張世佺

(福建省港口工程有限公司，福州 350001)

1 工程概況

福州某港口工程包括14# 泊位碼頭平臺、15# 泊位碼頭平臺、1# 棧橋、2# 棧橋及碼頭設施等施工內容。

碼頭為高樁碼頭，碼頭面高程為9.0m；14#、15# 泊位平臺總長256m，寬24m，分為4 段，共28 個排架。 每段長64m，排架間距10.0m，每個標準排架由7 根樁組成，其中設2 對斜度4∶1 的斜樁，其它均為直樁。樁基為Ф1000mm預制C 型(壁厚130mm)PHC 管樁。 樁頂現澆C40 鋼筋混凝土樁帽，樁帽上部現澆C40 鋼筋混凝土橫梁，橫梁上擱置軌道梁及縱梁，預制疊合板，現澆面層與磨耗層。

棧橋面高程為9.0m，1# 棧橋(寬×長)9m×223m，2# 棧橋(寬×長)12m×245m，棧橋端部均設喇叭口。 1# 棧橋設3個分段(75.6×2+71.8)m，排架間距均為9m。 其中，靠岸段每個標準排架下部結構由2 根直徑1m 的灌注樁組成，靠海段每個標準排架下部結構由2 根直徑800mm 的C型(壁厚110mm)PHC 管樁組成，斜度均為10∶1；2# 棧橋設4 個分段(62.75+57.75×2+66.75)m，排架間距均為9m。 其中，靠岸段每個標準排架下部結構由2 根直徑1.2m 的灌注樁組成， 靠海段每個標準排架下部結構由3 根直徑800mm 的C 型(壁厚110mm)PHC 管樁組成，其中兩根為斜度為10∶1 的斜樁，一根為直樁。 樁頂上現澆樁帽與橫梁，橫梁上擱置厚700mm 預制混凝土空心板，空心板上現澆150mm 厚C40 混凝土面層與50～70mm 厚磨耗層。

2 行走式塔吊施工方案

本港口工程的特點是棧橋較長，碼頭為高樁碼頭，碼頭面較寬，擬建碼頭及棧橋位置原泥面標高較高，棧橋處泥面高程達到+1.5m～+4.0m， 碼頭平臺處泥面標高達到+1.5m～-0.5m。因工程所處位置泥面高程太高，施工水域水深不能滿足施工船舶全天候的施工要求。為了保證工期，計劃采用行走式塔吊(型號為H3/36B(6036))作為本工程上部結構施工的吊裝設備(如圖1 所示)。計劃在完成下橫梁澆筑后， 在棧橋空心板上鋪設由18# 工字鋼橫撐的700mm×360mm×24mm(翼板)×16mm(腹板)的矩形鋼梁軌道梁，并在矩形鋼梁上鋪設鋼軌作為塔吊的行走軌道梁；碼頭平臺的軌道梁在縱梁安裝完成后， 在縱梁上鋪設25# 工字鋼，再在工字鋼上鋪設矩形軌道梁；塔吊行走軌道計劃鋪設50m 左右， 塔吊行走軌道梁鋪設完成后，將塔吊陸運至施工現場，并采用吊車進行塔吊的組裝。塔吊組裝完成經過驗收滿足使用要求后， 才能投入施工吊裝使用。 前期施工時，先立一臺行走塔吊，隨著施工進度的發(fā)展和要求，視情況相應增加塔吊數量。

圖1 碼頭平臺現場行走式塔吊圖

上部結構施工時，行走式塔吊主要負責鋼抱箍、夾樁槽鋼、鋼模、鋼筋等物件的吊裝，其次根據塔吊的工作性能，負責安裝小于10t 的鋼筋砼構件。 施工中塔吊的軌道基礎梁隨橫梁的澆筑進度進行跟進， 并根據自身的起重能力將后段的軌道梁基礎拆除， 然后再安裝至前進方向上，如此類推直至上部結構施工完畢。

3 行走式塔吊基礎施工和受力分析

3.1 施工順序

埋件放線→埋件安裝→工字鋼軌道梁的制作→空心板安裝→工字鋼軌道梁的安裝→驗收→安裝塔吊。

3.2 塔吊基礎矩形鋼梁軌道梁的施工方法及受力分析

3.2.1 棧橋部分

3.2.1.1 施工方法

棧橋完成澆筑4 根橫梁后， 首先利用汽車吊或船吊將已完成橫梁段的空心板安裝完成，空心板安裝完成后，在空心板上部鋪設700mm×360mm×24mm (翼板)×16mm(腹板) 的矩形鋼梁作為塔吊軌道基礎， 跨度取8.05m 計算。塔式輪壓傳力方向為：鋼軌→矩形鋼梁→橫梁(如圖2所示)。

