港口工程中行走式塔吊的應(yīng)用和受力分析

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(tái)、15# 泊位碼頭平臺(tái)、1# 棧橋、2# 棧橋及碼頭設(shè)施等施工內(nèi)容。

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

棧橋面高程為9.0m，1# 棧橋(寬×長(zhǎng))9m×223m，2# 棧橋(寬×長(zhǎng))12m×245m，棧橋端部均設(shè)喇叭口。 1# 棧橋設(shè)3個(gè)分段(75.6×2+71.8)m，排架間距均為9m。 其中，靠岸段每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)排架下部結(jié)構(gòu)由2 根直徑1m 的灌注樁組成，靠海段每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)排架下部結(jié)構(gòu)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(shè)4 個(gè)分段(62.75+57.75×2+66.75)m，排架間距均為9m。 其中，靠岸段每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)排架下部結(jié)構(gòu)由2 根直徑1.2m 的灌注樁組成， 靠海段每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)排架下部結(jié)構(gòu)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(xiàn)澆樁帽與橫梁，橫梁上擱置厚700mm 預(yù)制混凝土空心板，空心板上現(xiàn)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(diǎn)是棧橋較長(zhǎng)，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(biāo)高較高，棧橋處泥面高程達(dá)到+1.5m～+4.0m， 碼頭平臺(tái)處泥面標(biāo)高達(dá)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(jì)劃采用行走式塔吊(型號(hào)為H3/36B(6036))作為本工程上部結(jié)構(gòu)施工的吊裝設(shè)備(如圖1 所示)。計(jì)劃在完成下橫梁澆筑后， 在棧橋空心板上鋪設(shè)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(shè)鋼軌作為塔吊的行走軌道梁；碼頭平臺(tái)的軌道梁在縱梁安裝完成后， 在縱梁上鋪設(shè)25# 工字鋼，再在工字鋼上鋪設(shè)矩形軌道梁；塔吊行走軌道計(jì)劃鋪設(shè)50m 左右， 塔吊行走軌道梁鋪設(shè)完成后，將塔吊陸運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，并采用吊車進(jìn)行塔吊的組裝。塔吊組裝完成經(jīng)過驗(yàn)收滿足使用要求后， 才能投入施工吊裝使用。 前期施工時(shí)，先立一臺(tái)行走塔吊，隨著施工進(jìn)度的發(fā)展和要求，視情況相應(yīng)增加塔吊數(shù)量。

圖1 碼頭平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)行走式塔吊圖

上部結(jié)構(gòu)施工時(shí)，行走式塔吊主要負(fù)責(zé)鋼抱箍、夾樁槽鋼、鋼模、鋼筋等物件的吊裝，其次根據(jù)塔吊的工作性能，負(fù)責(zé)安裝小于10t 的鋼筋砼構(gòu)件。 施工中塔吊的軌道基礎(chǔ)梁隨橫梁的澆筑進(jìn)度進(jìn)行跟進(jìn)， 并根據(jù)自身的起重能力將后段的軌道梁基礎(chǔ)拆除， 然后再安裝至前進(jìn)方向上，如此類推直至上部結(jié)構(gòu)施工完畢。

3 行走式塔吊基礎(chǔ)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(yàn)收→安裝塔吊。

3.2 塔吊基礎(chǔ)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(shè)700mm×360mm×24mm (翼板)×16mm(腹板) 的矩形鋼梁作為塔吊軌道基礎(chǔ)， 跨度取8.05m 計(jì)算。塔式輪壓傳力方向?yàn)椋轰撥墶匦武摿骸鷻M梁(如圖2所示)。

3.2.1.2 矩形鋼梁受力分析

根據(jù)塔吊數(shù)據(jù)手冊(cè)，塔吊施工時(shí)，主要荷載有塔吊自重荷載550kN、 行走機(jī)構(gòu)配重650kN 以及最大施工荷載100kN，因此，塔吊上部結(jié)構(gòu)總荷載為1300kN。 在吊裝作業(yè)施工時(shí)，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(gè)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(gè)軌輪輪壓較大；

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

因此，第二種工況下對(duì)軌道梁受力產(chǎn)生最不利影響，軌道梁受力分析計(jì)算將以第二種施工工況進(jìn)行受力分析。 經(jīng)查塔吊使用說明書，第二種工況下，塔吊基座對(duì)角線處的支座反力為450kN，考慮分項(xiàng)系數(shù)1.5 后作用力為675kN， 與對(duì)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(jìn)行受力分析計(jì)算(取值依據(jù)：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(yīng)力設(shè)計(jì)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(yīng)力設(shè)計(jì)值[σ]=190MPa，矩形鋼梁抗彎截面系數(shù)w=7754.514cm3，容許彎矩[M]=[σ]×w=1473.4kN·m，作用點(diǎn)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(chǔ)矩形鋼梁受力示意圖

