斜桩在大型皮带机工程中的应用设计

王燕，刘欣梅

（中交天津港湾工程设计院有限公司，天津300461）

斜桩在大型皮带机工程中的应用设计

王燕，刘欣梅

（中交天津港湾工程设计院有限公司，天津300461）

近年来，大型皮带机在港口、散货运输中的广泛应用为结构设计提出了新问题，皮带机的运行，尤其是启动和制动导致皮带机基础承担较大的水平荷载。若采用传统结构中的垂直基桩抵抗水平荷载，需要基桩的数量较多，不经济。通过在设计中应用二维桩结构线性弹性地基反力法的计算理论，为斜桩承担皮带机的水平力提供理论计算支持，实现了设计应用技术上的创新。采用斜桩和直桩相结合的设计方案较好地解决了问题，并且可以缩短施工工期、节约工程造价。

皮带机；斜桩；水平力；二维桩结构

港口是交通运输大动脉的枢纽，是水上运输和陆上运输的联接点。港口散装物料运输具有进出运输量大的特点，尤其需要注重安全和高效，因此需要采用自动化、专业化的运输工艺。皮带机运输在特定区域内实现了货物的快速转接和运输，越来越大型的皮带机和转接设备的兴建，也对建筑结构设计技术提出了更高的要求。这种大型皮带机的启动和制动装置，运行时产生的水平荷载，采用何种基础类型实现力的合理传递，是历来港口软土地基设计的一大难题。传统的解决方法是采用足够数量的直桩来抵抗水平荷载，这种方法需要基桩的数量较多，不经济。本文采用二维桩结构线性弹性地基反力法[1]，主要依靠斜桩承担皮带机的水平力，实现了结构设计技术创新，节约了工程造价，可以推广使用。

1 工程概况

本文涉及工程为约6.1 km运输皮带机，位于广东省珠海市高栏港区内，分3段进行设计建设，第一段皮带机总长度1.5 km，第二段皮带机总长度2.3 km，第三段皮带机总长度2.3 km。

2 设计条件

本工程项目设计使用年限为50 a，基本风压0.85 kN/m2，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度值0.10g，设计地震分组为第一组，抗震设防类别为丙类，场地类别为Ⅲ类。结构安全等级为二级，建筑抗震设防类别为丙类。

3 方案选择

皮带机基础的设计难点在于，皮带机基础受轴力相对较小、水平力和弯矩相对较大。若采用传统的垂直基桩和承台的设计方案，会造成基桩竖向承载能力的较大浪费，因此需要采用合理的设计方法来解决这一难题，以一段约580 m长的皮带机为例，进行方案比选。

本段皮带机驱动装置在启动时对基础产生的水平荷载为2 205 kN，弯矩为3 370 kN·m，轴压力为3 020 kN，另一方向荷载相对较小。

3.1 方案1：φ700 mm直灌注桩

采用φ700 mm直灌注桩，水平承载力特征值52 kN，根据相关规范[2-5]进行计算，需要28根桩，承台尺寸9.8 m×18.17 m×1.5 m，其布置如图1所示。

3.2 方案2：φ600 mm直管桩

采用φ600 mm的PHC直管桩，水平承载力特征值39 kN，根据相关规范[2-5]进行计算，需要40根桩，承台尺寸10.8 m×18.0 m×1.5 m，其布置如图2所示。

