唐劍瀟

(東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130021)

1 工程概況

專用碼頭位于湘江南岸，距上游涓水河口1.43 km，距下游漣水河口0.72 km，利用江邊某雜貨港區(qū)的閑置場(chǎng)地建設(shè)。碼頭設(shè)計(jì)高水位為40.2 m，設(shè)計(jì)低水位為29.0 m，枯水期和豐水期的水位高差較大。

工程區(qū)域的地質(zhì)情況從上至下依次為：素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土(硬可塑)、粉質(zhì)黏土(軟可塑)、中砂、粗砂、礫砂、圓礫、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，以及中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。樁基礎(chǔ)可以中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖作為樁端持力層。

需要從專用碼頭轉(zhuǎn)運(yùn)的大件設(shè)備為28臺(tái)換流變壓器，其中，高端換流變壓器的運(yùn)輸尺寸為13 089 mm×3950 mm×492 mm(長(zhǎng)×寬×高)，運(yùn)輸重量為360 t；低端換流變壓器的運(yùn)輸尺寸為10 000 mm×3700 mm×4850 mm(長(zhǎng)×寬×高)，運(yùn)輸重量為259 t。一程水運(yùn)采用1000 t級(jí)駁船，碼頭的起重設(shè)備采用500 t級(jí)雙人字桅桿吊[1]，運(yùn)輸車輛采用橫拼2縱列14軸線液壓全懸掛平板車及配套牽引車。

2 桅桿吊大件碼頭的平面布置

換流變壓器的運(yùn)輸批次根據(jù)工程建設(shè)和設(shè)備生產(chǎn)的進(jìn)度確定，一般一個(gè)批次到貨1～2臺(tái)，采用單船單件的載貨模式，大件碼頭則按照單泊位規(guī)模設(shè)計(jì)。

2.1 布置方式

由于桅桿吊大件碼頭在既有港區(qū)內(nèi)建設(shè)，可利用的空間有限，其平面布置應(yīng)秉持因地制宜、緊湊實(shí)用的設(shè)計(jì)原則，可采取平行式布置和垂直式布置兩種方案。

“平行式”指桅桿吊人字兩腳的連線與運(yùn)輸平板車的縱向軸線兩相平行，運(yùn)輸平板車置于江側(cè)、桅桿吊置于岸側(cè)，設(shè)備從艙底起吊后，桅桿變幅至平板車位下落裝車(圖1)。平行式布置廣泛應(yīng)用于中大型碼頭的設(shè)計(jì)中[2]，根據(jù)泊位數(shù)量和吞吐能力，平板車位置可設(shè)置單車位或多車道，并在碼頭前沿形成交通環(huán)線，提高運(yùn)輸效率。

圖1 平行式布置方案

“垂直式”指桅桿吊人字兩腳的連線與運(yùn)輸平板車的縱向軸線兩相垂直，運(yùn)輸平板車置于桅桿吊人字兩腳之間，設(shè)備從艙底起吊、在空中旋轉(zhuǎn)90°后，桅桿變幅至平板車位下落裝車(圖2)。垂直式布置并不多見(jiàn)，車輛裝載后需利用桅桿吊基礎(chǔ)與卷?yè)P(yáng)機(jī)地錨之間的場(chǎng)地通行，出港路徑較短。

圖2 垂直式布置方案

2.2 方案對(duì)比

平行式布置方案中，為滿足平板車的出港，碼頭平臺(tái)的江側(cè)前沿需拓寬并直接與引接道路相連，增大了碼頭平臺(tái)的平面尺寸和碼頭前沿向江側(cè)延展的距離，也需要更多的建設(shè)用地，提高了工程投資。垂直式布置方案中，碼頭平臺(tái)的平面尺寸只需要考慮桅桿吊基礎(chǔ)和平板車的布置，平板車的出港方向?yàn)榇a頭平臺(tái)的岸側(cè)，可采用最簡(jiǎn)捷的路徑與引接道路相連；由于不受平板車位的限制，桅桿吊基礎(chǔ)的布置比較靈活，從而可以縮短碼頭平臺(tái)伸入江側(cè)的距離。