3.2.1.2 矩形鋼梁受力分析

根據塔吊數據手冊，塔吊施工時，主要荷載有塔吊自重荷載550kN、 行走機構配重650kN 以及最大施工荷載100kN，因此，塔吊上部結構總荷載為1300kN。 在吊裝作業(yè)施工時，主要有兩種施工工況。

圖2 棧橋塔吊施工立面圖

第一種工況：在吊臂與基座邊平行的工況下，由四個軌輪傳遞集中荷載作用在矩形鋼梁上，在此工況情況下，其中有兩個軌輪輪壓較大；

第二種工況：在吊臂與基座對角線重合的工況下，吊臂延伸方向上的基座角點處的輪壓相比第一種工況的輪壓大。

因此，第二種工況下對軌道梁受力產生最不利影響，軌道梁受力分析計算將以第二種施工工況進行受力分析。 經查塔吊使用說明書，第二種工況下，塔吊基座對角線處的支座反力為450kN，考慮分項系數1.5 后作用力為675kN， 與對角線上最大支座反力鋼輪同在一矩形軌道梁上的另一鋼輪輪壓取487.5kN 進行受力分析計算(取值依據：1300kN/4=325kN，325kN×1.5=487.5kN)。

(1)剪力分析(最不利情況見圖3a)

矩形鋼梁應力設計值[σ]=190MPa，矩形鋼梁截面面積S=381.44cm2，允許剪力[Fs]=[σ]×S=7247.36kN，最大剪力：支座處的最大剪力Fs=675kN<[Fs]=7247.36kN，則棧橋矩形鋼梁剪力滿足使用要求。

(2)彎矩分析(最不利情況見圖3b)

矩形鋼梁應力設計值[σ]=190MPa，矩形鋼梁抗彎截面系數w=7754.514cm3，容許彎矩[M]=[σ]×w=1473.4kN·m，作用點最大彎矩M=0.25×675kN×8.05m=1358.4kN·m<[M]=1473.4kN·m，則棧橋矩形鋼梁彎矩滿足使用要求。

圖3 棧橋塔吊基礎矩形鋼梁受力示意圖

3.2.2 高樁碼頭平臺部分

3.2.2.1 施工方法

碼頭平臺施工時，與棧橋施工相同，首先完成5 跨下橫梁后，進行縱梁及軌道梁的安裝，縱梁與軌道梁安裝完成后，采用雙拼25# 工字鋼橫跨鋼架設于縱梁之間，跨度2.9m， 間距6m， 然后在25# 工字鋼上鋪設700mm×420mm×24mm(翼板)×16mm(腹板)的矩形鋼梁作為塔吊軌道基礎，矩形軌道梁跨度為6m。塔式輪壓傳力方向為：鋼軌→工字鋼梁→縱梁(如圖4 所示)。

圖4 高樁碼頭平臺塔吊施工立面圖

3.2.2.2 矩形鋼梁受力分析

塔吊行走機構上部結構荷載共1300kN，在吊裝作業(yè)施工時，同棧橋吊裝施工時一樣主要存在兩種施工工況。

第一種工況：在吊臂與基座邊平行的工況下，由四個軌輪傳遞集中荷載作用在矩形鋼梁上，在此工況情況下，其中有兩個軌輪輪壓較大；

第二種工況：在吊臂與基座對角線重合的工況下，吊臂延伸方向上的基座角點處的輪壓相比第一種工況的輪壓大。

同棧橋受力分析一樣第二種工況下對軌道梁受力產生最不利影響， 軌道梁受力分析計算將以第二種施工工況進行受力分析。

圖5 碼頭平臺塔吊基礎矩形鋼梁受力示意圖

(1)剪力分析(最不利情況見圖5a)

矩形鋼梁應力設計值[σ]=190MPa，矩形鋼梁截面面積S=410.24cm2，允許剪力[Fs]=[σ]×S=7794.56kN，最大作用點剪力Fs=675kN<[Fs]=7794.56kN，則碼頭吊裝作業(yè)時矩形鋼梁剪力滿足使用要求。

(2)彎矩分析(最不利情況見圖5b)

矩形鋼梁應力設計值[σ]=190MPa，矩形鋼梁抗彎截面系數w=8694.974cm3，容許彎矩[M]=[σ]×w=1652.0kN·m，作 用 點 彎 矩M=0.25×675kN×6.0m=1012.5kN·m<[M]=1652.0kN·m， 則碼頭吊裝作業(yè)時矩形鋼梁彎矩滿足使用要求。

