全裝配式鋼燈塔結(jié)構(gòu)在自動(dòng)化碼頭中的應(yīng)用

丁志全，陳紅兵，廖振宇，劉觀發(fā)

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290)

中國(guó)每年新增建筑面積約為20億m2，其結(jié)構(gòu)大多為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，而這種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在不少缺點(diǎn)。首先，建筑領(lǐng)域的工人數(shù)量逐年減少，人工成本增加。其次，現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)存在較多現(xiàn)場(chǎng)施工工序，導(dǎo)致勞動(dòng)強(qiáng)度高，且存在安全隱患。針對(duì)國(guó)家提出的建筑綠色節(jié)能的新要求，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高耗能不能滿足國(guó)家最新政策要求，而裝配式建筑解決了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的諸多問(wèn)題得到大力發(fā)展。

裝配式建筑主要包括3種類(lèi)型：裝配式鋼結(jié)構(gòu)、裝配式混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)制集裝箱式結(jié)構(gòu)[1]。其中裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)體系由鋼構(gòu)件組裝而成，具有強(qiáng)度高、質(zhì)量小、抗震耗能性能好和可以標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)[2]。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可預(yù)先在工廠中進(jìn)行加工焊接等工序，現(xiàn)場(chǎng)安裝速度快，濕作業(yè)量少，滿足綠色節(jié)能目標(biāo)。發(fā)展裝配式鋼結(jié)構(gòu)有利于減少施工污染、節(jié)約資源、提升勞動(dòng)生產(chǎn)效率和質(zhì)量安全水平[3]。按照裝配化率大小，可以將裝配式建筑分為半裝配式和全裝配式建筑。目前，國(guó)外裝配式結(jié)構(gòu)普遍用于低層結(jié)構(gòu)[4-5]，而國(guó)內(nèi)裝配式結(jié)構(gòu)目前主要集中在標(biāo)準(zhǔn)化和大體量的民用建筑領(lǐng)域，在特種工業(yè)建筑中應(yīng)用還較少。

為適應(yīng)綠色環(huán)保、施工便捷和經(jīng)濟(jì)可靠等要求，本文以欽州大欖坪某集裝箱自動(dòng)化碼頭改造項(xiàng)目的燈塔為例，提出了一種全裝配式鋼結(jié)構(gòu)燈塔體系，對(duì)燈塔上部鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型，提出主要節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和施工控制要點(diǎn)，可為類(lèi)似港區(qū)燈塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 項(xiàng)目概況

欽州大欖坪某集裝箱自動(dòng)化碼頭改造項(xiàng)目是廣西打造的“千萬(wàn)標(biāo)箱”港口、互聯(lián)互通國(guó)際陸海貿(mào)易新通道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的重要組成部分，主要為廣西、云南、貴州、四川、重慶、甘肅等在內(nèi)的西部地區(qū)集裝箱貨物提供運(yùn)輸服務(wù)。項(xiàng)目建成后將成為首座堆場(chǎng)采用U形布置的全自動(dòng)化集裝箱碼頭，具有較高的社會(huì)效益和技術(shù)創(chuàng)新意義。

燈塔作為港區(qū)重要輔建建筑，具有高度高、數(shù)量多和工期短等特點(diǎn)，該項(xiàng)目中燈塔數(shù)量25座，分布在港區(qū)各功能區(qū)，每座高29.025 m，底部寬1.5 m，主要功能是為整個(gè)廠區(qū)提供照明。

2 塔架結(jié)構(gòu)選型

2.1 結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程鋼塔架高度為29.025 m，使用年限和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期均為50 a；抗震烈度為7度，場(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)基本加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅳ類(lèi)。基本風(fēng)壓為0.80 kN/m2，地面粗糙度為A類(lèi)。所有桿件均采用Q235B鋼材。

2.2 結(jié)構(gòu)選型

塔架腹桿均為單斜桿布置，燈塔平面橫隔均為四邊形布置。腹桿按梁構(gòu)件設(shè)計(jì)，釋放兩端彎矩約束，按鉸接處理；弦桿連接按剛接處理；上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)連接按鉸接處理。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型主要考慮2個(gè)因素：塔架頂部的寬度和桿件截面。各方案對(duì)應(yīng)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各方案參數(shù)

在塔底寬度相同的前提下，不同的塔頂尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和適用性有顯著的影響。根據(jù)人員上塔通行便利要求，選取TJ01和TJ03兩種不同尺寸方案；不同的塔架構(gòu)件截面對(duì)荷載受力情況和經(jīng)濟(jì)性也產(chǎn)生較大影響，因此增加TJ02方案。各塔架桿件截面尺寸見(jiàn)表2。

表2 主要桿件截面尺寸

本塔架作為全裝配式鋼結(jié)構(gòu)，需將高度為29.025 m的塔架分為多個(gè)塔段，其中塔段編號(hào)分別為GJ-1～GJ-5，塔架分段高度見(jiàn)圖1。