由以上比較可知，垂直式布置方案可實(shí)現(xiàn)占地面積和碼頭平臺(tái)尺寸的最小化，可大幅降低工程投資，滿足利用狹小空間建設(shè)專用碼頭的外部條件，是電力大件設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)吊裝的適應(yīng)性方案。

3 桅桿吊大件碼頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

桅桿吊大件碼頭的結(jié)構(gòu)布置應(yīng)充分考慮桅桿吊和碼頭平臺(tái)的受力原理和傳力路徑，通過(guò)綜合性的分析和研究確定設(shè)計(jì)方案。

桅桿吊的荷載傳遞路徑為貨物重量通過(guò)吊鉤傳遞給鋼絲繩，鋼絲繩拉力通過(guò)主桅桿和附桅桿頂部的起伏滑輪組傳遞給卷?yè)P(yáng)機(jī)，卷?yè)P(yáng)機(jī)是桅桿吊的動(dòng)力輸出裝置，卷?yè)P(yáng)機(jī)固定在地錨頂部；主、附桅桿在各種變幅工況下均起到起伏滑輪組的支撐作用，主、附桅桿在地面上采用鉸接支座，桿體軸力通過(guò)支座傳遞給桅桿吊基礎(chǔ)。

碼頭平臺(tái)所承受的荷載主要包括：結(jié)構(gòu)自重、車輛荷載、卸貨設(shè)備自重、船舶撞擊力、系纜荷載、水流力、風(fēng)荷載，以及施工荷載等。由于碼頭前沿伸入江側(cè)較短，結(jié)構(gòu)受水流影響較小，主導(dǎo)可變作用以豎向荷載為主。

大件碼頭采用垂直式平面布置方案，碼頭整體采用高樁碼頭結(jié)構(gòu)型式，平臺(tái)采用無(wú)梁厚板式承臺(tái)，碼頭前沿靠船支撐結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架，樁基采用直徑1.2 m的鋼筋混凝土灌注樁、直樁型式。卷?yè)P(yáng)機(jī)地錨采用墩臺(tái)式基礎(chǔ)，其下采用鋼筋混凝土灌注樁支撐。

由于平面布置緊湊，桅桿吊基礎(chǔ)與碼頭平臺(tái)的間距較小，考慮將二者合并形成兼具桅桿吊基礎(chǔ)功能的碼頭平臺(tái)，則桅桿吊起重荷載成為碼頭平臺(tái)的控制荷載。以吊重400 t為例，分析桅桿吊在起吊幅度和卸貨幅度兩種工況下的受力情況。設(shè)計(jì)吊重計(jì)算如式(1)：

T=k×(G+q)

(1)

式中：T為設(shè)計(jì)吊重，t；k為動(dòng)負(fù)荷系數(shù)，取1.1；G為起吊重量，取400 t；q為吊鉤、鋼絲繩及桅桿自重，取50 t。經(jīng)計(jì)算T為495 t。

如圖3和圖4所示，卷?yè)P(yáng)機(jī)地錨和桅桿支座是桅桿吊在碼頭平臺(tái)上的著力點(diǎn)，桅桿吊通過(guò)鋼絲繩和桅桿將起吊設(shè)備的重量傳遞至此著力點(diǎn)上。起吊幅度和卸貨幅度兩種工況相比較，起吊幅度為最不利工況，卷?yè)P(yáng)機(jī)地錨承受較大的上拔力和水平力，桅桿支座承受較大的下壓力和水平力?？紤]此種荷載特點(diǎn)，根據(jù)結(jié)構(gòu)部件不同的受力模式，提出兩種碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

圖3 起吊幅度的桅桿吊受力簡(jiǎn)圖

圖4 卸貨幅度的桅桿吊受力簡(jiǎn)圖

3.1 獨(dú)立式結(jié)構(gòu)方案

獨(dú)立式方案中，碼頭平臺(tái)和地錨墩臺(tái)均獨(dú)立設(shè)置，互相脫開(kāi)，對(duì)于所受的荷載亦獨(dú)立承擔(dān)。該方案是桅桿吊碼頭設(shè)計(jì)中的常規(guī)方案。

