4000kN桩基竖向抗压静载荷试验钢平台设计及承载力验算

李烨

（中浩工程检测技术有限公司）

0 引言

近十年来，广东省内许多新设立的检测公司在取得检测检验机构资质认定证书后，都需要在业务所在地行政主管部门申请行政许可。根据广东省住房和城乡建设厅发布的《广东省建设工程质量检测机构资质条件》（粤建质〔2010〕35号）中的桩基竖向抗压静载荷试验资质分级条件要求，检测单位桩基竖向抗压静载荷试验资质，申请试验荷载上限吨位为400吨，然后以半年为周期可向上级行政主管部门申报逐级晋升。申报资质其中一个材料要求就是需要不小于当前所申请等级荷载吨位上限的试验布置模拟图、计算书。因此，本文对4000kN静载试验钢平台设计及承载力验算进行简单分析。

1 钢平台设计

拟进行最大试验荷载为4000kN的单桩竖向抗压静载荷试验，采用自有钢梁搭设平台，压重平台重物及支撑均采用砼配重。砼配重尺寸长2000mm、宽1000mm、高1000mm。砼配重采用钢筋混凝土浇筑而成，每块重约50kN。此处假设地基承载能力满足设计要求。根据实际使用情况，本文验算中钢平台安全系数取为1.1。

钢平台采用1根主梁和4根次梁搭设，最大堆载不小于4000kN。其中主梁尺寸长8000mm、宽500mm、高800mm，自重54.62kN。每根次梁由4根工字钢组成，次梁尺寸长8000mm、宽1000mm、高500mm，由每根工字钢自重9.89kN，因此每根次梁自重39.56kN。钢平台自重合计212.86kN。

钢平台有效堆载面积约32m2，每块砼配重占用面积约2m2，平台每层可布置16块砼配重，砼配重应层次交错搭接堆载。一般规定砼配重高度不应大于8m，现按6层计算，合计96块，砼配重合计总重4800kN。钢平台反力试验装置立面示意图如图1所示。

图1 钢平台反力试验装置立面示意图

2 验算部分

2.1 钢材参数

本次设计中钢梁均采用普通碳素结构钢，牌号为Q235，厚度均大于16mm。其材料强度相关参数有：抗拉强度205.00N/mm2、抗压强度205.00N/mm2、抗弯强度205.00N/mm2、抗剪强度120.00N/mm2以及弹性模量206000N/mm2。

由《碳素结构钢》（GB/T 700-2006）中得知，厚度大于或等于16mm的Q235普通碳素结构钢相应的屈服强度为235MPa，抗拉强度为370～500MPa。

钢梁在制作之前，所用到的钢材应经有相应资质的检测单位检测合格后，方可用于钢梁的制作。

2.2 主梁计算

2.2.1 荷载计算

千斤顶上部平台主次梁自重及砼配重堆载总荷载为5012.86kN，超过了千斤顶向上的总推力，主梁不能将上部压重顶起，作用在主梁上的反作用力总和为4000－696.68×8×9.8/1000=3945.38kN。考虑平台次梁均匀密布，次梁之间空隙大约有50mm，可以将次梁给主梁的反作用力按均布荷载考虑，次梁施加在主梁上的均布力q=3945.38/8=493.17kN/m，荷载计算简图如图2所示。

图2

主梁重54.62kN，近似按照均布线载考虑为54.62/8=6.83kN/m。

主梁上总体作用均布线载：

493.17+6.83=500.00kN/m

千斤顶位置最大弯矩：

2.2.2 截面强度验算

主梁截面如图3所示。

图3

其截面特性有：截面面积A=1558.00㎝2、截面惯性矩 Ix=1018967.00㎝4、截面抵抗矩 Wx=25474.00㎝3、回转半径ix=25.57㎝、面积矩Sx=17411.50㎝3和截面塑性发展系数γx=1.05。

