集装箱箱堆场地面混凝土面层结构的设计与分析报告.docx

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集装箱箱堆场地面混凝土面层结构的设计与分析报告

中外运海港国际物流集装箱箱堆场地面混凝土面层结构的设计与分析

提要

●集装箱堆场场地的工作状况

堆场场地地面上有吊运机和具有一定交通量的运输卡车。

吊运机（DRF450-6055K）的自重68.4吨，在额定负载时的前轮轮压P=49.8吨，轮迹当量园半径r=253mm。

计算中，取运输卡车的日交通量Ns=200次/天，且交通量年平均增长率为1%。

●场地混凝土面层的计算原则与依据

吊运机的速度和交通量甚小，故按静力计算考虑，参照《建筑地面设计规》进行计算分析。

对集装箱运输卡车，因进出堆场频繁，按现行的《公路水泥混凝土路面设计规》以疲劳断裂作为板的设计标准。

场地混凝土面层结构要同时满足上述二个设计计算准则。

●混凝土面层静力计算结果的分析

1、静力计算的容有：

按板承载能力极限状态进行板厚计算；

按满足板抗裂度要求进行板厚计算；

2、不同地基变形模量Eo值情况下，混凝土板的变化特征：

在单个轮压49.8吨、荷载面积当量半径253mm作用下，板的变化特征是：

板厚度h值随Eo值的增大而减小；当Eo>20MPa时，板厚h值受控于满足板搞裂度要求；板的相对刚度半径L值和板弯矩影响最大半径Romax值也随Eo值增大而减小，但当Eo>80MPa时，这种衰减就不太明显。

3、混凝土板直接放置在天然地基土（②3土层）上，板厚h值的计算结果

计算参数：

Eo=24MPa、混凝土C30级，其Ec=3.0×104MPa、轮压49.8吨

计算结果：

⑴不考虑两前轮的相互影响时h=322mm（强度要求）、h=316mm（抗裂要求）

⑵考虑两前轮的相互影响时h=399mm（强度要求）、h=323mm（抗裂要求）

（注：

Romax值为5390.50mm>前轮轮距4000mm，故要考虑相互影响）

●无明浜和暗浜处的堆场的做法是：

自上至下的分布为：

厚350mm混凝土C30面层，弹模Ec=3×104MPa

厚200mmC15混凝土基层，弹模Eo=500MPa

厚200mm级配碎石垫层，弹模Eo=150MPa

天然地基土，压缩模量Eo=24MPa（土层②3），如果保留②1层土，须做碾压处理。

●有明浜和暗浜处的堆场的做法：

Ø先挖除浜中的淤泥，水抽干。

Ø用素填土回填，分层夯实。

Ø打入200×200的钢筋混凝土预制方桩，桩长为10米。

Ø厚350mm混凝土C30面层，弹模Ec=3×104MPa

Ø厚200mmC15混凝土基层，弹模Eo=500MPa

Ø厚150mm级配碎石垫层，弹模Eo=150MPa

●对初选的混凝土面层结构的验算

1、按《建筑地面设计规》验算的结果计算要求板厚h=292mm<设计值（350mm），许可

2、按《公路混凝土路面设计规》验算（行车荷载疲劳应力和温度梯度疲劳应力的代数和小于混凝土C30）的弯拉强度（5.0MPa）

●堆场地面的最终沉降量的估算

堆荷平面尺寸40m×80m，常驻荷载=5t/m2条件下，最终沉降=11cm；若堆荷平面尺寸缩小，则受压层厚度将会减小，相应沉降量也会减小。

●工程造价估算：

无明浜和暗浜处的堆场的造价为474元/平方米。

有明浜和暗浜处的堆场的造价为950元/平方米。

具体计算见附件计算书。

由于明浜和暗浜的平面位置和准确面积尚不能确定，因此堆场总价尚不能确定。

根据目前对现场的了解，明浜比较少，暗浜估计不多，平均下来堆场的总的造价大约为500元/平方米。

一、参考资料

二、计算原则和依据

三、堆场地面混凝土面层按静载设计计算

1、作用在堆场地面上的吊运机荷载

2、计算轮迹当量圆的半径

3、不同地基土变形模量Eo值时，混凝土面层厚度h值的计算（板厚度h值随Eo值的增大而减小，且受控于满足板抗裂度要求的条件）

4、混凝土面板直接放置在天然地基（土层②3）上时，板厚度的计算

A．按单个等效荷载计算

B．按多个等效荷载计算（即考虑二个前轮的相互影响）

5、在设定板厚度的情况下，板的相对刚度半径L和弯矩影响最大距离Romax，随地基土Eo值的变化特征（L、Romax值随Eo值增大而减小，当Eo值>80Mpa后，这种衰减不太显著）