圖1 塔架分段高度(高程：m；尺寸：mm)

2.3 荷載及其組合

2.3.1風(fēng)荷載

在鋼結(jié)構(gòu)塔架結(jié)構(gòu)不同選型方案的計(jì)算中，風(fēng)荷載的影響最大，風(fēng)荷載引起的應(yīng)力占總應(yīng)力80%以上[6]。

根據(jù)GB 50135—2019《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[7]有：

Wk=βzμsμzw0×1.05

(1)

式中：Wk為垂直于建筑物單位面積上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；w0為基本風(fēng)壓0.8 kPa；βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù)；μs為體型系數(shù)，角鋼塔架取1.3，圓鋼塔架為0.78，兩者均取0.4的折減系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按規(guī)范表4.2.6取值。

高度z處的風(fēng)振系數(shù)：

βz=1+ξε1ε2

(2)

式中：ξ為脈動(dòng)增大系數(shù)；ε1為風(fēng)壓脈動(dòng)和風(fēng)壓高度變化的影響系數(shù)，兩者均不隨塔段變化而變化，分別為2.60和0.48；ε2為振型、結(jié)構(gòu)外形的影響系數(shù)。在實(shí)際工程中，塔架分為多個(gè)塔段進(jìn)行組裝，因此根據(jù)受荷面積S，風(fēng)荷載按公式F=βzμsμzw0S換算為集中荷載，并分別施加至每段頂部2個(gè)節(jié)點(diǎn)上，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果

2.3.2活荷載

根據(jù)GB 5009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[8]，取活荷載為3.0 kPa。

2.3.3其他荷載及荷載組合

地震和結(jié)構(gòu)自重荷載程序自動(dòng)考慮。根據(jù)GB 50068—2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[9]，結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)中采用2種極限狀態(tài)荷載組合計(jì)算，即承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。

2.4 主要分析和設(shè)計(jì)結(jié)果

2.4.1應(yīng)力與塔頂位移分析

結(jié)構(gòu)位移在風(fēng)荷載WX和WY作用下對(duì)稱，因此給出WX作用下位移即可。塔架應(yīng)力取荷載組合包絡(luò)條件下的應(yīng)力分布。根據(jù)軟件計(jì)算，3種方案塔架應(yīng)力和塔頂在WX風(fēng)荷載作用下的最大水平位移見(jiàn)圖2。

如圖2所示，3種模型的桿件最大應(yīng)力較為接近，均在160～175 MPa范圍內(nèi)，小于215 MPa，滿足桿件強(qiáng)度要求。對(duì)于塔頂水平位移，2個(gè)角鋼模型TJ01和TJ03分別為202、208 mm，即位移角分別為1/138和1/134，相當(dāng)接近；而鋼管模型TJ02為173 mm，位移角為1/161。3個(gè)模型均滿足《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的1/75的位移角限值。

圖2 3種方案位移與應(yīng)力云圖

2.4.2用鋼量分析

3種方案的立面幾何尺寸變化和塔架材料不同導(dǎo)致其用鋼量存在差異。方案TJ01和TJ03均為角鋼塔架，用鋼量分別為3 382、3 045 kg，后者比前者節(jié)省約10.0%，說(shuō)明塔架為上窄下寬的TJ03方案較為合理。TJ02鋼管塔架的用鋼量為4 159 kg，比TJ01高23.0%，說(shuō)明角鋼截面的經(jīng)濟(jì)性明顯好于鋼管截面。

塔架不同方案的最大應(yīng)力、最大塔頂水平位移角和用鋼量的指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 不同方案指標(biāo)

根據(jù)表4可知，在滿足桿件應(yīng)力和塔頂水平位移角的前提下，當(dāng)其它設(shè)計(jì)條件相同時(shí)，TJ03方案用鋼量最小，經(jīng)濟(jì)效益最好，滿足功能使用和經(jīng)濟(jì)性要求。本項(xiàng)目最終選擇上窄下寬的角鋼塔架TJ03方案燈塔架。

3 塔架主要構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)

3.1 預(yù)制混凝土基礎(chǔ)

為簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)的柱腳定位和安裝，本工程采用帶短柱的預(yù)制混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，免去現(xiàn)場(chǎng)支模與澆筑的濕作業(yè)量。

首先，為了適應(yīng)軟弱地基，在基礎(chǔ)下方先鋪設(shè)碎石墊層，減小基底面積的同時(shí)可提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的適用性。其次，根據(jù)工程柱腳實(shí)際的彎矩與軸力，確定基礎(chǔ)平面尺寸和基礎(chǔ)高度，基礎(chǔ)底部配置雙向鋼筋。再次，確定基礎(chǔ)短柱高度，按計(jì)算配置短柱豎向縱筋、拉筋和箍筋，同時(shí)，在基礎(chǔ)短柱頂部的2個(gè)三分點(diǎn)處預(yù)埋吊環(huán)，便于現(xiàn)場(chǎng)起吊和放置。最后，在擴(kuò)展基礎(chǔ)上部配置雙向抗裂鋼筋，防止起吊時(shí)擴(kuò)展基礎(chǔ)坡面混凝土受拉開(kāi)裂?；A(chǔ)剖面見(jiàn)圖3。

