三角型塔架結(jié)構(gòu)在導(dǎo)標(biāo)工程中的應(yīng)用

秦艷丹

（中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200120）

0 引言

導(dǎo)標(biāo)是引導(dǎo)船舶通過(guò)狹窄水道，避開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)域或進(jìn)入港口船閘時(shí)的一種視覺(jué)航標(biāo)，是港口航道導(dǎo)助航工程的主要建筑物之一。多由前后兩組或三組立標(biāo)組成，一般前低后高，它們連線的延長(zhǎng)線表示著航道的軸線。

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和對(duì)外貿(mào)易的高速增長(zhǎng)，中國(guó)海上運(yùn)輸?shù)玫搅顺掷m(xù)快速發(fā)展。隨著船舶的大型化，航道不斷拓寬和延伸，導(dǎo)標(biāo)結(jié)構(gòu)也日益大型化，這些發(fā)展變化對(duì)導(dǎo)標(biāo)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合連云港導(dǎo)標(biāo)實(shí)例，選擇合適的結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提供合理的計(jì)算方法。

1 導(dǎo)標(biāo)的構(gòu)造及結(jié)構(gòu)選型

1.1 導(dǎo)標(biāo)的構(gòu)造

導(dǎo)標(biāo)由上部標(biāo)牌、支撐標(biāo)牌的主體結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)三部分組成。上部標(biāo)牌形狀通常有方形、菱形、矩形、三角形、圓形、梯形等。標(biāo)牌是白天的助航標(biāo)志，尺寸越大，在沿導(dǎo)標(biāo)軸線觀察時(shí)，越具有明顯的形狀特征，可觀察的距離也就越遠(yuǎn)。標(biāo)牌多由有間隙的板條或鏤空的牌面構(gòu)成。

1.2 導(dǎo)標(biāo)的主體結(jié)構(gòu)

常見(jiàn)的導(dǎo)標(biāo)結(jié)構(gòu)有混凝土結(jié)構(gòu)、鋼桁架結(jié)構(gòu)及鋼塔筒結(jié)構(gòu)，鋼桁架結(jié)構(gòu)又可分為鋼管桁架和角鋼桁架[1]。三種形式優(yōu)缺點(diǎn)如下：

（1）混凝土結(jié)構(gòu)導(dǎo)標(biāo)：優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)外封閉，有利于導(dǎo)標(biāo)的檢修和維護(hù)，結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用成熟，抗腐蝕能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是受設(shè)標(biāo)地區(qū)視界內(nèi)的背景情況所限，為突出導(dǎo)標(biāo)作用，外形多為混凝土煙囪，不美觀。

（2）鋼結(jié)構(gòu)桁架導(dǎo)標(biāo)：優(yōu)點(diǎn)是空間桁架結(jié)構(gòu)，鋼管和角鋼可現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊接，施工方便，結(jié)構(gòu)形式與電力行業(yè)的變電塔類似，應(yīng)用廣泛，技術(shù)較成熟，造價(jià)便宜。缺點(diǎn)是開(kāi)敞結(jié)構(gòu)，檢修和后期維護(hù)不方便，維修工人操作存在安全隱患，設(shè)備存在被盜風(fēng)險(xiǎn)。圖1所示為建設(shè)完成的鋼結(jié)構(gòu)桁架導(dǎo)標(biāo)。

（3）鋼結(jié)構(gòu)塔筒導(dǎo)標(biāo)：優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)外封閉，檢修和維護(hù)方便，結(jié)構(gòu)形式類似于風(fēng)電行業(yè)風(fēng)機(jī)塔筒結(jié)構(gòu)，技術(shù)較成熟，外形美觀，可工廠化生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)拼裝，施工質(zhì)量能得到有效保障。缺點(diǎn)是受風(fēng)荷載影響比鋼桁架大，塔身易受變形控制，對(duì)場(chǎng)地要求高，造價(jià)介于混凝土與鋼結(jié)構(gòu)桁架之間。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)桁架導(dǎo)標(biāo)

2 鋼桁架導(dǎo)標(biāo)實(shí)例

連云港布置三座導(dǎo)標(biāo)，其中前中標(biāo)間距2060m，中后標(biāo)間距610m。樁身高度分別約為40m、48m、54m。本文以已經(jīng)施工完成的40m鋼結(jié)構(gòu)三角型塔架導(dǎo)標(biāo)為例，進(jìn)行荷載計(jì)算和內(nèi)力分析。