3.2.2 高樁碼頭平臺(tái)部分

3.2.2.1 施工方法

碼頭平臺(tái)施工時(shí)，與棧橋施工相同，首先完成5 跨下橫梁后，進(jìn)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(shè)于縱梁之間，跨度2.9m， 間距6m， 然后在25# 工字鋼上鋪設(shè)700mm×420mm×24mm(翼板)×16mm(腹板)的矩形鋼梁作為塔吊軌道基礎(chǔ)，矩形軌道梁跨度為6m。塔式輪壓傳力方向?yàn)椋轰撥墶ぷ咒摿骸v梁(如圖4 所示)。

圖4 高樁碼頭平臺(tái)塔吊施工立面圖

3.2.2.2 矩形鋼梁受力分析

塔吊行走機(jī)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)荷載共1300kN，在吊裝作業(yè)施工時(shí)，同棧橋吊裝施工時(shí)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(gè)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(gè)軌輪輪壓較大；

第二種工況：在吊臂與基座對(duì)角線重合的工況下，吊臂延伸方向上的基座角點(diǎn)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(duì)軌道梁受力產(chǎn)生最不利影響， 軌道梁受力分析計(jì)算將以第二種施工工況進(jìn)行受力分析。

圖5 碼頭平臺(tái)塔吊基礎(chǔ)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(yīng)力設(shè)計(jì)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(diǎn)剪力Fs=675kN<[Fs]=7794.56kN，則碼頭吊裝作業(yè)時(shí)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(yīng)力設(shè)計(jì)值[σ]=190MPa，矩形鋼梁抗彎截面系數(shù)w=8694.974cm3，容許彎矩[M]=[σ]×w=1652.0kN·m，作 用 點(diǎn) 彎 矩M=0.25×675kN×6.0m=1012.5kN·m<[M]=1652.0kN·m， 則碼頭吊裝作業(yè)時(shí)矩形鋼梁彎矩滿足使用要求。

3.2.2.3 碼頭平臺(tái)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(jì)算。 塔吊上部結(jié)構(gòu)荷載由四個(gè)軌輪分擔(dān)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(shí)，單根25# 工字鋼受力荷載為(20.18+675)kN/2=347.59kN。

圖6 碼頭平臺(tái)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(yīng)力設(shè)計(jì)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(diǎn)剪力Fs=347.59kN<[Fs]=921.5kN，則碼頭平臺(tái)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(yīng)力設(shè)計(jì)值[σ]=190MPa，25# 工字鋼抗彎截面系數(shù)w=402cm3，容許彎矩[M]=[σ]×w=76.38kN·m，作用點(diǎn)彎矩M=347.59kN×0.15m×2.75m/2.9m=49.4kN·m<[M]=76.38kN·m，則碼頭平臺(tái)25# 工字鋼彎矩滿足使用要求。

3.2.3 矩形鋼梁撓度計(jì)算

矩形鋼梁最大跨度8.05m， 對(duì)該受力情況下的矩形鋼梁進(jìn)行撓度計(jì)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(jì)算符合施工要求。

根據(jù)上述針對(duì)棧橋及碼頭平臺(tái)吊裝施工各工況的受力分析結(jié)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(fēng)荷載計(jì)算

3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)風(fēng)荷載計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)為角鋼、槽鋼制成的桁架結(jié)構(gòu)，塔吊采用2m×2m 斷面×3m 高度的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)(結(jié)構(gòu)示意圖見圖7)，塔吊高度15m，基座以上有3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)中國(guó)氣象局《臺(tái)風(fēng)業(yè)務(wù)和服務(wù)規(guī)定》，16 級(jí)臺(tái)風(fēng)風(fēng)速為51～56m/s，取最大風(fēng)速56m/s。

根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 3811-2008)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的風(fēng)荷載計(jì)算：

計(jì)算風(fēng)速v=56m/s×1.5=84m/s， 計(jì)算風(fēng)壓p=0.625×842=4410Pa；

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)正面面積S=2m×3m=6m2， 正面及側(cè)面迎風(fēng)時(shí)，迎風(fēng)面積A=A1+ηA2。 其中A1=w1S 為前片結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面積；A2=w2S 為后片結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面積；w 為結(jié)構(gòu)的充實(shí)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(duì)后片的擋風(fēng)折減系數(shù)， 根據(jù)迎風(fēng)面與背風(fēng)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(duì)后片的擋風(fēng)折減系數(shù)η=0.43；因此可得，迎風(fēng)面積A=0.4×6m2+0.43×0.4×6m2=3.43m2；

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的風(fēng)力系數(shù)Cw 取1.6，離地高度為15m。臺(tái)風(fēng)時(shí)， 塔吊處于非工作狀態(tài)， 單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)風(fēng)荷載Fs=pAC=4410Pa×3.43m2×1.6=24202.08N，有3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，則標(biāo)準(zhǔn)節(jié)總風(fēng)荷載為F1=3×Fs=31.12kN。

