重件碼頭1100t桅桿吊基礎(chǔ)的設(shè)計與研究

郭頌

摘 要：本文以江蘇某公用重件碼頭為例，介紹額定吊裝能力1100t固定桅桿式起重機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計方法，通過對不同桅桿吊基礎(chǔ)型式的方案對比和研究，為以后超大重件碼頭的桅桿吊基礎(chǔ)設(shè)計提供了參考。

關(guān)鍵詞：重件碼頭;桅桿式起重機(jī);桅桿吊基礎(chǔ);高樁承臺

中圖分類號：U656.1 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2021）07-0089-03

近些年，隨著海洋平臺、大型風(fēng)力發(fā)電場、大跨度橋梁等工程建設(shè)的迅速發(fā)展，集裝箱橋吊、海上發(fā)電模塊、海底隧道沉管、橋梁基座沉箱等這些重大件貨物的裝卸和運(yùn)輸在大型工程建設(shè)起到了越來越重要的作用。重大件轉(zhuǎn)運(yùn)一般采用公路、鐵路、水運(yùn)等方式，其中水路運(yùn)輸是最經(jīng)濟(jì)且對重量和尺寸限制最少的運(yùn)輸方式。如何建設(shè)滿足重大件構(gòu)件的裝卸需求的專業(yè)碼頭是重件碼頭設(shè)計的關(guān)鍵。

本文以江蘇灌河某公用重件碼頭桅桿吊基礎(chǔ)墩設(shè)計為例，介紹高樁墩式桅桿吊基礎(chǔ)的設(shè)計要點(diǎn)，并通過對其兩個設(shè)計方案的技術(shù)分析和比選，從而選出最優(yōu)設(shè)計方案，為以后的高樁墩式桅桿吊基礎(chǔ)設(shè)計提供了參考。

1工程介紹

1.1自然條件

工程位于江蘇省響水縣灌河?xùn)|岸，東瀕黃海，距灌河入?？诩s4km，東距連云港約55km。屬于濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，灌河高、低潮位和潮差變化不大，漲落潮平均最大流速約2.1m/s，工程所在地波浪作用影響不明顯。

工程區(qū)土層主要為第四系全新統(tǒng)沉積（Q4al）的淤泥質(zhì)土、粘性土、粉土、粉砂。從地表向下依次為雜填土、淤泥質(zhì)黏土、粉砂夾粉土、粉細(xì)砂。其中，粉細(xì)砂層地基承載力特征值約230kPa，可以作為樁基持力層。

1.2裝卸工藝

該碼頭工程預(yù)為周邊風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)提供海上風(fēng)機(jī)大型基礎(chǔ)管樁和大型鋼結(jié)構(gòu)等重件出運(yùn)及原材料鋼材進(jìn)口的公共水路運(yùn)輸服務(wù)，并考慮大型重件的滾裝出運(yùn)需求。碼頭主要貨種為海上風(fēng)機(jī)大型基礎(chǔ)管樁等重件、鋼材。主要貨物為：風(fēng)機(jī)單樁（直徑約5-10m，長度60-100m，重量約600-1000噸）、塔筒（直徑約3-7m，單段長度20-40m，單段重量約20-200噸）、鋼材（最大單件重35噸）。

碼頭后方陸域設(shè)置總裝車間、噴涂車間及構(gòu)件拼接作業(yè)區(qū)，把重件單節(jié)小件筒體進(jìn)行組裝、拼接和噴涂等作業(yè)。碼頭主要功能為滿足海上風(fēng)機(jī)大型基礎(chǔ)管樁等重件的出運(yùn)要求，同時兼顧原材料鋼材進(jìn)口。

考慮到本工程裝卸運(yùn)輸?shù)闹丶?guī)格較多、尺寸大、重量大等特點(diǎn)，采用桅桿吊+模塊運(yùn)輸車的運(yùn)輸方案。桅桿吊起重機(jī)具有起重量大、運(yùn)行簡單、安全可靠、投資較小、安裝運(yùn)輸方便、操作便捷、對裝卸貨物適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。水平運(yùn)輸采用自行式模塊運(yùn)輸車，該車具有機(jī)動靈活、運(yùn)輸重量大、運(yùn)輸?shù)孛娉休d力要求相對較低，可以根據(jù)運(yùn)輸結(jié)構(gòu)進(jìn)行多種方式的組合拼接等特點(diǎn)。