項(xiàng)目所在地為A類地貌，三角型塔架塔高40m，在高程40m、31m處設(shè)置兩個(gè)內(nèi)平臺(tái)用來(lái)放置設(shè)備。在導(dǎo)標(biāo)的頂部布置一塊標(biāo)牌，尺寸為6m×8m。標(biāo)牌中心處預(yù)留直徑1m的孔用來(lái)安裝LED燈器。三管塔底部邊長(zhǎng)4m，頂部邊長(zhǎng)1.5m。

2.1 結(jié)構(gòu)分析

三角型塔架在風(fēng)荷載、地震的作用下，產(chǎn)生塔架變形與塔柱內(nèi)力。該塔架材料為Q345鋼管及槽鋼，共有6段。采用SAP2000建立結(jié)構(gòu)有限元模型，所有節(jié)點(diǎn)均考慮為鉸接點(diǎn)。利用SAP2000軟件進(jìn)行風(fēng)荷載和雪荷載的施加時(shí)，可采取兩種加載方式：（1）將荷載等效成均布荷載或者集中荷載施加到節(jié)點(diǎn)上；（2）在模型上建立虛面，將荷載作用在虛面上。本塔架采用方式（1）來(lái)進(jìn)行計(jì)算。圖2、圖3所示為導(dǎo)標(biāo)示意圖及計(jì)算模型，表1為塔架主體部分材料參數(shù)表。

圖2 三角型塔架示意圖

圖3 導(dǎo)標(biāo)塔架計(jì)算模型

表1 材料參數(shù)

2.2 荷載工況

（1）恒載：三角型塔架恒載為自重。本塔架重約18.8t。

（2）活載：結(jié)構(gòu)的活載包括風(fēng)荷載與雪荷載。風(fēng)荷載主要考慮三種風(fēng)向，經(jīng)計(jì)算當(dāng)風(fēng)荷載以c風(fēng)向作用在三角型塔架上時(shí)，塔架位移、塔柱內(nèi)力以及支座反力最大，選取最不利情況即風(fēng)向0°來(lái)進(jìn)行計(jì)算。圖4所示為風(fēng)荷載作用下的三種風(fēng)向。

圖4 風(fēng)荷載作用下的三種風(fēng)向

根據(jù)GB50135—2006《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，風(fēng)壓計(jì)算公式為：

式中，ω0為基本風(fēng)壓，根據(jù)項(xiàng)目地資料取0.45kN/m2；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，根據(jù)規(guī)范按高度變化差值選取，依據(jù)規(guī)范取μz=1.8×0.6=1.08；μs為體形系數(shù)，塔架擋風(fēng)系數(shù)計(jì)算為0.45，標(biāo)牌的體型系數(shù)取值為1.3；βz為風(fēng)振系數(shù)。

式中，ζ為脈動(dòng)增大系數(shù)，根據(jù)差值選取，W0T2=0.15，取ζ=1.912；ε1為風(fēng)壓脈動(dòng)和風(fēng)壓高度變化等的影響因素，取0.45；ε2為振型、結(jié)構(gòu)外形的影響因素。

表2所示為塔架各高度節(jié)點(diǎn)的風(fēng)荷載統(tǒng)計(jì)。

表2 塔架各高度節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載統(tǒng)計(jì)（不含標(biāo)牌）

根據(jù)GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[3]，并結(jié)合項(xiàng)目地址，基本雪壓為0.35kN/m2。根據(jù)橫桿翼緣寬度，計(jì)算各桿件的雪壓荷載。

（3）地震工況：結(jié)構(gòu)處于8度區(qū)，加速度0.2g，地震設(shè)計(jì)分組第2組，場(chǎng)地二類。在SAP2000中采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算地震作用，考慮X、Y兩個(gè)方向的水平地震作用。

2.3 荷載組合

三角型塔架為高聳結(jié)構(gòu)，主要荷載為風(fēng)荷載和地震作用對(duì)其的水平側(cè)向荷載，因此荷載組合主要考慮兩種情況：基本組合和地震效應(yīng)組合。

（1）根據(jù)GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[3]，結(jié)構(gòu)效應(yīng)的基本組合為：

