基箱作为相同刚度系数进行受力变形。如图4b 所示，Ansys 分析在受到荷110.1 MPa，而最大应力位置间距为350 mm。实际路基箱的刚度系数小于起重机履带架，履带架也就不会与路基箱发生同步变形，对路基箱的压力集中在履带附近，不会均匀分布。
1.3 模拟计算结果路基箱是根据地基变形来计算路基箱分载性能的，故地基刚度系数不同将直接影响路基箱的分载能力。在核电施工时，大型起重机地基普遍采用浇筑钢筋混凝土方法，然后在混凝土路面上铺设沙子，以便路基箱充分接触地面。混凝土路面刚度系数按照500 000 kN/m³计算。Ansys 分析在K ＝ 500 000 kN/m³ 时路基箱加载240 t 载荷时的位移图和应力图如图5 所示。
图5 混凝土地基情况下路基箱应力图
2 试验方法及分析试验对象为在核电大型起重机使用的路基箱，尺寸在6 m×3 m×0.35 m，各部件板材厚度均为25 mm。受现场试验条件所限，试验不能采用履带起重机进行实际加载，利用现场规格为6 m×2 m×1.05 m，每块重40 t的配重块，以模拟履带起重机。经过实验室内试验验证，选择细沙作为垫层材料较为合适。
2.1 试件安装及加载方式本次试验重点在于测定路基箱的分载性能，故路基箱试件放置在进行处理后的地基上，路基箱与地基之间铺设黄沙（厚200 mm），要求黄沙粗细比较均匀，表面平整，以保证压力均匀传递。压力盒直接放置于钢筋混凝土地基之上（保证压力盒放置位置地基没有凸起或凹陷，确保压力盒底面的平整）。在路基箱上堆载配重块方法如图6 所示。由于配重块长度达6 m，在堆载加载块区域附近设置有效保护措施，避免加载块偏移滑落。
图6 路基箱试件加载示意图
2.2 测点布置图7 为加载试验现场路基箱和地面加载位置示意图，可根据现场场地条件，加载吊机工作路线，加载块堆放位置等进行适当调整。路基箱下部地基的压力通过埋置压力盒来测量，路基箱下面压力盒埋置位置如图8所示。
图7 加载试验现场路基箱和地面加载位置示意图
图8 路基箱下面压力盒布置图
2.3 加载测试过程在路基箱下部铺设200mm 厚黄沙，在路基箱上施加配重块荷载。受荷地基面积（即路基箱的平面尺寸）为3 m×6 m ＝ 18 m2，考虑到施工安全因素，最大加载量为6 个加载块，共240 t。每一级荷载施加完毕后，静置2 min，读取压力盒数据，检查加载块上表面和侧面是否保持水平和垂直，如无可见偏差，方可进行下一级荷载施加。
在加载试验结束后进行卸载，每卸载一块加载块后静置2 min，读取压力盒数据，然后卸载下一块加载块，直到全部卸载完毕。
2.4 试验结果根据前述加载块下压力试验结果，确定路基箱的分载试验采用200 mm 厚垫层。
路基箱分载试验中共计有15 个测点，每个测点位置埋置一个压力盒，每个压力盒有自己的编码，对每次试验路基箱在横向方向3 个测点压强取均值作为距离路基箱中心线压强值。表1 为第1 组路基箱分载试验各测点的数据汇总表，表2 为第2 组路基箱分载试验各测点的数据汇总表。
2.5 路基箱下压强分布曲线及分析考虑配重块可能由于制造及摆放位置造成路基箱横向方向压强偏心等因素，分析时对路基箱短边方向的3 个测点结果取平均值，即对测点1-4-7-10-13、测点2-5-8-11-14、测点3-6-9-12-15 绘制出的3 条压强曲线取均值，并与地基基床系数为300 000 kN/m³ 和500000 kN/m³ 的两条模拟计算结果的压强曲线进行比对。两组试验在240 t 荷载下平均值压强曲线如图9 和图10所示。