四、初步拟定堆场地面混凝土面层结构

1、堆场地面要考虑一定交通量的运输载重车辆

2、水泥混凝土面层下设置基层、垫层的必要性

3、本工程堆场混凝土面层结构的初选方案

4、基层顶面当量回弹模量Et值的计算

五、对拟定的混凝土面层（厚350mm）进行校核验算之一（按《建筑地面设计规》计算）

1、按承载力极限状态计算混凝土板厚

2、Romax值的计算

3、按板抗裂度要求，计算混凝土面层的厚度

4、混凝土面板抗冲切验算

六、对拟定的混凝土面层（厚350mm）进行校核验算之二（按《公路水泥混凝土路面设计规》计算）

A、堆场地面混凝土面层计算时所用到的技术参数

B、荷载疲劳应力бp的计算

C、温度疲劳应力бt的计算

D、校核rr（бp+бt）值是否小于混凝土设计弯拉强度fcm（5.0Mpa）

七、堆场地面的最终沉降量估算（堆荷平面尺寸40m×80m、常驻荷载p=5吨/m2，最终沉降量为11cm）

一、参考资料

[1]国家标准《建筑地面设计规GB50037-96》（以下简称《地规》）

[2]国家标准《公路水泥混凝土路面设计规JTJ012-94》（以下简称《路规》）

[3]《地基基础设计规DGJ08-11-1999》

[4]《中外运海港国际物流建筑工程岩土工程勘察报告-2005-K-39》，勘测设计研究院，2006年1月

[5]集装箱重箱正面吊运机（型号：

DRF450-6055K）产品技术说明书，卡尔玛港。

机械（）提供，浦东处高桥保税区华申路191号（T：

-58666658）

二、计算原则与依据

本集装箱堆场地面上既有起吊，就位集装箱的吊运机（型号：

DRF450-6055K），又有集装箱的运输卡车。

对于吊运机而言，它的速度和交通量远不能与公路相比；故可按静载考虑，采用单个或多个轮胎等效荷载、参照《地规》对混凝土面层进行设计计算；

对于运输集装箱的卡车，鉴于它进出堆场频繁，有一定交通量；此时，不仅要考虑应力大小，还要计及车辆荷载重负疲劳作用积累到一定程度后，会引起混凝土面层出现纵、横向裂缝以及计及温度翅曲应力所引起的面层开裂的问题。

现行的《路规》的设计方法就是采用疲劳断裂作为设计标准。

因此，本堆场地面混凝土面层结构的设计计算要同时满足上述两方面的条件。

三、堆场地面混凝土面层按静载设计计算

1、作用在堆场地面上的吊运机荷载

（1）吊运机主要尺寸（长×宽×高）11200×4150×4500

（2）整车自重68.4吨

（3）提升重量42~45吨（L4情况时）；

30吨（L5情况时）

（4）轴距和轮距前、后轴距为6000，后轮距4000（暂定）

（5）轮胎轮胎压力=1.0Mpa;