3.3.2 吊臂風(fēng)荷載計(jì)算

吊臂(結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖

在臺(tái)風(fēng)來(lái)臨時(shí)，吊臂雖處于可旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，但在吊臂側(cè)面(最大迎風(fēng)面)受到風(fēng)荷載作用時(shí)，瞬間來(lái)不及轉(zhuǎn)動(dòng)而對(duì)塔吊穩(wěn)定性產(chǎn)生極大影響，針對(duì)此情況，根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 3811-2008)進(jìn)行吊臂的風(fēng)荷載計(jì)算：

正面及側(cè)面迎風(fēng)時(shí)， 吊臂正面面積S=0.5×0.8×1.3=0.52m2， 迎風(fēng)面積A=A1+ηA2， 其中各參數(shù)意義詳見上節(jié)3.3.1 內(nèi)容。 迎風(fēng)面與背風(fēng)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(fēng) 面 積A=A1+ηA2=0.4×0.52m2+0.43×0.4×0.52m2=0.297m2；

吊臂的風(fēng)力系數(shù)Cw 取1.3， 離地高度為15m。 臺(tái)風(fēng)時(shí)， 塔吊處于非工作狀態(tài)， 則風(fēng)荷載Fs=pAC=4410Pa×0.297m2×1.3=1702.70N，當(dāng)塔吊吊臂為60m 時(shí)，取23 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)總風(fēng)荷載為F2=23×Fs=39.16kN。

3.3.3 塔吊抗傾覆計(jì)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(fēng)力矩Ms=F×4.5=1462.5kN·m， 風(fēng)荷載對(duì)A 邊的力矩M=F1×7.5+F2×15=820.8kN·m，M＜Ms，故塔吊可抵抗16 級(jí)臺(tái)風(fēng)風(fēng)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(jìn)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(shì)：

(1)從經(jīng)濟(jì)角度分析，傳統(tǒng)碼頭吊裝施工主要采用浮吊船進(jìn)行吊裝作業(yè)。浮吊船的租金成本約每月15 萬(wàn)元至25 萬(wàn)元，而行走式塔吊租金成本每月約5 萬(wàn)元，由此可見碼頭工程采用行走式塔吊的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)較為明顯；

(2)從工程協(xié)調(diào)難度方面分析，采用浮吊船作業(yè)時(shí)，需要協(xié)調(diào)各施工船舶之間穿插施工、船舶調(diào)度等，特別是同一個(gè)施工區(qū)域存在多艘船舶時(shí)， 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(jìn)出場(chǎng)時(shí)，還需協(xié)調(diào)海事局等行政部門，程序較為繁瑣。臺(tái)風(fēng)季節(jié)臺(tái)風(fēng)登陸施工附近區(qū)域時(shí)，船舶還必須進(jìn)入錨地避風(fēng)，而行走式塔吊卻不存在上述問題，工程協(xié)調(diào)簡(jiǎn)單，塔吊在遇到臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)可按專項(xiàng)方案就地拉緊防風(fēng)纜，進(jìn)行就地防臺(tái)；

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

(4)行走式塔吊施工特別適合棧橋較長(zhǎng)、水深不理想的工程項(xiàng)目。 在本工程中棧橋長(zhǎng)度達(dá)245m，且在棧橋施工區(qū)域水深不理想， 原泥面標(biāo)高在+1.5m 至+4.0m 之間，高潮位時(shí)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(shí)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(shí)間可在12h 以上。 在實(shí)際應(yīng)用中，棧橋上部結(jié)構(gòu)下橫梁施工以每天完成1 軸下橫梁的施工速率行進(jìn)，最長(zhǎng)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(shí)間。 經(jīng)測(cè)算，相比采用浮吊船施工，棧橋橫梁節(jié)點(diǎn)工期至少提前30d 完成。 碼頭工程項(xiàng)目開工時(shí)間為2017 年8 月5 日， 完工時(shí)間為2018 年6 月15 日，其中受3 次臺(tái)風(fēng)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(shí)際碼頭主體工程施工天數(shù)為8 個(gè)月零22 天。整個(gè)碼頭主體工程14#、15# 兩個(gè)泊位完工時(shí)間比預(yù)計(jì)工期提前3 個(gè)月。

5 結(jié)論

(1)簡(jiǎn)單介紹了行走式塔吊在福州某港口工程高樁碼頭平臺(tái)和棧橋中的施工方案。

(2)通過對(duì)塔吊基礎(chǔ)矩形軌道梁的受力分析和塔吊整體的抗風(fēng)能力計(jì)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(jí)臺(tái)風(fēng)風(fēng)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(diào)更簡(jiǎn)單便捷， 施工幅度較廣， 施工更加精準(zhǔn)可靠，且能明顯縮短工期，經(jīng)濟(jì)效益明顯，特別適合棧橋較長(zhǎng)、水深不理想的工程項(xiàng)目。