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        適應不均勻沉降的皮帶機與棧橋結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計

        2020-06-18 10:09:02顧寬海
        水運工程 2020年5期
        關(guān)鍵詞:棧橋支腿皮帶機

        沈 卓,顧寬海,艾 菁

        (中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)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(shè)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(zhì)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(shè)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(chǔ)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(jié)構(gòu)具有機械化非標準設(shè)計的條件,因此引入皮帶機與棧橋結(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計理念,在設(shè)計階段考慮其抵抗基礎(chǔ)不均勻沉降的構(gòu)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(shè)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(shè)備,皮帶機棧橋也可看作設(shè)備的一部分,采用設(shè)備類規(guī)范。兩類規(guī)范雖然都可指導棧橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計,但是不同的規(guī)范側(cè)重點不同,會產(chǎn)生不同的設(shè)計結(jié)果。

        2.1 有風工況載荷組合

        建筑類規(guī)范主要采用《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計值。

        材料強度設(shè)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(shè)備類規(guī)范主要采用《移動式散料連續(xù)搬運設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[3]和《起重機設(shè)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(shè)有組合系數(shù)的概念,會削弱組合中某項可變荷載,而設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)的荷載中比例較大。建筑類規(guī)范和設(shè)備類規(guī)范針對風荷載的計算公式有一定差異。

        2.2.1設(shè)計風速

        《起重機設(shè)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(shè)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(jié)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(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)計規(guī)范》暴風風速的一般取值50 ms非常接近,但在設(shè)計風速上,《起重機設(shè)計規(guī)范》是《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 》的1.4倍。

        2.2.2體形系數(shù)

        《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》對型鋼桁架結(jié)構(gòu)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(shè)備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對型鋼桁架結(jié)構(gòu)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(shè)計規(guī)范》則對直邊型鋼桁架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計采用設(shè)備類規(guī)范。

        表1 設(shè)計規(guī)范對比

        3 一體化棧橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案

        傳統(tǒng)皮帶機及其棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計一般假設(shè)基礎(chǔ)沉降為0(或基礎(chǔ)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(diào)整。而本工程軟土地基較復雜,基礎(chǔ)不均勻沉降超標不可避免,皮帶機及其棧橋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)需要做出以下優(yōu)化:1)棧橋結(jié)構(gòu)足夠輕巧,盡量整合皮帶機自身結(jié)構(gòu),與其一體化設(shè)計,以減少沉降壓力、降低調(diào)整的負擔;2)支腿結(jié)構(gòu)的高度可調(diào),并具有抵消一定水平位移的能力。

        3.1 棧橋斷面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

        皮帶機與棧橋結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計,則充分利用皮帶機自身的支撐結(jié)構(gòu),自成桁架,大幅減少非受力構(gòu)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(jié)構(gòu),如圖2c)所示。

        一體化棧橋結(jié)構(gòu),除自重及皮帶機荷載外,風荷載為影響結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的桁架寬度,一般與皮帶機托輥組結(jié)構(gòu)等寬,當桁架跨度超大后,其側(cè)向剛度明顯不足,抵抗側(cè)向風荷載能力偏弱,為此可以將非受力構(gòu)件的走道平臺也納入桁架的受力結(jié)構(gòu),加強側(cè)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(shè)計,局部下沉至桁架結(jié)構(gòu)內(nèi),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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的優(yōu)化

        主流桁架結(jié)構(gòu)形式,沿用的仍是二維設(shè)計階段的經(jīng)典形式。隨著有限元結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)可靠,主桁架結(jié)構(gòu)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(nèi),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(shè)計成交替狀,如圖3b)所示。此類結(jié)構(gòu)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(chǔ)上,通過優(yōu)化弦桿和斜杠截面,調(diào)整斜杠角度,無中間豎桿的桁架結(jié)構(gòu)仍能有效支撐皮帶機,如圖3d)所示。無中間豎桿主桁架結(jié)構(gòu)的三維模型如圖4所示,有限元計算結(jié)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(shè)計值要求;側(cè)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(jié)構(gòu)最終采用無中間豎桿結(jié)構(gòu)。

        圖3 主桁架結(jié)構(gòu)形式

        圖4 無中間豎桿主桁架結(jié)構(gòu)

        圖5 桁架應力和位移云圖

        3.3 支腿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

        目前主流桁架的支腿,按結(jié)構(gòu)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(diào)整,其力學簡化模型如圖6a)所示。一旦基礎(chǔ)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(diào)整支座使得桁架結(jié)構(gòu)保持原有的直線度和水平度[6],操作專業(yè)性非常高,調(diào)整工作量也非常大。

        如果支腿結(jié)構(gòu)高度可調(diào),不做成剛性支撐,則適應基礎(chǔ)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(jié)構(gòu),如圖6b)所示,支腿下端節(jié)點設(shè)計成鉸軸形式,支腿上端與桁架的連接設(shè)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(diào)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(jié)構(gòu)簡化模型

        倒人字支腿的其中一種方式如圖7所示,角度調(diào)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(diào)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(shè)備,沉降穩(wěn)定之后,油缸等輔助構(gòu)件即可由固定構(gòu)件所取代。

        圖7 支腿角度調(diào)整機構(gòu)

        4 結(jié)論

        1)皮帶機與棧橋結(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計宜采用設(shè)備類規(guī)范,設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu),為無中間豎桿、無上平面聯(lián)系桿件的結(jié)構(gòu),皮帶機托輥支架可融入整個桁架結(jié)構(gòu)的受力體系中,有助于最大化降低桁架結(jié)構(gòu)的用鋼量,從而減少基礎(chǔ)沉降量,便于調(diào)整。

        3)倒人字支腿結(jié)構(gòu)的高度可調(diào),能適應基礎(chǔ)的不均勻沉降,可拓展至類似結(jié)構(gòu)工程。

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