轮胎产品尺寸18.00×25PR40E4

（6）空载、额定负载和正常行进时的前轴、后轴的负载数值（见下）

机械状态

空载时

额定负载时

正常行进位置

提吊情况

L4情况

L5情况

L4情况

L5情况

额定载荷EN145g

前桥负载（吨）

33.6

37.9

99.6

91.2

87.8

后桥负载（吨）

34.8

30.5

13.8

7.2

25.6

小计（吨）

68.4

68.4

113.4

98.4

113.4

2、计算轮迹当量园的半径r

（1）荷载支承面面积A

A=500×200×2=200000mm2

（2）当量园半径r

r=0.564

=253mm；

3、不同地基土变形模量Eo值时，混凝土面层厚度h值的计算（见：

《地规》p.33公式）

（1）计算条件——按单个（上图中有阴影的前轮）等效荷载进行计算；

（2）计算参数——混凝土弹模Ec=3.0×104Mpa；地基土Eo=8，24，40Mpa；

（3）计算容——按混凝土承载能力极限状态和和抗裂度的要求的两种情况进行板厚的计算；

（4）计算结果：

●板的厚度h值随地基土Eo值增大而减小；

●随Eo值增大，板厚受控于满足抗裂度的要求；

●板的相对刚度随着地基土Eo的增大而减小，即随着Eo增大，板变得较柔；

●板的相对刚度半径L值和荷载下板弯矩影响的最大半径Romax值随Eo值增大而减小。

不同地基土变形模量Eo值条件下，混凝土面板厚度的计算（单个荷载计算）

地基土的变形模量Eo（N/mm2）

8.0

24.0

40.0

轮胎上的荷载P（×104N）

49.8

轮迹当量园半径r（mm）

253

混凝土面板的重要性系数ro

1.10

可变荷载的分项系数rQ

1.40

荷载效应系数CQ

1.00

搬运、装卸的动力系数фc

1.15

混凝土强度等级

C30

混凝土的抗拉强度ft（N/mm2）

1.5

混凝土的弹性模量Ec（N/mm2）

3.0×104

综合刚度系数β（×10-31/mm）

0.89

1.746

2.49

荷位系数kc

Kc=2.0（按承载力极限状态时）

kc==1.0（抗裂计算）

板厚h1（按承载能力极限状态）（mm）

375.88

321.21

289.10

比值（Ec/Eo）1/3

15.536

10.772

9.086

混凝土板相对刚度半径L（mm）*

1927.13

1141.84

866.80

荷载作用下弯矩影响最大半径Romax（mm）

8924.29

5390.50

4152.81

板厚hmin（抗裂的最小厚度）（mm）

330.64

316.02

305.89

*L=0.33×h×（Ec/Eo）1/3；Romax=r+4.5L

4、混凝土面板直接放置在天然地基（土层②3）上时，板厚的计算

A、按单个等效荷载（r=253，P=49.8×104N）计算

（1）荷载设计值S的计算（见：

《地规》p.31）

S=rQi·CQi·Фci·Qki=1.4×1.0×1.15×49.8×104=1.61×49.8×104=80.18×104N

式中Qki—Qki=P；

rQi—可变荷载的分项系数，取rQi=1.4；

CQi—荷载效应系数，取CQi=1.0；

Фci——搬动、装卸的动力系数，取Фci=1.15。

（2）按承载力极限状态计算混凝土面板的厚度（见：

《地规》p.33）

H=（

）1/2=（

）1/2=321.21mm=322mm

式中ro—重要性系数，取ro=1.10；

kc—荷位系数，kc=2.0；

β—综合刚度系数，按砼等级C30和地基土变形模量Eo=24N/mm2值，取β=1.746×10-31/mm；

ft—混凝土抗拉强度设计值，ft=1.5MPa；

Eo—地基土变形模量，浅层②3土层（砂质粉土）的厚度为12.5m，根据标贯击数（N=10.6击），查《地规》p.28表C.1.5后，得天然土层②3层Eo=24N/mm2

（3）计算临界荷位区的Romax值（指地面荷载下弯矩影响的最大有效距离）

Romax=r+4.5L=253+4.5×1141.84=5390.50mm

式中r—荷载当量圆的半径，r=253mm;

L—板的相对刚度半径，L=0.33×h×（Ec/Eo）1/3=0.33×322×（3.0×104/24）1/3=0.33×322×10.772=1141.84mm

说明：

吊运机的二个前轮（轮距4000）在临界荷位区，需考虑两个前轮的相互影响（计算见下，因前、后轴矩为6000>Romax,故后轮荷载可不予考虑）。

（4）按满足板的抗裂度要求，计算板的厚度（见：

《地规》p.33）

hmin=（

1/2=（

）=316.02mm

式中kc—荷位系数，在抗裂计算时，kc=1.0（见：

资料[1]p.33）

Ss—短期荷载设计值，Ss=CQiФciQki=1.0×1.15×49.8×104=57.27×104N；

r、L、ft、ro符号容同前。

（5）板的冲切验算

因为r/L=253×1141.84=0.22>0.2,故不需作抗冲切验算（见：

《地规》p.34）。

B、按多个等效荷载计算，即考虑二个前轮间的相互影响

（1）计算等效荷载S12（见：

《地规》p.29）

S12=S1（h2/h1）2=80.178×104（322/322）2=80.178×104N；

（2）计算荷载影响角

a12=arcos（R12/2Romax）=arcos（4000/2×5390.50）=68.2°=1.191（弧度）

（3）换算到计算中心的组合等效荷载

S12=S1[1+

（a12-sina12·cosa12）×S12/S1]

=80.178×104[1+

（1.191-sin68.2•cos68.2）×80.178×104/80.178×104]

