適應不均勻沉降的皮帶機與棧橋結構一體化設計

沈 卓，顧寬海，艾 菁

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

1 工程概況

近年來，澳門地區(qū)大量的建筑工程，如大型賭場、酒店、樓宇及道路基建產(chǎn)生了大量的建筑棄料，其中地基平整及建筑基坑開挖過程中產(chǎn)生的淤泥及黏土統(tǒng)稱為海泥。以往海泥的處理方式一直采用卡車運輸至垃圾堆填場，并集中傾倒入海的做法，現(xiàn)在為了維持海泥傾倒區(qū)與周邊環(huán)境的穩(wěn)定共存，并提升海泥的二次利用價值，擬在海泥傾倒區(qū)原址建設1個海泥專用堆填場，并配備1個臨時出運碼頭，采用皮帶機裝船系統(tǒng)，以規(guī)范海泥的裝船外運。皮帶機工藝斷面如圖1所示。

現(xiàn)有的海泥傾倒區(qū)并未經(jīng)過任何的地基處理，基底存在厚15～25 m的淤泥或淤泥質土，經(jīng)過近10年的海泥傾倒，天然軟土被不同類型的海泥壓縮、擠壓、變形，使地基條件變得更加復雜，這給新建海泥專用拋填堆場的建設帶來極大的難度。經(jīng)多方案比選，地基處理推薦采用淺層清淤+碎石樁的基礎方案，該方案能較好地解決地基承載力的問題，但復雜軟土地基的不均勻沉降卻很難消除，經(jīng)復核計算，不均勻沉降遠大于常規(guī)皮帶機項目。

考慮到本工程皮帶機棧橋長度、離地高度及工藝特點，棧橋結構具有機械化非標準設計的條件，因此引入皮帶機與棧橋結構一體化的設計理念，在設計階段考慮其抵抗基礎不均勻沉降的構造，使皮帶機能夠適應復雜軟土地基的不均勻沉降，滿足運行要求。

2 設計標準的選用

皮帶機棧橋作為建筑單體可采用建筑類規(guī)范；而皮帶機屬于設備，皮帶機棧橋也可看作設備的一部分，采用設備類規(guī)范。兩類規(guī)范雖然都可指導棧橋結構的設計，但是不同的規(guī)范側重點不同，會產(chǎn)生不同的設計結果。

2.1 有風工況載荷組合

建筑類規(guī)范主要采用《建筑結構荷載規(guī)范》[1]和《鋼結構設計規(guī)范》[2]，荷載組合主要使用分項系數(shù)法，根據(jù)皮帶棧橋所受的荷載，有風工況荷載組合可以表達為：

1.2S永+1.4S物料+1.4×0.6S風< [σ]

(1)

式中：S永為永久荷載;S物料為皮帶機物料荷載;S風為風荷載；[σ]為材料強度設計值。

材料強度設計值與材料屈服極限的比值約為0.9，故式(1)可整理為：

1.33S永+1.56S物料+0.93S風< [σ屈服]

(2)

式中：[σ屈服]為材料屈服極限。

設備類規(guī)范主要采用《移動式散料連續(xù)搬運設備鋼結構設計規(guī)范》[3]和《起重機設計規(guī)范》[4]。荷載組合主要沿用安全系數(shù)法，有風工作工況安全系數(shù)為1.34，荷載組合可表達為：

1.34S永+1.474S物料+1.34S風< [σ屈服]

(3)

綜合比較式(2)、(3)可以發(fā)現(xiàn)，建筑類規(guī)范對多個可變荷載和組合，設有組合系數(shù)的概念，會削弱組合中某項可變荷載，而設備類規(guī)范沒有削弱各荷載的概念，綜合各項系數(shù)來看，設備類規(guī)范的荷載組合略微嚴格。

2.2 風荷載

風荷載在本工程皮帶機棧橋結構的荷載中比例較大。建筑類規(guī)范和設備類規(guī)范針對風荷載的計算公式有一定差異。

2.2.1設計風速

《起重機設計規(guī)范》的風荷載分為工作風和非工作風(即暴風)。工作風的風速，采用離地10 m、3 s時距的平均瞬時風速，重現(xiàn)期50 a。根據(jù)皮帶機等各港口設備的運行要求，沿海地區(qū)統(tǒng)一取20 ms，即工作狀態(tài)計算風壓為0.25 kNm2。非工作風的風速一般不超過50 ms，但是風況惡劣的情況下，需要結合當?shù)貧庀筚Y料，氣象數(shù)據(jù)一般指離地10 m、重現(xiàn)期50 a、10 min時距的平均風速(3 s時距的平均瞬時風速為10 min時距的1.4倍)。以澳門地區(qū)為例，近年來，臺風日趨頻繁，2017年臺風“天鴿”達16級，近中心最高風速達49 ms，折算到3 s時距的暴風設計風速應取68.6 ms。