1.3工程概述

工程建設(shè)1個2萬噸級重件泊位（水工結(jié)構(gòu)按靠泊5萬噸級船舶設(shè)計），設(shè)計代表船型為2萬噸級甲板運(yùn)輸駁，水工結(jié)構(gòu)設(shè)計船型為5萬噸級散貨船。碼頭長度為206m，寬度為40m，共分為5個結(jié)構(gòu)段。普通碼頭平臺結(jié)構(gòu)段采用高樁排架結(jié)構(gòu)，縱向排架間距為7.2m，每個排架下設(shè)置φ1200mm的PHC樁。其中6根直樁，兩對叉樁，叉樁斜度為6：1。碼頭上部結(jié)構(gòu)由現(xiàn)澆橫梁、預(yù)制縱梁、疊合面板組成。碼頭中間結(jié)構(gòu)段作為人字形桅桿吊設(shè)備基礎(chǔ)，并兼顧普通碼頭功能。

2桅桿吊基礎(chǔ)設(shè)計方案

2.1設(shè)計要點(diǎn)分析

2.1.1選擇合適的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式

桅桿吊基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)型式應(yīng)根據(jù)總平面布置、岸坡和地質(zhì)條件、重件裝卸運(yùn)輸工藝等因素綜合確定。重力式桅桿吊基礎(chǔ)適用于地質(zhì)條件較好、水位差較小、岸坡坡度較緩的地區(qū)，可采用實(shí)體式或者空心沉箱式結(jié)構(gòu)形式。相反樁基式桅桿吊基礎(chǔ)適用于地質(zhì)條件差、水位差大的地區(qū)。本工程表層土體以雜填土、淤泥質(zhì)黏土為主，物理力學(xué)性質(zhì)較差，且極端高低水位差達(dá)到了6.85m，故本工程桅桿吊基礎(chǔ)采用樁基承臺式基礎(chǔ)。

2.1.2選擇合理的基礎(chǔ)外形尺寸和樁基布置型式

桅桿吊基礎(chǔ)的平面尺寸需要滿足重件水平運(yùn)輸車的行駛要求，也應(yīng)滿足裝卸船所需要的桅桿吊變幅水平凈外伸距離?；A(chǔ)的外形也受桅桿吊諸多機(jī)構(gòu)和預(yù)埋件位置、大小的影響，例如主副鉤防風(fēng)拉索、臂架前撐支座、后拉索支座、卷揚(yáng)機(jī)、司機(jī)室埋件等。桅桿吊基礎(chǔ)應(yīng)考慮水平運(yùn)輸車輛的輪壓和桅桿吊鋼索臂架的拉壓荷載下結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性、耐久性。樁基布置可以根據(jù)局部受荷不同而靈活布置，桅桿吊基礎(chǔ)厚度也需要根據(jù)受力特性和重要埋件埋深要求采取局部加厚措施。如果桅桿吊基礎(chǔ)兼做碼頭平臺，還需要滿足設(shè)計船舶的?？亢拖道|要求。

2.1.3確定桅桿承臺間以及和拉錨承臺的組合方式

受桅桿吊臂架底端作用點(diǎn)間距、樁基布置形式、抵抗水平力方式、使用要求等因素影響，桅桿吊各基礎(chǔ)承臺之間可以采用多重組合形式。當(dāng)桅桿吊人字臂架底端間距較大時，可以考慮將桅桿吊基礎(chǔ)承臺做成兩個分體式墩臺，兩個墩臺之間可以用框架或整體墩臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，以增強(qiáng)基礎(chǔ)的整體抗水平力的能力。同樣，拉錨承臺和前承臺也可以做成分體式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)需要滿足桅桿吊各種工況下的受力和變形要求。

2.2設(shè)計方案介紹

由于地質(zhì)條件差、存在較大水位差，所以桅桿吊基礎(chǔ)將采用樁基承臺式基礎(chǔ)。桅桿吊基礎(chǔ)需要兼作碼頭平臺，基礎(chǔ)橫向?qū)挾群痛a頭平臺寬度相同，縱向?qū)挾扔晒に嚭徒Y(jié)構(gòu)計算綜合確定?？紤]到本工程的實(shí)際需求，根據(jù)桅桿吊基礎(chǔ)承臺外形和組合形式的不同，提出了兩個設(shè)計方案。

2.2.1方案一（整體式基礎(chǔ)）

桅桿吊前臂承臺由于兼作碼頭平臺，故采用與碼頭平臺同寬的高樁墩臺結(jié)構(gòu)，平面長寬為40×32m，墩臺前20m寬范圍設(shè)置5排樁，樁基排架間距為7.2m，每個排架設(shè)置5根φ1200mm樁基，其中1根直樁;4根叉樁，叉樁斜度均為6：1。墩臺后20m寬范圍設(shè)置6排樁，在前臂支座受力點(diǎn)附近樁基加密布置，樁基排架間距有6.0m、5.4m。每個排架設(shè)置5根φ1200mmPHC直樁。上部為厚2.5m和3.75m現(xiàn)澆鋼筋混凝土墩臺。桅桿吊后拉錨承臺長寬為30×23m，承臺下共設(shè)置5排樁，樁基排架間距為5m，每個排架設(shè)置6根φ1000mm灌注直樁。上部為厚3.5m和5.5m現(xiàn)澆鋼筋混凝土墩臺。

