履带起重机接地比压计算和地基承载力试验

叶志明

中国电建集团山东电力建设工程有限公司 山东济南 250014

1 起重机械地基处理的重要性

起重机尤其是流动式起重机是靠履带或支腿支撑在基础上，所有重量包括起重机自重和吊装设备或构件重量通过履带或支腿传递到基础上。由于起重机要做变幅、回转运动，基础的不同部分受力不均匀，并在不断地变化。如果基础在吊装过程中发生沉降，将发生重大吊装事故。在起重机械事故原因分析及吊装专项方案评审中，发现有些起重机未配置随车显示起重机实时接地比压的软件，起重机司机无法观测到接地比压数据。有的起重机虽然配置软件，但也是在地基处理完成后，起重机站在基础上达到工作状态时才能显示，无法指导吊车地基的处理。而且起重机技术说明书中大多没有推荐最大接地比压，只是提供了起重机基本工况下的平均接地比压，对起重机站位地基处理没有实质性的指导意义。

地基的承载能力由吊装区域的地质状况决定，而起重机能否安全工作很大程度上取决于地基基础的承载能力能否满足起重机接地比压的要求。起重机对地的压力与起重机的行驶、工作状态直接相关。我国幅员辽阔，地质状况复杂，工程建设工地因建设性质的不同，地质状况的变化较大。如在一些改、扩建工地，地面往往浇筑了混凝土地面，会给人以假象；而在一些新建工地，由于挖土、填方、地下结构等因素，地基承载能力被削弱，尤其是目前正在如火如荼进行的风电机组安装工程，更是如此。因此，在进行基础处理时，必须首先根据起重机的结构形式和不同工作状态，分析其对地的最大压力，再根据具体地质状况进行承载能力的计算及地基处理方案设计。

履带起重机是利用履带承重结构进行支撑。履带承重结构既是其行走结构，又是吊装时的支撑件，伸展尺寸不大。但履带与地面接触面积较大，上部荷载以分布力的形式通过履带传递到基础，其基础可根据情况采用整体或相互独立式。

2 履带起重机接地比压的计算

履带单位接地面积所承受的垂直载荷，称为履带接地比压。履带接地比压计算模型如图1（a）所示，以两条履带接地区段的几何中心为原点，通过该点引出相互垂直的纵向与横向中心线x 和y，形成一个直角坐标系。

图1 履带接地比压计算模型

2.1 当C=0 时

当C=0 时，则G1=G2。工作重力与垂直外载荷所构成的合力按履带接地面积平均承载，所得的接地比压称为平均接地比压，计算公式见式（1）。平均接地比压并不代表起重机的实际接地比压。因为起重机的重心在水平地面上的投影，一般不会恰好与履带接地区段的几何中心相重合。因此计算平均接地比压意义不大，实际应用必须计算起重机的最大接地比压和最小接地比压。

2.2 当C≠0，且e=0～L/ 6 时

当C≠0，且e=0～L/ 6 时，履带接地比压图为梯形。履带Ⅰ接地区段最大、最小和任意部位x 的接地比压计算式见式（2）—式（4）。

2.3 当C≠0，且e=L/ 6 时

当C≠0，且e=L/ 6 时，履带接地比压图是以履带接地区段长度L 为底边的直角三角形。此时，履带Ⅰ接地区段最大、最小和任意部位x 的接地比压见式（8）—（10）。

履带Ⅱ接地区段最大、最小和任意部位x 的接地比压见式（11）—（13）。

2.4 当C≠0，且e＞L/ 6 时

当C≠0，且e＞L/ 6 时，接地比压图为直角三角形，其底边较履带接地区段长度（L）短。履带接地区段承受压力部分的长度为L' ，计算公式见式（14）。

履带Ⅰ接地区段最大、最小和任意部位x 的接地比压计算见式（15）-（17）。

履带Ⅱ接地区段最大、最小和任意部位的接地比压计算见式（18）-（20）。

3 履带起重机接地比压的近似计算

3.1 履带受力分析

履带起重机简图如图2 所示。

因此本文选用板式换热器作为研究对象，首先对其进行结构设计计算[10]，然后根据设计参数分析污水流速对堵塞换热的影响规律.