如圖5所示，由于地錨墩臺(tái)需要獨(dú)立承擔(dān)起吊幅度工況下巨大的水平力，且受場(chǎng)地限制無(wú)法采用斜樁或者叉樁[3]，只能通過(guò)增加樁基數(shù)量的方式提高地錨墩臺(tái)的水平荷載承載能力，同時(shí)也需增大地錨墩臺(tái)的平面尺寸。碼頭平臺(tái)由于受到卸貨重量和桅桿吊荷載的同時(shí)作用，豎向力和水平力均較大，樁基數(shù)量由豎向荷載控制。

圖5 獨(dú)立式結(jié)構(gòu)方案?jìng)?cè)視圖

3.2 連系式結(jié)構(gòu)方案

3.2.1 總體設(shè)計(jì)

起吊幅度工況的桅桿吊荷載作用下，如圖3所示，地錨墩臺(tái)受到4060 kN(406 t)的江側(cè)水平力，碼頭平臺(tái)受到4900 kN(490 t)的岸側(cè)水平力，二者所受的水平力是異向相對(duì)的。

利用上述受力特點(diǎn)，如圖6所示，創(chuàng)新性的通過(guò)增設(shè)兩根鋼筋混凝土連系梁將地錨墩臺(tái)和碼頭平臺(tái)連接在一起，連系梁作為支撐桿，使地錨墩臺(tái)和碼頭平臺(tái)所受的異向水平力大部分互相抵消，碼頭平臺(tái)依然按照豎向荷載設(shè)計(jì)，平臺(tái)尺寸和樁基個(gè)數(shù)與獨(dú)立式方案相同；地錨墩臺(tái)的樁基數(shù)量改為由豎向荷載控制，相比獨(dú)立式方案樁基個(gè)數(shù)可大幅減少，地錨墩臺(tái)的平面尺寸也隨之減小。另外，由于“地錨墩臺(tái)+連系梁+碼頭平臺(tái)”形成整體結(jié)構(gòu)，碼頭平臺(tái)的系纜力和船舶撞擊力也可由三者共同承擔(dān)。

圖6 連系式結(jié)構(gòu)方案?jìng)?cè)視圖

3.2.2 構(gòu)造要點(diǎn)

在起吊幅度工況下，除自重以外，連系梁受到較大的軸心壓力，為提高連系梁的受壓承載力，如圖7(b)所示，連系梁端部與碼頭平臺(tái)采用鋼結(jié)構(gòu)銷軸連接，按照鉸接設(shè)計(jì)，不考慮地錨墩臺(tái)和碼頭平臺(tái)的不平衡彎矩影響。在系纜力工況下，連系梁受到系纜拉力的作用，起到傳遞荷載、協(xié)調(diào)受力的作用。為減小連系梁的計(jì)算長(zhǎng)度，在連系梁中部設(shè)置鋼筋混凝土橫撐，在平面上與兩根連系梁共同形成“H”形布置，并在橫撐處的每根連系梁下設(shè)置一根樁基作為豎向支座，使橫撐處的連系梁受到水平和豎直兩個(gè)方向的可靠支撐。

圖7 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造詳圖

連系梁設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于桅桿吊卸貨后的滿載行車工況，連系梁區(qū)域亦是平板車的行車場(chǎng)地，這也是在碼頭平面布置方面垂直式方案對(duì)比平行式方案的一個(gè)明顯差異。如果連系梁需承受滿載車輛荷載，則連系梁應(yīng)考慮軸心受壓和豎向受彎兩個(gè)不利工況的包絡(luò)設(shè)計(jì)，為保證連系梁采用合理的斷面尺寸，需要在連系梁下設(shè)置多根樁基，以縮小梁的計(jì)算跨度。這種設(shè)計(jì)方案同樣會(huì)增大樁基工程量，在投資方面得不償失。