=123.39X104N

（4）按承载力极限状态计算混凝土面板的厚度

h=（

）1/2=398.47mm

（5）按满足抗裂度要求计算板的厚度

Hmin=（

）1/2=322.65mm

式中L=0.33×398.47（3.0×104/24）1/3=1416.50mm

C、计算小结

（1）若把混凝土板直接放置在天然地基土层②3上，刚由于Romax计算值（5390.50mm）大于吊运机两前轮轮距（4000mm），所以要考虑两前轮间的相互影响；

（2）考虑相邻影响后的板厚（≈400mm）,是不考虑的板厚（322mm）的1.24倍；

（3）减小Romax值，使其小于两前轮距（4000mm）,于是可不考虑荷载相互影响。

5、在设定板厚的情况下，板的相对刚度半径L和弯矩影响最大距离Romax随地基土Eo值的变化特征

（1）计算条件——按单个等效荷载计算，即不考虑相邻荷载的影响

（2）计算参数——轮胎荷载P=49.8×104N；轮迹当量园半径r=253mm；

混凝土C30级，基抗拉强度ft=1.5MPa，弹性模量Ec=3.0104MPa

（3）计算小结：

●一定厚度的板，它的L、Romax值随Eo值增大而减小；当Eo>80N/mm2后，则Romax衰减不显著；

●减薄板厚，可减小Romax值，但要进行板抗裂验算。

四、初步拟定堆场地面混凝土面层结构

1、由于堆场地面上有运送集装箱的运输卡车，它有一定的交通量，在混凝土面层结构选择时，要考虑这一因素。

2、水泥混凝土面层下设置基层、垫层的必要性

混凝土的弹性模量为（2.5~3.5）×104MPa；因此，混凝土面层板具有很高的刚度和扩散荷载的能力，通过面层板传到路基顶面处的荷载应力值很小，所以混凝土路面不要求有强度大或承载力高的路基。

在混凝土板下修筑基层，提高基础的综合回弹模量，可以略减薄混凝土板厚，但为数有限；有时似乎在经济上并不合算，但不能就此认为可以不要基层（见：

《路规》p.99）。

实践表明，板下设置基层，不仅为混凝土板提供均匀而稳定的支撑，且能防止唧泥、错台、冻胀等病害，从而保证路面的整体性，延长路面的使用寿命。

（见：

《路规》p.100）

在基层下加设垫层，改善土基的湿度和温度状况，阻止路基土挤入基层中，保证路面结构的稳定性。

3、本工程堆场混凝土面层结构的初选方案

4、基层顶面当量回弹模量Et的计算

多层体系的路面结构，可以用一个当量的结构层来替代，按照《路规》p.8图3.0.4可以求得基层顶面的回弹模量Et值

150/24=6.25——垫层顶面处的当量回弹模量Et1=1.9×24=45.6MPa

150/45.6=10.96——基层顶面处的当量回弹模量Et=2.3×45.6=105MPa

五、对拟定的混凝土面层（厚350mm）进行校核验算之一（按资料[1]《地规》进行计算）

1、按承载力极限状态计算混凝土板厚

（1）综合刚度系数β值的确定（选偏小值β=2.49×10-31/mm作为计算）《地规》中p.28只给出Eo≤40N/mm2时的β值；在拟定的混凝土面层结构中，基层顶面当量回弹模量Et=105MPa>40MPa从下图可见，随着Eo值的增加，β值也相应增加；这里选用Eo=40MPa时的β=2.49值作为计算，其结果是偏于保守的。