与k ＝ 500 000 kN/m³ 计算出的对地压强曲线进行比较，开始测量值明显大于计算值，当路基箱上荷载越大时，两者数值变得较为接近。当荷载为240 t 时，测量值约为计算值的90%。可见当荷载比较小的时候，垫层的局部位置由于具有较好的接触度，其垫层介质压的比较结实，测量值会明显大于计算值；同理，局部位置若垫层介质没有与路基箱有良好的接触，会比较松散，测量值会明显小于计算值。
图9 第1 次试验加载240 t 平均值压强曲线
图10 第2 次试验加载240 t 平均值压强曲线
以载荷加载量为横轴，以横向各点均值为纵轴，对路基箱横向各测点在不同载荷下的压强值取进行统计分析。在图11、图12 中，显示每个测点压强值基本呈现线性关系，且路基箱中心7、8、9 这3 个点的压强值远大于两边各点。图13 说明两次试验的加载、卸载过程的压强曲线相似度较高，可见当荷载较小时，这些点上的黄沙在加载和卸载过程中处于线弹性变化。以路基箱纵向各点位置布置为横轴，以横轴各点均值为纵轴，对路基箱纵向方向各测点在不同加载载荷时压强进行分析，如图14 和图15 所示，显示路基箱在不同载荷下，路基箱下各测点基本呈现中心对称关系，且路基箱主要压强承受区域集中在中心三组测点区域内。
图11 第1 组试验横向点压强平均值分布曲线
图12 第2 组试验横向点压强平均值分布曲线
图13 两组试验横向点压强均值分布曲线比
图14 路基箱纵向布置点压强平均值分布曲线
图15 路基箱纵向布置点压强平均值分布曲线
3 结论与展望1) 在试验中，与路基箱和压力计接触的黄沙垫层具有不均匀性，导致部分检测值具有一定的离散型，但当荷载越大时，压力测量值越接近计算值。从整体来看，两端压强小，中部压强大的规律能从测量的压强曲线中充分反映，符合有限元模型计算结果的对地压强分布规律。另外，路基箱的底部压强分布主要集中在中间2.5m 范围内，而在2.5 ～ 5.0 m 范围内的路基箱底部压强变化较小。因此，建议路基箱设计制作时的长度应控制在履带宽度2 ～ 3 倍之间。
2) 通过试验，发现采用弹性地基梁简化计算模型对比悬臂梁简化模型更加接近路基箱载起重机履带下的实际受力产生的变化，目前普遍采用钢筋混凝土地基情况下的路基箱的分载性能与弹性地基梁模型有限元模拟结果基本相同，误差能满足实际工程需要，且分析计算方法简单，适用于路基箱在实际工程中的分析和设计。悬臂梁简化模型在计算时未考虑履带造成路基箱的弯曲变形，也不考虑起重机履带与路基箱的接触界面发生局部分离，仅按照理想状态，假设路基箱收到履带压力后底部产生的反力均匀分布，造成采用Ansys 计算后路基箱最大应力及变形结果偏小，不适用于分析实际路基箱受力，在估算路基箱截面等情况时可考虑采用。
3) 通过本次试验可知，黄沙垫层厚度增加，其传递压力的效果越接近线弹性，路基箱的分载效果越好，随着地基基床系数越大，即地基的刚度越大，路基箱的分载效率越低，路基箱的作用越小。
目前，三代核电大型起重机吊装场地地基处理普遍采用浇筑混凝土，刚度非常大，路基箱的位移值和自身变形很小，路基箱分载的效率很低，同时造价很高，后期拆除工程量大。根据前述规律，为增大路基箱位移值和自身变形，提高路基箱分载效率，建议施工时降低混凝土地基标高，预留凹槽作为路基箱铺设场地，并在混凝土地基上铺设为200 mm（±20 mm）厚度的细密均匀性细沙或回填土，同时可考虑对路基箱结构进一步优化，提高分载性能，降低地基的承载力要求和处理强度，减少混凝土用量和施工难度，提高经济性。
参考文献[1] 郭晓. 大型履带吊机路基箱力学性能研究[D]. 上海：上海交通大学，2010.[2] 丁俏俏，邱国志，鲁小军. 路基箱机构的变形研究[J].结构工程师，2014，30（4）：52-55.[3] GB/T 14560 － 2016 履带起重机[S]．
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