3.2.2.3 碼頭平臺工字鋼梁受力分析

雙拼25# 工字鋼跨度2.9m，工字鋼間距為6m，單跨矩形鋼梁與工字鋼自身荷載為：299.43kg/m×6m+2×38.1kg/m×2.9m=2018kg，即按20.18kN 計算。 塔吊上部結構荷載由四個軌輪分擔后按集中荷載作用在矩形鋼梁上，輪子作用力最大值為675kN(查塔吊說明書)，再傳遞到25# 雙拼工字鋼上，按最不利工況時，單根25# 工字鋼受力荷載為(20.18+675)kN/2=347.59kN。

圖6 碼頭平臺工字鋼梁受力示意圖

(1)剪力分析(最不利情況見圖6a)

工字鋼應力設計值[σ]=190MPa，25# 工字鋼截面面積S=48.5cm2，允許剪力[Fs]=[σ]×S=921.5kN，作用點剪力Fs=347.59kN<[Fs]=921.5kN，則碼頭平臺25# 工字鋼剪力滿足使用要求。

(2)彎矩分析(最不利情況見圖6b)

工字鋼應力設計值[σ]=190MPa，25# 工字鋼抗彎截面系數w=402cm3，容許彎矩[M]=[σ]×w=76.38kN·m，作用點彎矩M=347.59kN×0.15m×2.75m/2.9m=49.4kN·m<[M]=76.38kN·m，則碼頭平臺25# 工字鋼彎矩滿足使用要求。

3.2.3 矩形鋼梁撓度計算

矩形鋼梁最大跨度8.05m， 對該受力情況下的矩形鋼梁進行撓度計算：Wmax=FL3/48EI， 其中彈性模量E=200GPa，跨度L=8.05m，集中荷載F=675kN，截面慣性矩I=271407.9915cm4，即撓度Wmax=1.351cm＜L/200(撓度允許值)=4.025cm，則矩形鋼梁撓度計算符合施工要求。

根據上述針對棧橋及碼頭平臺吊裝施工各工況的受力分析結果， 得出本塔吊施工方案在受力性能上可滿足安全施工條件要求。

3.3 塔吊風荷載計算

3.3.1 標準節(jié)風荷載計算

標準節(jié)為角鋼、槽鋼制成的桁架結構，塔吊采用2m×2m 斷面×3m 高度的標準節(jié)(結構示意圖見圖7)，塔吊高度15m，基座以上有3 個標準節(jié)。

圖7 標準節(jié)結構示意圖

根據中國氣象局《臺風業(yè)務和服務規(guī)定》，16 級臺風風速為51～56m/s，取最大風速56m/s。

根據《起重機設計規(guī)范》(GB/T 3811-2008)進行標準節(jié)的風荷載計算：

計算風速v=56m/s×1.5=84m/s， 計算風壓p=0.625×842=4410Pa；

標準節(jié)正面面積S=2m×3m=6m2， 正面及側面迎風時，迎風面積A=A1+ηA2。 其中A1=w1S 為前片結構的迎風面積；A2=w2S 為后片結構的迎風面積；w 為結構的充實率，查規(guī)范得w 為0.3～0.6，取w1=w2=0.4；η 為兩片相鄰桁架前片對后片的擋風折減系數， 根據迎風面與背風面間距l(xiāng)=2m，桁架高度h=3m，l/h=2/3=0.7≈1，w=0.4，查規(guī)范得兩片相鄰桁架前片對后片的擋風折減系數η=0.43；因此可得，迎風面積A=0.4×6m2+0.43×0.4×6m2=3.43m2；

標準節(jié)的風力系數Cw 取1.6，離地高度為15m。臺風時， 塔吊處于非工作狀態(tài)， 單個標準節(jié)風荷載Fs=pAC=4410Pa×3.43m2×1.6=24202.08N，有3 個標準節(jié)，則標準節(jié)總風荷載為F1=3×Fs=31.12kN。

3.3.2 吊臂風荷載計算

吊臂(結構示意圖見圖8)為管材制成的三角形截面空間桁架。

圖8 吊臂結構示意圖

在臺風來臨時，吊臂雖處于可旋轉狀態(tài)，但在吊臂側面(最大迎風面)受到風荷載作用時，瞬間來不及轉動而對塔吊穩(wěn)定性產生極大影響，針對此情況，根據《起重機設計規(guī)范》(GB/T 3811-2008)進行吊臂的風荷載計算：