图2 履带起重机简图

作用在支承形心上向前方的净力矩计算见式（21）。

侧向力矩为计算见式（22）。

总垂直载荷计算见式（23）。

总垂直载荷在履带下面产生的压应力计算见式（24）。

一条履带接地面积的对中性轴y 的抗弯截面模量（W1）可近似地按矩形计算，见式（25）。

Mx作用在履带中心的前方压应力计算见式（26）。

P 和Mx的共同作用产生的对地面压应力如图3 所示。

图3 P 和Mx 共同作用产生的对地面压应力

两条履带接地面积对中性轴x 的组合截面的抗弯截面模量可近似的记为式（27）。

侧向力矩（My）产生的压应力见式（28）。

P 和My的共同作用产生的对地面压应力如图4 所示。

图4 P 和My 共同作用产生的对地面压应力

将由集中力产生的履带压应力（P1）和由偏心距产生的履带压应力P2、P3进行叠加，得到总压应力（P总）计算式见式（29）。

3.2 起重机Gc 的重心Y0 的计算

Y0的计算需要起重机各部位的重量和重心位置，但这些参数在起重机制造厂家提供的使用说明书中都查不到。当不知道Gc的重心位置Y0时，可以根据《履带起重机》（GB/ T 14560- 2016）5.10.2.3 条款中关于静稳定性的规定：“臂架处于起重机稳定性最不利位置，臂架仰角处于产生最大倾覆力矩的工作幅度、起吊相应工况（1.25Q+0.1Gb1）的试验载荷，分别对不同的臂架组合形式进行试验，慢速起升载荷到一定的离地高度，停留10min”。试验过程中起重机不倾覆则认为是稳定的。其中Q 为起重机制造厂规定的在不同幅度下起重机的额定总起重量的重力，从起重机性能表可以查到；Gb1为由主臂质量或副臂质量换算到主臂端部或副臂端部的质量重力。因为起重机不倾覆的条件是稳定力矩必须大于或等于倾覆力矩，即M稳≥M倾，根据这条规定可近似的求得Y0。

M稳为Gc在起重臂垂直于履带方向时产生的稳定力矩，计算公式见式（30）—式（34）。

3.3 求P 最大值

将式（21）和（22）代入式（29），得式（35）。

4 履带起重机履带下铺设路基板后接地比压的换算

在现场吊装施工中，可利用已知的起重机最大接地比压，进行铺设路基板后的接地比压换算，进而提出对吊车地基的地耐力要求。起重机最大接地比压可通过起重机技术说明书中推荐的最大接地比压、起重机随车计算软件计算得出的最大接地比压，或通过本节本项（一）“履带起重机接地比压的计算”或（二）“履带起重机接地比压的近似计算”计算得出的最大接地比压取得。

如ZCC9800/ 800t 履带起重机履带宽度1.5m，操作手册推荐的超起工况下最大接地比压为70t/ m2，现场配备14 块专用路基板，单块路基板重量5.0t，尺寸为5.0m×2.5m×0.2m，每条履带下方横向铺设7 块路基板，路基板铺设平整、无间隙。因此，铺设路基板后，ZCC9800/ 800t 履带起重机最大接地比压换算为：70t/ m2×1.5m÷5m +5t/（2.5m×5m）=21.4t/ m2。

5 吊车地基现场处理及承载力试验

5.1 不同地域常用起重机地基处理方式

（1）山地、丘陵地域：此种类区域吊车地基一般会利用原山地、丘陵地貌进行切坡修筑，或一部分利用原山地、一部分回填，形成平整的吊车地基。此类区域地基一般的处理方式是强夯法、分层碾压法。

（2）平原地区耕地地域：此种类区域一般采用开挖换填、原土夯实、水泥搅拌地基处理方式。

（3）海边、湖边、江河边等泥滩地域：此种类区域的一般采用桩基、开挖换填、水泥搅拌地基处理方式。

5.2 起重机地基的合格性试验

吊车地基检查经常用到处理后地基静载荷试验、复合地基静载荷试验、重型动力触探等方法。以下重点阐述处理后地基静载荷试验方法：

（1）适用于确定采用换填垫层、预压地基、压实地基、夯实地基和注浆加固等方式处理的地基试验承压板影响范围内土层的承载力和变形参数。

（2）平板静载荷试验采用的压板面积应按需检验土层的厚度确定，且不应小于1.0m2；对夯实地基，不宜小于2.0m2。

（3）试验基坑宽度不应小于承压板宽度或直径的3倍。应保持试验土层的原状结构和天然湿度。宜在拟试压表面用粗砂或中砂层找平，其厚度不超过20mm。基准梁及加荷平台支点（或锚桩）宜设在试坑以外，且与承压板边的净距不应小于2m。

（4）加荷分级不应少于8 级，最大加载量不应小于设计要求的2 倍。

（5）每级加载后，按间隔10、10、10、15、15min，以后为每隔0.5h 测读一次沉降量。当在连续2h 内，每小时的沉降量小于0.1mm 时，则认为已趋稳定，可加下一级荷载。

（6）当出现下列情况之一时，即可终止加载：当满足下列3 种情况之一时，其对应的前一级荷载定为极限荷载：承压板周围的土明显地侧向挤出，周边岩土出现明显隆起或径向裂缝持续发展；本级荷载的沉降量大于前级荷载沉降量的5 倍，压力- 沉降曲线出现陡降段；在某一级荷载下，24h 内沉降速率不能达到相对稳定标准；承压板的累计沉降量已大于其宽度或直径的6%。

6 结论

通过以上计算及分析，明确了履带起重机在计算其地基承载力时的基本条件算法。同时，也搞清楚了不同地域常用吊车地基处理方式和吊车地基的合格性试验的具体做法。这对基层实施履带起重机地基处理意义重大，必将进一步加强履带起重机的安全管理和使用。