圖2為DPD模擬所涉及最高體系濃度(雜雙子表面活性劑體積分率φ=0.5)下,C9-P-NC18體系中各DPD軟粒子的擴散系數(shù)(D)隨模擬步數(shù)(Ns)的變化情況.顯然,當模擬進行一段時間(至多5×104時間步)之后,各類粒子的擴散系數(shù)均無大的起伏,僅有小的波動,充分表明該體系已達平衡.由此可見,5×105時間步應足以確保每一輪模擬達到平衡狀態(tài).

《建筑結構荷載規(guī)范》的風荷載只取一種基本風壓，基本風壓取決于基本風速，采用離地10 m、10 min時距的平均風速，重現(xiàn)期50 a。以澳門地區(qū)為例，其基本風壓取0.9 kNm2，相當于風速38 ms，折算3 s時距的平均瞬時風速為53.2 ms，與《起重機設計規(guī)范》暴風風速的一般取值50 ms非常接近，但在設計風速上，《起重機設計規(guī)范》是《建筑結構荷載規(guī)范 》的1.4倍。

2.2.2體形系數(shù)

《建筑結構荷載規(guī)范》對型鋼桁架結構的體形系數(shù)統(tǒng)一取1.3，不再對單獨桿件單獨取值?！兑苿邮缴⒘线B續(xù)搬運設備鋼結構設計規(guī)范》對型鋼桁架結構的體形系數(shù)統(tǒng)一取1.6，也允許單獨桿件單獨取值，但最大值為1.6；《起重機設計規(guī)范》則對直邊型鋼桁架結構的體形系數(shù)統(tǒng)一取1.7，也允許單獨桿件單獨取值，最大值為1.7。

2.2.3高度變化系數(shù)

《建筑結構荷載規(guī)范》有高度變化系數(shù)與地面粗糙度和離地高度的對照表，本工程地面粗糙度屬于A類海岸地區(qū)，按照離地10 m取值，高度變化系數(shù)為1.28?！镀鹬貦C設計規(guī)范》中，工作風荷載是不考慮高度變化系數(shù)的，而暴風荷載按照離地10 m取值，高度變化系數(shù)為1.0。

2.3 綜合分析比選

經(jīng)綜合分析比選，兩類規(guī)范對皮帶機棧橋結構設計的對比見表1。兩類規(guī)范在體形系數(shù)和高度變化系數(shù)上均不相同，但設備類規(guī)范在荷載組合中沒有削弱荷載的組合系數(shù)，且風荷載的要求總體嚴格于建筑類規(guī)范。出于安全考慮，本工程皮帶機的一體化棧橋結構設計采用設備類規(guī)范。

表1 設計規(guī)范對比

3 一體化棧橋結構的設計方案

傳統(tǒng)皮帶機及其棧橋結構設計一般假設基礎沉降為0(或基礎沉降滿足許用值)，一旦發(fā)生較大不均勻沉降時，只能通過外部措施被動調整。而本工程軟土地基較復雜，基礎不均勻沉降超標不可避免，皮帶機及其棧橋結構必須要適應這種差異沉降，并能在沉降后快速恢復。為此，皮帶機及其棧橋結構需要做出以下優(yōu)化：1)棧橋結構足夠輕巧，盡量整合皮帶機自身結構，與其一體化設計，以減少沉降壓力、降低調整的負擔；2)支腿結構的高度可調，并具有抵消一定水平位移的能力。

3.1 棧橋斷面結構的優(yōu)化

皮帶機與棧橋結構的一體化設計，則充分利用皮帶機自身的支撐結構，自成桁架，大幅減少非受力構件，如圖2b)所示。弦桿主要采用原中間架的角鋼和槽鋼，個別跨度大的可選用尺寸小的H形鋼或矩形管截面。針對跨度小、帶寬窄的皮帶機棧橋，甚至可以直接采用型鋼實腹梁結構，如圖2c)所示。

一體化棧橋結構，除自重及皮帶機荷載外，風荷載為影響結構用鋼量的主要荷載，在澳門地區(qū)為最主要荷載。一體化棧橋結構的桁架寬度，一般與皮帶機托輥組結構等寬，當桁架跨度超大后，其側向剛度明顯不足，抵抗側向風荷載能力偏弱，為此可以將非受力構件的走道平臺也納入桁架的受力結構，加強側向抗彎能力，如圖2d)所示。同時，為進一步減少皮帶機的迎風面積，上弦桿之間的水平撐桿也可進一步簡化，同時托輥組采用下沉式設計，局部下沉至桁架結構內，使迎風面積最大的防雨罩可以盡量降低，優(yōu)化后形成一體化棧橋結構的最優(yōu)斷面形式，其用鋼量達到最省，如圖2e)所示。