正面及側面迎風時， 吊臂正面面積S=0.5×0.8×1.3=0.52m2， 迎風面積A=A1+ηA2， 其中各參數意義詳見上節(jié)3.3.1 內容。 迎風面與背風面間距2a=1.6m，桁架高度B=1.3m，a/B=0.8m/1.3m=0.62≈1，w1=0.4， 查規(guī)范得η=0.43。則 迎 風 面 積A=A1+ηA2=0.4×0.52m2+0.43×0.4×0.52m2=0.297m2；

吊臂的風力系數Cw 取1.3， 離地高度為15m。 臺風時， 塔吊處于非工作狀態(tài)， 則風荷載Fs=pAC=4410Pa×0.297m2×1.3=1702.70N，當塔吊吊臂為60m 時，取23 個標準節(jié)，標準節(jié)總風荷載為F2=23×Fs=39.16kN。

3.3.3 塔吊抗傾覆計算(受力示意圖見圖9)

圖9 塔吊抗傾覆受力示意圖

上部荷載抗風力矩Ms=F×4.5=1462.5kN·m， 風荷載對A 邊的力矩M=F1×7.5+F2×15=820.8kN·m，M＜Ms，故塔吊可抵抗16 級臺風風力。

4 行走式塔吊與浮吊的比較

大部分港口工程施工是采用浮吊進行吊裝作業(yè)，很少采用行走式塔吊，特別是高樁碼頭。 與傳統(tǒng)浮吊相比，高樁碼頭采用行走式塔吊施工具有明顯的優(yōu)勢：

(1)從經濟角度分析，傳統(tǒng)碼頭吊裝施工主要采用浮吊船進行吊裝作業(yè)。浮吊船的租金成本約每月15 萬元至25 萬元，而行走式塔吊租金成本每月約5 萬元，由此可見碼頭工程采用行走式塔吊的經濟效益優(yōu)勢較為明顯；

(2)從工程協(xié)調難度方面分析，采用浮吊船作業(yè)時，需要協(xié)調各施工船舶之間穿插施工、船舶調度等，特別是同一個施工區(qū)域存在多艘船舶時， 各施工船舶之間錨纜相互影響，存在一定的安全隱患，并且在船舶進出場時，還需協(xié)調海事局等行政部門，程序較為繁瑣。臺風季節(jié)臺風登陸施工附近區(qū)域時，船舶還必須進入錨地避風，而行走式塔吊卻不存在上述問題，工程協(xié)調簡單，塔吊在遇到臺風登陸時可按專項方案就地拉緊防風纜，進行就地防臺；

(3)從施工便捷程度上分析，行走式塔吊吊臂有60m長，可施工的幅度較廣，且塔吊行進鋼梁作用在穩(wěn)固的橫梁基礎上，相比浮吊船受風浪的影響小，在吊裝模板、構件安裝時更加精準可靠；

(4)行走式塔吊施工特別適合棧橋較長、水深不理想的工程項目。 在本工程中棧橋長度達245m，且在棧橋施工區(qū)域水深不理想， 原泥面標高在+1.5m 至+4.0m 之間，高潮位時平均水深只有3.5m 左右， 如采用浮吊船施工，白天平均可作業(yè)時間約為3h。 但在采用行走式塔吊施工方案后，因塔吊不受潮水漲落影響，在白天即可全天候施工，白天施工時間可在12h 以上。 在實際應用中，棧橋上部結構下橫梁施工以每天完成1 軸下橫梁的施工速率行進，最長的2# 棧橋共30 軸橫梁，完成下橫梁及樁帽砼澆筑只用了35d 時間。 經測算，相比采用浮吊船施工，棧橋橫梁節(jié)點工期至少提前30d 完成。 碼頭工程項目開工時間為2017 年8 月5 日， 完工時間為2018 年6 月15 日，其中受3 次臺風影響停工18d，挖泥施工影響停工5d，停電影響停工5d，春節(jié)放假影響20d，實際碼頭主體工程施工天數為8 個月零22 天。整個碼頭主體工程14#、15# 兩個泊位完工時間比預計工期提前3 個月。

5 結論

(1)簡單介紹了行走式塔吊在福州某港口工程高樁碼頭平臺和棧橋中的施工方案。

(2)通過對塔吊基礎矩形軌道梁的受力分析和塔吊整體的抗風能力計算， 表明本行走式塔吊施工方案在受力性能上可滿足安全施工要求，可抵抗16 級臺風風力。

(3)與傳統(tǒng)浮吊施工相比，采用行走式塔吊施工能使工作協(xié)調更簡單便捷， 施工幅度較廣， 施工更加精準可靠，且能明顯縮短工期，經濟效益明顯，特別適合棧橋較長、水深不理想的工程項目。