其中，恒載分項(xiàng)系數(shù)取1.2，活荷載（風(fēng)荷載與雪荷載）分項(xiàng)系數(shù)取1.4，雪荷載組合系數(shù)取0.7。

（2）地震效應(yīng)基本組合根據(jù)GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]中相關(guān)規(guī)定：

其中，重力效應(yīng)荷載取自重標(biāo)準(zhǔn)與0.5倍雪荷載之和，分項(xiàng)系數(shù)取1.2；風(fēng)荷載組合系數(shù)取0.2，分項(xiàng)系數(shù)取1.4；地震作用分項(xiàng)系數(shù)取1.3。

2.4 內(nèi)力計(jì)算及分析

通過(guò)計(jì)算比較，得出三角型塔架在兩種荷載組合情況下最不利組合：

（1）基本荷載組合下：結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為208.27N/mm2，小于鋼材抗拉（壓）強(qiáng)度設(shè)計(jì)值295N/mm2。最大位移為203.18mm，位移值小于規(guī)范中規(guī)定的水平位移限制要求（線性位移533mm，非線性位移800mm）。支座反力最大為2075.6kN，對(duì)結(jié)構(gòu)底部最大彎矩為6066.3kN·m。圖5所示為基本組合下的位移圖。

（2）地震效應(yīng)組合下：結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為196N/mm2，小于鋼材抗拉（壓）強(qiáng)度設(shè)計(jì)值295N/mm2。最大位移為172.14mm，位移值小于規(guī)范中規(guī)定的水平位移限制要求（線性位移533mm，非線性位移800mm）。支座反力最大為1700.82kN，對(duì)結(jié)構(gòu)底部最大彎矩為4874.8kN·m。圖6所示為地震效應(yīng)組合下的位移圖。

圖5 基本組合下位移圖

圖6 地震效應(yīng)組合下位移圖

通過(guò)以上結(jié)論可以得出：

（1）所有桿件計(jì)算應(yīng)力都在允許應(yīng)力范圍內(nèi)；

（2）在最不利工況下，位移最大值在允許范圍內(nèi)；

（3）在該三角型塔架結(jié)構(gòu)里，最不利組合為基本組合，即風(fēng)荷載比地震力更能起主導(dǎo)作用。

三角型塔架上標(biāo)牌對(duì)塔架作用力為267.7kN，對(duì)結(jié)構(gòu)底部彎矩為4848.6kN·m，對(duì)比基本組合下的受力分析，可以發(fā)現(xiàn)在風(fēng)荷載起主導(dǎo)作用情況下，標(biāo)牌受風(fēng)荷載產(chǎn)生的水平力、對(duì)塔架底部的彎矩對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)影響非常明顯。

2.5 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

三角型塔架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)受力以抗拔、抗傾覆控制為主，應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)情況，因地制宜，合理地進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.6 防腐設(shè)計(jì)

導(dǎo)標(biāo)工程多處于沿海港口或偏僻山區(qū)，因此導(dǎo)標(biāo)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的抗腐蝕性，防腐設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)范。目前導(dǎo)標(biāo)鋼材多采用噴鋅或者噴鋁等方式來(lái)進(jìn)行防腐處理。

3 結(jié)論與建議

（1）設(shè)計(jì)導(dǎo)標(biāo)標(biāo)牌時(shí)，應(yīng)在保障導(dǎo)航安全的基礎(chǔ)上，盡可能減少標(biāo)牌的受風(fēng)面積或者加大標(biāo)牌平面內(nèi)的鏤空面積，從而減少風(fēng)荷載的作用，使導(dǎo)標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更經(jīng)濟(jì)。

（2）導(dǎo)標(biāo)標(biāo)牌一般位于塔架的頂部，且面積較大，按照規(guī)范取的體型系數(shù)值與實(shí)際情況存在一定差距，可能會(huì)造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不安全。建議針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)桁架等復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的風(fēng)洞數(shù)值分析。

［參考文獻(xiàn)］

[1]藺雪峰，張小安，陶鵬.鋼塔筒結(jié)構(gòu)形式在港口導(dǎo)標(biāo)工程中的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程，2012（9）：110-113.

[2]高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50135—2006[S].

[3]建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB50009—2012[S].

[4]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50011—2010[S].