圖2 皮帶機棧橋斷面

3.2 主桁架結構的優(yōu)化

主流桁架結構形式，沿用的仍是二維設計階段的經(jīng)典形式。隨著有限元結構分析軟件的普及，三維建模早已實現(xiàn)且可進行動態(tài)分析，計算的準確性也有了長足的進步，不僅可以對具體桿件截面做精確選型，而且可以在經(jīng)典結構形式上做進一步的優(yōu)化。

目前，主流最經(jīng)典的桁架形式如圖3a)所示。所有斜桿沿著桁架中心左右對稱，此種形式的斜桿均為拉桿，被認為是用鋼量最省的結構形式。但此類桁架適合單獨成跨，即與左右桁架斷開，不產(chǎn)生剛性連接。

皮帶機一體化的棧橋，為保證結構可靠，主桁架結構主要采用焊接，為便于安裝與運輸，單榀桁架長度需要控制在12 m以內，而實際桁架的跨度往往會超過20 m，此時需要現(xiàn)場多榀桁架拼接成跨。拼接的桁架，其中間斜桿適合設計成交替狀，如圖3b)所示。此類結構無傳力突變，但桁架中間豎桿的受力都非常小，為盡量減少非受力桿件，中間豎桿數(shù)量可以減少一半，使斜桿呈人字分布，如圖3c)所示。在此基礎上，通過優(yōu)化弦桿和斜杠截面，調整斜杠角度，無中間豎桿的桁架結構仍能有效支撐皮帶機，如圖3d)所示。無中間豎桿主桁架結構的三維模型如圖4所示，有限元計算結果見圖5。有風工況桁架最大應力214.8 MPa，滿足材料Q345B的強度設計值要求；側向位移31.3 mm，豎向位移19 mm，滿足尺寸的l400的位移容許值要求。故本工程桁架結構最終采用無中間豎桿結構。

圖3 主桁架結構形式

圖4 無中間豎桿主桁架結構

圖5 桁架應力和位移云圖

3.3 支腿結構的優(yōu)化

目前主流桁架的支腿，按結構形式主要分為A字桁架型、矩形桁架型、門架型等，按照支腿數(shù)量分為單腿、雙腿、三腿、四腿型，但均為固定剛性支撐，高度不可調整，其力學簡化模型如圖6a)所示。一旦基礎發(fā)生不均勻沉降，則必須通過起重機械輔助，通過增加墊片或調整支座使得桁架結構保持原有的直線度和水平度[6]，操作專業(yè)性非常高，調整工作量也非常大。

如果支腿結構高度可調，不做成剛性支撐，則適應基礎的不均勻沉降將變?yōu)榭赡?。其中一個可行的支腿形式為倒人字結構，如圖6b)所示，支腿下端節(jié)點設計成鉸軸形式，支腿上端與桁架的連接設計成滑道或滾輪形式，桁架與支腿允許水平方向相對滑動，通過改變倒人字支腿的夾角，即可調整桁架支撐點的高度，從而達到適應地基不均勻沉降的目的。

圖6 支腿結構簡化模型

倒人字支腿的其中一種方式如圖7所示，角度調整可由油缸來實現(xiàn)，分別支撐在倒人字支腿的底部，按實際需要調整支腿角度，并通過螺桿鎖定，整個過程，僅需要傳感器和必要的監(jiān)測手段輔助，并不需要大型起重設備，沉降穩(wěn)定之后，油缸等輔助構件即可由固定構件所取代。

圖7 支腿角度調整機構

4 結論

1)皮帶機與棧橋結構一體化的設計宜采用設備類規(guī)范，設備類規(guī)范總體嚴格于建筑類規(guī)范，尤其是風荷載為主要荷載的工況，設備類規(guī)范考慮工作風和暴風兩類風荷載，且風速取值為3 s時距平均風速，是建筑類規(guī)范10 min時距的平均風速的1.4倍。

2)最輕的一體化桁架結構，為無中間豎桿、無上平面聯(lián)系桿件的結構，皮帶機托輥支架可融入整個桁架結構的受力體系中，有助于最大化降低桁架結構的用鋼量，從而減少基礎沉降量，便于調整。

3)倒人字支腿結構的高度可調，能適應基礎的不均勻沉降，可拓展至類似結構工程。