图1 φ700 mm直灌注桩方案Fig.1Plan of φ700 mm bored piles

图2 φ600 mm直管桩方案Fig.2 Plan of φ600 mm tubular piles

3.3 方案3：φ600 mm直管桩+斜管桩

采用φ600 mm的PHC直管桩+斜管桩（斜桩斜度为1∶5）。采用二维桩结构线性弹性地基反力法相关理论进行分析。

1）假设桩结构物是二维的，把承台看作刚体，桩头与承台为完全刚接或完全铰接，桩头刚度系数k1、k2、k3、k4、kv与荷载无关，是常数。

2）假设作用于基础承台形心的总外荷载为水平荷载H0、垂直荷载V0和弯矩M0，受力分析如图3所示。

图3 刚性承台二维桩示意图Fig.3Sketch of rigid capping 2-D pile structure

3）力的平衡关系为：

式中：Hi、Vi为分解给各桩头的水平、垂直荷载分量；Mti为分解给各桩头的外力矩。

由于承台是刚性的，所以设群桩形心处的水平位移为u0，竖直方向的位移为v0，刚性承台转角位移θ0。结合式（1）列出关于u0、v0、θ0的三元联立方程，见式（2）。

式中：承台底部水平（yi=0），则对角元素A**可简化为式（3）、式（4）。

把式（3）和式（4）带入式（2）求出群桩在形心处的水平位移u0、ν0和θ0。因为θ0一般很小，可近似取0。

式中：k1i、k2i、k3i、k4i为桩头刚度系数；kvi为桩的轴向弹性系数。k1i为当桩头只产生垂直桩轴方向的单位位移时，在桩头上应该作用的垂直桩轴方向的力；k2i为当桩头只产生单位转角时，在桩头上应该作用的垂直桩轴方向的力；k3i为当桩头只产生垂直桩轴方向的单位位移时，在桩头上应该作用的垂直桩轴方向的力矩；k4i为当桩头只产生单位转角时，在桩头上应该作用的垂直桩轴方向的力矩；kvi为当桩头产生桩轴方向单位位移时，在桩头上应该作用的桩轴方向的力；φi为各桩倾斜角；ui′、vi′为垂直桩轴及沿桩轴方向桩头的位移；ui、vi为桩头的水平位移及竖直方向的位移；xi、yi为各桩轴到承台形心的x向距离和y向距离[1，6]。

求出ui′、vi′后，进行内力配筋计算。

4）根据二维桩结构线性弹性地基反力法的理论计算结果分析，斜桩承担了绝大部分的水平荷载作用。在设计过程中，为简化计算，可将水平荷载全部由斜桩承担，垂直荷载由直桩和斜桩共同承担。虽然有一些误差，但在工程设计中是可行的。

5）经计算，需14根桩（7根直桩，7根斜桩），承台尺寸6.77 m×16.4 m×1.5 m，布置见图4。

图4 φ600 mm直管桩+斜管桩方案Fig.4Plan of φ600 mm tubular piles and raking piles

3.4 方案选择

1）由于方案3采用了数量较少的基桩，故可以节省皮带机基础结构占用的空间，使结构布置更加合理，空间使用更灵活；

2）方案3基桩数量少，承台体积小，节约混凝土和桩基用量，从而缩短工期、节约工程造价；

3）通过3种方案的对比，综合建议采用方案3“φ600 mm直管桩和斜管桩相结合”的方案。

4 工程造价比较

以上3种方法均能实现皮带机水平荷载与地基之间的传递，3种方案的工程造价比较见表1。

表1 承台工程造价方案比较Table 1Comparison of costs schemes

经对比可以看出，方案3斜桩与直桩相结合的方案比方案1直灌注桩方案桩用量减少50%，混凝土用量减少38%，比方案2直管桩方案桩用量减少65%，混凝土用量减少43%。

综合进行比较，采用斜桩方案能够节省工程造价约45%，因此，对于承受较大水平力的皮带机基础及类似的设备基础来说，采用方案3斜桩的处理方法，经济效益非常明显。

5 结语

1）通过在设计中应用二维桩结构线性弹性地基反力法的计算理论，为斜桩主要承担皮带机的水平力提供理论计算支持，实现了设计应用技术上的创新。

2）经济效益明显。通过斜桩抵抗水平力、斜桩与直桩共同抵抗竖向力的设计方法与传统处理方法进行比较，斜桩方案能够缩短工期、节约工程造价。

3）采用斜桩抵抗水平力的设计，减少了皮带机基础结构占用的空间，使结构布置更加合理，空间使用更灵活。

[1]横山幸满.桩结构物的计算方法和计算实例[M].唐业清，译.北京：中国铁道出版社，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，建筑桩基技术规范[S]. JGJ 94—2008,Technical code for building pile foundations[S].

[3]GB 50007—2011，建筑地基基础设计规范[S]. GB 50007—2011,Code for design of building foundation[S].

[4]GB 50010—2010，混凝土结构设计规范[S]. GB 50010—2010,Code for design of concrete structures[S].

[5]GB 50009—2012，建筑结构荷载规范[S]. GB 50009—2012,Load code for the design of building structures [S].

[6]王守忠，李金华.单桩结构物的计算方法[J].港工技术，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，工程硕士，高级工程师，副总经理，副总工程师，工业与民用建筑专业。E-mail：1244695900@qq.com