桅桿吊前臂承臺和后拉錨承臺之間采用整體式聯(lián)結(jié)墩臺進(jìn)行連接。聯(lián)結(jié)墩臺沿碼頭前沿方向排架間距為10m，每個排架設(shè)置4根φ1000mm灌注直樁。上部承臺為2m厚的鋼筋混凝土實(shí)體墩臺，和前后承臺連接處設(shè)置限位裝置（見圖2）。

2.2.2方案二（分離式基礎(chǔ)）

桅桿吊前臂承臺和后拉錨承臺結(jié)構(gòu)與方案一相同。桅桿吊前臂承臺和后拉錨承臺之間采用鋼撐體系進(jìn)行連接。鋼撐體系由鋼橫撐、聯(lián)系撐、支撐底座等組成。鋼橫撐由3根φ1300×22的Q345鋼管組成，鋼橫撐用2根φ800×16的鋼管采用焊接連接成整體。鋼橫撐和前后承臺采用法蘭連接。垂直于鋼橫撐長度方向設(shè)計兩座支撐底座。支撐底座由基礎(chǔ)橫梁和3根φ1000mmPHC直樁組成。鋼橫撐和基礎(chǔ)橫梁采用鋼帶壓錨連接，下游側(cè)鋼橫撐上部設(shè)置1.5m寬的人行鋼棧橋（見圖3）。

2.3結(jié)構(gòu)受力對比

對兩個方案分別建模并采用有限元方法進(jìn)行計算，計算結(jié)果如下表2所示。方案一整體式聯(lián)結(jié)墩臺僅設(shè)置單向限位裝置，故前承臺和聯(lián)結(jié)體系僅能傳遞相互擠壓力，不傳遞拉力。當(dāng)桅桿吊前臂承臺受船舶系攬力作用時，僅依靠前承臺結(jié)構(gòu)提供抗力。方案二分離式鋼撐體系采用法蘭埋件與前后承臺鉸接連接，既可以在桅桿吊重載工況下承受較大壓力，又可以在系攬力工況下聯(lián)結(jié)前后承臺而承受拉應(yīng)力。因此，方案二在受力分析上更能發(fā)揮鋼撐材料的抗拉壓強(qiáng)度較高的優(yōu)勢，還減輕豎向荷載自重，可以減少樁基數(shù)量及降低樁基承載力要求。

2.4經(jīng)濟(jì)性比選

根據(jù)沿海港口水工建筑工程相關(guān)定額及編制規(guī)定，材料價格選用工程所在地近期單價。方案一和方案二的工程費(fèi)用計算結(jié)果見表3。

對比以上數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論，僅比較前后承臺中間的聯(lián)結(jié)系統(tǒng)，方案二比方案一工程費(fèi)用減少206.1萬元，費(fèi)用下降幅度達(dá)57.7%。若對比整個桅桿吊基礎(chǔ)的總費(fèi)用，則方案二比方案一費(fèi)用下降幅度為7.3%。

3方案優(yōu)缺點(diǎn)對比

綜合以上技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果并考慮施工等因素，方案一、方案二的優(yōu)缺點(diǎn)對比總表見表4。

4結(jié)語

在地質(zhì)條件差、存在較大水位差的區(qū)域建設(shè)重件碼頭時，桅桿吊基礎(chǔ)建議采用樁基承臺式基礎(chǔ)。為了節(jié)約成本，一般情況下桅桿吊基礎(chǔ)承臺會兼做碼頭平臺。故桅桿吊基礎(chǔ)設(shè)計時應(yīng)考慮水平重件運(yùn)輸車輛的輪壓荷載、桅桿吊鋼索臂架的拉壓荷載以及設(shè)計船舶荷載。樁基布置可以根據(jù)局部受荷不同而靈活布置，桅桿吊基礎(chǔ)厚度也需要根據(jù)受力特性和重要埋件埋深要求采取局部加厚措施。

桅桿吊基礎(chǔ)承臺可采用整體式或分離式結(jié)構(gòu)，根據(jù)這兩類方案的受力特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性對比，推薦采用分離式的鋼橫撐體系，此方案通過鋼管體系將前后承臺水平連接，可以充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的抗壓力能力，僅需要較少樁基支撐其自重即可，從經(jīng)濟(jì)性和施工等方面分析，分離式均有較大優(yōu)勢。

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