2.2.3 抗弯强度验算

安全系数205.00/149.55=1.4＞1.1，故满足使用要求。

2.2.4 抗剪强度验算

安全系数120.00/20.10=6.0＞1.1，故满足使用要求。

2.2.5 稳定性验算

腹板h0/tw=（800－60）/30=24.7＜80

翼缘b0/t=（500－2×30）/30=14.7＜40

因此，局部稳满足使用要求。

2.2.6 挠度验算

根据v＜［v］，挠度变形满足使用要求。

2.3 次梁计算

2.3.1 荷载计算

次梁承受静荷载作用或渐进式加荷作用，不考虑动力系数。并且作用于梁上的荷载宜为均布荷载和均匀分布的集中荷载。根据《建筑地基基础检测规范》（DBJ/T 15-60-2019）中的第8.2.3条规定，加载反力装置能提供的反力不得小于最大试验荷载的1.2倍，拟定4根次梁承受总荷载为4800kN。本设计中的一根次梁由四根工字钢组成，故一根工字钢承受总荷载为300kN。

考虑工字钢自重 9.89kN，因此 qk=（300+9.89）/8=38.74kN/m，根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）中第3.2.4条，取分项系数为1.35，构件重要性系数为1.0，则钢梁荷载设计值q=1.35×38.74=52.30kN/m。

2.3.2 截面强度验算

次梁工字钢截面如图4所示。

图4

其截面特性有：截面面积A=282.00㎝2、截面惯性矩Ix=104246.00㎝4、截面抵抗矩 Wx=4170.00㎝3、回转半径ix=192.00㎝、面积矩Sx=2488.00㎝3和截面塑性发展系数γx=1.05。

2.3.3 抗弯强度验算

安全系数205.00/95.56=2.1＞1.1，故满足使用要求。

2.3.4 抗剪强度验算

安全系数120.00/16.64=7.2＞1.1，故满足使用要求。

2.3.5 稳定性验算

根据《钢结构设计规范》（GB 50017-2017），由于h0/tw=（500-60）/30=14.67＜80，可按构造布置横向加劲肋。

2.3.6 挠度验算

根据v＜［v］，挠度变形满足使用要求。

3 应用测试

本单位经广东省农垦中心医院委托，负责广东省农垦中心医院门诊综合楼项目的地基基础检测工作。其中桩号为K93的预应力管桩，桩径500mm，桩长39.8m，桩身强度C80，单桩抗压承载力特征值为2000kN，设计持力层为中粗砂层。本次单桩竖向抗压静载试验最大试验荷载为4000kN，采用本文设计的钢平台进行试验，采用砼配重堆载。根据《建筑地基基础检测规范》（DBJ/T 15-60-2019）中的第8.2.3条规定，加载反力装置能提供的反力不得小于最大试验荷载的1.2倍，考虑砼配重长期使用中会产生质量损耗，本次堆载砼配重98块，每块重约5吨，合计约490吨，符合规范要求。检测过程中暂无挠度变形、局部形变、焊缝开裂、倾斜等其他异常情况。可见本文的静载试验钢平台设计和验算是符合实际使用情况的。

本次单桩竖向抗压静载试验中采用武汉岩海工程技术有限公司的静载荷测试仪，设备型号为RS-JYE，经广东省中山市质量计量监督检测所检定合格。在检定有效期内进行本次检测工作。其中单桩竖向抗压静载试验荷载-沉降数据汇总表如表1所示。

表1 单桩竖向抗压静载试验荷载-沉降数据汇总

4 建议

在本次设计与验算的过程中，只是考虑在理想状态下，实际应用中，还需要考虑到焊缝质量以及钢梁的耐久性。

现今资质申报的条款要求中，对钢平台这一部分一般只是需要计算书，并没有对钢梁这类设备要求提供检定校准证书，也没有功能性核查的要求。静载试验的油泵都有功能性核查记录文件，安全隐患更大的钢平台就更需要关注。

钢平台的作业环境一般都是比较恶劣的，甚至于存放环境也不是那么良好。钢梁经过长期的日晒雨淋，会氧化腐蚀，耐久性和安全性也会有所降低。有个别检测单位的主梁在加载的过程中产生局部变形。安全第一，预防为主。为避免钢梁在检测工作中出现问题，在条件允许的情况下，可以委托有钢结构工程检测资质的检测单位定期对钢梁进行检测。部分检测单位自身有钢结构工程检测资质的情况下，也可以进行自行检测，出具报告后加盖CMA章和报告章，作为钢梁功能性核查文件，这样能及时发现钢梁存在的问题并能及时进行加固，避免在工作中出现安全事故。因此，建议检测单位或者劳务单位的钢平台计算书附上钢结构检测报告以及钢材检测报告，会显得更为严谨。