）

（2）按承载力极限状态计算混凝土面层的厚度

计算时，取偏小β值代入（β=2.49×10-31/mm）

h（计算值）=（

）1/2=289mm<设计值350mm（许可）

2、Romax值的计算

L=0.33×289×（3.0×104/105）1/3=628mm

Romax=r+4.5L=253+4.5×628=3079mm<（两前轮轮距4000mm，故不需考虑两前轮的相互影响）

3、按照满足抗裂度要求，计算混凝土面层的厚度

h（计算值）=（

）1/2=292mm<设计值350mm（许可）

4、混凝土面板抗冲切验算

因为r/L=253/628=0.40>0.2,故不需作冲切验算

5、计算小结

从板的承载力和抗裂度二方面计算所得到的板厚计算值（289mm和292mm）小于初步拟定混凝土面层结构中的板厚设计值（350mm），符合要求。

六、对拟定的混凝土面层（厚350mm）进行校核核验算之二（按资料[2]《路规》进行计算）

本集装箱堆场，除了堆存集装箱货物外，还承担、提供运输的通道，因此，初步拟定的混凝土面层结构是否合理，需按公路规进行验算。

混凝土路面在经受行车荷载重复作用的同时，还经受周围气温周期性变化的影响。

也即是混凝土面层的疲劳损坏是由于：

1）荷载重复作用的结果；2）周期性变化的温度翘曲压力重复作用的结果。

现行设计标准是：

0.95fcm≤rr（бp+бt）≤1.03fcm（见：

《路规》p.20）

式中fcm—混凝土板设计弯拉强度（见：

《路规》p.9）

rr—可靠度系数，一般取1.13

бp—荷载疲劳应力，бp=kr﹒kf﹒kc﹒бps（见：

《路规》p.17）

бt—温度疲劳应力，бt=kt﹒бtm（见：

《路规》p.18）

A、本次堆场地面混凝土面层计算时所用到技术参数

1、换算为标准轴载的作用次数Ns=200次/天（因进出堆场车型不明，此为暂定数）

2、交通等级中等（见：

《路规》p.6）

3、水泥混凝土路面的设计使用年限t=20年（暂定）

4、交通量平均增长率r=1%（暂定）

5、车辆轮迹横向分布系数η取0.2（见：

《路规》p.9）

6、混凝土板设计弯拉强度fcm=5.0Mpa（见：

《路规》p.9）

7、混凝土弯拉弹性模量Ec=3.0×104MPa

8、混凝土面板厚度hhmin=18cm（见：

《路规》p.16）；设计取h=35cm

9、路面基层的最小厚度15cm（见：

《路规》p.12）

10、路面基层下的垫层最小厚度15cm（见：

《路规》p.11）

11、基层顶面的当量回弹模量Et≥80MPa（见：

《路规》p.12）

12、基层顶面的计算回弹模量Ekt=n﹒Et（见：

《路规》p.9）

13、基层采用厚20cm稳定碎（砾）石料E基=500Mpa（h基=15cm）

14、垫层采用厚20cm碎（砾）石料E垫=150Mpa（h垫=15cm）

15、混凝土面板最大温度梯度Tg=0.89（因Ⅳ属公路自然区，见：

《路规》p.9）

16、基层顶面的当量回弹模量Et值按《路规》p.8的Et计算图计算

17、标准轴载在临界荷位处所产生荷载应力бps值按《路规》p.17图进行计算

18、混凝土板相对刚度半径r=0.537﹒h﹒（Ec/Etc）1/3（见：

《路规》p.20）

19、混凝土板的温度应力（最大温度梯度时）бtm值按

αcEchTg﹒kx计算（见：

《路规》p.18）

20、温度应力系数kx按《路规》p.19图进行计算

B、荷载疲劳应力бp的计算

1、基层顶面的计算回弹模量Etc（见：

《路规》p.9）

Etc=n﹒Et=2.28×105Mpa=239.4Mpa

式中n—模量修正系数，

n=1.718×10-3×（hEc/Et）0.8=1.718×10-3（35cm×3×104/105）0.8=2.72

2、比值Ec/Etc=3.0×104/239.4=125

3、计算荷载应力бps；查《路规》p.17图，得бps=1.2Mpa

4、应力折减系数kr=0.9

5、疲劳应力系数kf=Ne0.0516=321477.460.0516=1.92（见：

《路规》p.7；p.18）

Ne=

η=

×0.2=321477.46次/天

6、疲劳损坏综合影响系数kc==1.20

7、荷载疲劳应力бp=kr﹒kt﹒kc﹒бps=0.9×1.92×1.20×1.2=2.49Mpa

C、温度疲劳应力бt的计算

1、最大温度梯度时混凝土板的温度应力бtm值（见：

《路规》p.18）

бtm=（αcEchTg）kx/2=1×10-5×3×104×35×0.89×0.64/2=2.99Mpa

式中αc—混凝土的线膨胀系数，αc=1×10-5/℃；

Ec—混凝土弯拉弹性模量，Ec=3.0×104Mpa（见：

《路规》p.9）

h—混凝土板厚，h=350mm=35cm

Tg—所在地混凝土面板的最大温度梯度，因为属Ⅳ公路自然区，取Tg=0.89（见：

《路规》p.9）

kx—温度沿板厚非线性分布的温度应力系数，根据板长L=5m、板的相对刚度半径r=0.537h（Ec/Etc）1/3=0.537×0.35（3×104/239）1/3=0.941m以及比值L/r=5/0.941=5.313，查《路规》p.19图，得到kx=0.64

2、温度疲劳应力бt=kt﹒бtm=0.6×2.39=1.434Mpa

式中温度疲劳应力系数kt，根据公路自然区Ⅳ和бtm/fcm=2.39/5.0=0.48

查《路规》p.20表得kt=0.6

D、校核rr（бp+бt）值是否小于混凝土的设计弯拉强度fcm（5.0Mpa）

rr（бp+бt）=1.13（2.49+1.434）=4.434Mpa

由此说明，由于疲劳所引起的应力小于混凝土弯拉强度，满足规要求。