如圖7(a)所示，為使連系梁免受車輛荷載的影響，考慮采用外包圍式單孔箱涵對(duì)連系梁進(jìn)行防壓保護(hù)，車輛荷載作用在單孔箱涵的蓋板上，箱涵側(cè)壁將豎向荷載直接傳遞至路基層；箱涵底板頂面和連系梁底面采用油氈底膜隔離，確保當(dāng)箱涵受力沉降時(shí)不會(huì)對(duì)連系梁產(chǎn)生向下的拖拽作用。單孔箱涵采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、嵌入式承重活動(dòng)蓋板，施工過(guò)程中，先進(jìn)行箱涵底板和側(cè)壁的施工，完成后再進(jìn)行連系梁的綁筋、支模和澆筑工作，活動(dòng)蓋板可采用預(yù)制式，連系梁施工完成后安裝蓋板，場(chǎng)地即可具備行車條件。

3.3 方案比選

對(duì)獨(dú)立式結(jié)構(gòu)方案和連系式結(jié)構(gòu)方案分別進(jìn)行相關(guān)工程量和工程投資的計(jì)算，結(jié)果如表1所示。結(jié)合以上計(jì)算結(jié)果，對(duì)兩種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行對(duì)比分析，可知連系式結(jié)構(gòu)方案在以下幾個(gè)方面均具有較大優(yōu)勢(shì)。

表1 方案計(jì)算對(duì)比

(1)由表1可知，獨(dú)立式結(jié)構(gòu)方案的地錨墩臺(tái)和樁基礎(chǔ)工程量較高，連系式結(jié)構(gòu)方案的單孔箱涵工程量較高，綜合比較相關(guān)工程量的工程投資，連系式結(jié)構(gòu)方案要比獨(dú)立式結(jié)構(gòu)方案節(jié)約29%。由此可見(jiàn)，連系式結(jié)構(gòu)方案的工程經(jīng)濟(jì)性要顯著優(yōu)于獨(dú)立式結(jié)構(gòu)方案。

(2)連系式結(jié)構(gòu)方案巧妙地將兩個(gè)單體結(jié)構(gòu)的外力問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力問(wèn)題，并使碼頭平臺(tái)和地錨墩臺(tái)的各構(gòu)件協(xié)同受力，在降低工程量的同時(shí)，提高了桅桿吊大件碼頭結(jié)構(gòu)安全性，為特高壓換流站大件運(yùn)輸?shù)捻樌麑?shí)施創(chuàng)造了有利條件，是專用碼頭工程的首選方案。

(3)橫撐及樁基支座、梁端銷釘鉸接節(jié)點(diǎn)和單孔箱涵防壓保護(hù)等措施，是具有針對(duì)性的構(gòu)造設(shè)計(jì)，可有效保障設(shè)計(jì)假定模型的實(shí)現(xiàn)，保障連系式碼頭結(jié)構(gòu)的可靠運(yùn)行。

4 結(jié) 論

針對(duì)特高壓換流站大件設(shè)備運(yùn)輸?shù)奶厥庖螅ㄟ^(guò)平行式和垂直式兩種方案研究桅桿吊大件專用碼頭的平面布置對(duì)比，垂直式布置方案在占地面積和碼頭工程量等方面優(yōu)勢(shì)明顯；提出獨(dú)立式和連系式兩種碼頭結(jié)構(gòu)方案，根據(jù)桅桿吊的受力分析和方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，推薦采用連系式結(jié)構(gòu)方案，該方案通過(guò)設(shè)置鋼筋混凝土連系梁將碼頭平臺(tái)和地錨墩臺(tái)縱向連接，充分發(fā)揮碼頭結(jié)構(gòu)整體的協(xié)同承載能力，可大幅降低樁基數(shù)量和工程投資，提高桅桿吊大件碼頭結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性，保障特高壓工程大件運(yùn)輸?shù)捻樌麑?shí)施。