圖3 預(yù)制混凝土基礎(chǔ)剖面(單位：mm)

考慮到塔架的整體質(zhì)量以及柱腳彎矩較大，為保證柱腳的抗壓、抗拉及抗彎性能，必須提高角鋼格構(gòu)柱在柱腳部位的整體受力和協(xié)同工作的能力。因此，角鋼柱腳在錨入短柱的范圍內(nèi)采用基礎(chǔ)構(gòu)架加強(qiáng)其錨固作用。

3.2 柱腳節(jié)點(diǎn)及塔段間連接節(jié)點(diǎn)

為了便于工廠對(duì)塔架的預(yù)制與運(yùn)輸，需要將塔架分為多個(gè)塔段，中間塔段長(zhǎng)度為6～7 m，兩端塔段為3～4 m，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝，加快現(xiàn)場(chǎng)施工速度。

預(yù)制混凝土基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)先埋入角鋼構(gòu)架，分布在角部的4個(gè)角鋼伸出基礎(chǔ)短柱頂面。為了連接基礎(chǔ)預(yù)埋角鋼和柱腳角鋼，在每側(cè)翼緣分別預(yù)留2個(gè)螺栓孔；對(duì)于每側(cè)翼緣，使用預(yù)留4個(gè)螺栓孔的連接板件，其中2個(gè)孔與柱腳連接，另外2個(gè)孔與基礎(chǔ)預(yù)埋件連接，并將連接板件與上下角鋼分別焊接。塔段間的節(jié)點(diǎn)連接，均采用連接板件與上下塔段進(jìn)行栓焊連接的方式。連接節(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖4。

圖4 連接節(jié)點(diǎn)

3.3 施工安裝過(guò)程

各塔段的弦桿、腹桿和其他組件在工廠中已完成螺栓和焊接連接，且混凝土基礎(chǔ)可以在工廠預(yù)制。因此只需在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行基坑開(kāi)挖，構(gòu)件吊裝和安裝等工作。具體安裝過(guò)程見(jiàn)圖5。

圖5 塔架施工安裝過(guò)程

施工準(zhǔn)備完成后，基坑工程、基礎(chǔ)預(yù)制構(gòu)件以及上部鋼結(jié)構(gòu)的制作同步進(jìn)行。基坑開(kāi)挖完成后，進(jìn)行基礎(chǔ)吊裝和基坑回填，同時(shí)運(yùn)輸制作好的上部鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，最后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)塔架安裝。

首先，將上部鋼結(jié)構(gòu)的塔底段(GJ-1)與基礎(chǔ)預(yù)埋件連接，放置好預(yù)制混凝土基礎(chǔ)；然后，將最下段的塔架平放在地上，將柱腳節(jié)點(diǎn)其中一側(cè)的螺栓連接好后，用吊車(chē)把塔架繞著已連接的螺栓旋轉(zhuǎn)90°；最后，連接柱腳另一側(cè)的螺栓，螺栓全部連接完成后焊接。

柱腳節(jié)點(diǎn)連接完成后，使用纜風(fēng)繩穩(wěn)定各塔段頂部，將上部鋼結(jié)構(gòu)各塔段依次進(jìn)行吊起、對(duì)接和安裝。在螺栓連接完成后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接并去角打磨，并對(duì)各安裝節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)漆，最終完成施工。

4 結(jié)論

1)塔架采用角鋼截面(TJ01)比采用鋼管截面(TJ02)節(jié)省用鋼量約18.7%，說(shuō)明在其它條件都一致的情況下，采用角鋼截面更經(jīng)濟(jì)。

2)塔架底部尺寸相同的情況下，塔頂尺寸為塔底尺寸一半的結(jié)構(gòu)(TJ03)，相比塔頂塔底尺寸相同的結(jié)構(gòu)(TJ01)，節(jié)省用鋼量約10.0%，說(shuō)明在其它條件一致的情況下，相比于上下同寬立面布置，采用上窄下寬立面布置更經(jīng)濟(jì)。

3)預(yù)制混凝土基礎(chǔ)和上部塔架分段制作方法有利于工廠作業(yè)，減少現(xiàn)場(chǎng)工作量。

4)本工程采用全裝配式鋼結(jié)構(gòu)形式，提出主要裝配式節(jié)點(diǎn)做法和施工安裝方法，施工工期縮短；且便于塔架拆除，處理成本降低，促進(jìn)建筑材料回收再利用，符合新時(shí)代建筑綠色環(huán)保的理念。