沈 卓，顧寬海，艾 菁

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)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(chǎng)、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(yùn)輸至垃圾堆填場(chǎng)，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(jià)值，擬在海泥傾倒區(qū)原址建設(shè)1個(gè)海泥專用堆填場(chǎng)，并配備1個(gè)臨時(shí)出運(yùn)碼頭，采用皮帶機(jī)裝船系統(tǒng)，以規(guī)范海泥的裝船外運(yùn)。皮帶機(jī)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(fù)雜，這給新建海泥專用拋填堆場(chǎng)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(fù)雜軟土地基的不均勻沉降卻很難消除，經(jīng)復(fù)核計(jì)算，不均勻沉降遠(yuǎn)大于常規(guī)皮帶機(jī)項(xiàng)目。

考慮到本工程皮帶機(jī)棧橋長(zhǎng)度、離地高度及工藝特點(diǎn)，棧橋結(jié)構(gòu)具有機(jī)械化非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的條件，因此引入皮帶機(jī)與棧橋結(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計(jì)理念，在設(shè)計(jì)階段考慮其抵抗基礎(chǔ)不均勻沉降的構(gòu)造，使皮帶機(jī)能夠適應(yīng)復(fù)雜軟土地基的不均勻沉降，滿足運(yùn)行要求。

2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的選用

皮帶機(jī)棧橋作為建筑單體可采用建筑類規(guī)范；而皮帶機(jī)屬于設(shè)備，皮帶機(jī)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(dǎo)棧橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，但是不同的規(guī)范側(cè)重點(diǎn)不同，會(huì)產(chǎn)生不同的設(shè)計(jì)結(jié)果。

2.1 有風(fēng)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(jì)規(guī)范》[2]，荷載組合主要使用分項(xiàng)系數(shù)法，根據(jù)皮帶棧橋所受的荷載，有風(fēng)工況荷載組合可以表達(dá)為：

1.2S永+1.4S物料+1.4×0.6S風(fēng)< [σ]

(1)

式中：S永為永久荷載;S物料為皮帶機(jī)物料荷載;S風(fēng)為風(fēng)荷載；[σ]為材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(fēng)< [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(dòng)式散料連續(xù)搬運(yùn)設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]和《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]。荷載組合主要沿用安全系數(shù)法，有風(fēng)工作工況安全系數(shù)為1.34，荷載組合可表達(dá)為：

1.34S永+1.474S物料+1.34S風(fēng)< [σ屈服]

(3)

綜合比較式(2)、(3)可以發(fā)現(xiàn)，建筑類規(guī)范對(duì)多個(gè)可變荷載和組合，設(shè)有組合系數(shù)的概念，會(huì)削弱組合中某項(xiàng)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(xiàng)系數(shù)來看，設(shè)備類規(guī)范的荷載組合略微嚴(yán)格。

2.2 風(fēng)荷載

風(fēng)荷載在本工程皮帶機(jī)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(duì)風(fēng)荷載的計(jì)算公式有一定差異。

2.2.1設(shè)計(jì)風(fēng)速

《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》的風(fēng)荷載分為工作風(fēng)和非工作風(fēng)(即暴風(fēng))。工作風(fēng)的風(fēng)速，采用離地10 m、3 s時(shí)距的平均瞬時(shí)風(fēng)速，重現(xiàn)期50 a。根據(jù)皮帶機(jī)等各港口設(shè)備的運(yùn)行要求，沿海地區(qū)統(tǒng)一取20 ms，即工作狀態(tài)計(jì)算風(fēng)壓為0.25 kNm2。非工作風(fēng)的風(fēng)速一般不超過50 ms，但是風(fēng)況惡劣的情況下，需要結(jié)合當(dāng)?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(shí)距的平均風(fēng)速(3 s時(shí)距的平均瞬時(shí)風(fēng)速為10 min時(shí)距的1.4倍)。以澳門地區(qū)為例，近年來，臺(tái)風(fēng)日趨頻繁，2017年臺(tái)風(fēng)“天鴿”達(dá)16級(jí)，近中心最高風(fēng)速達(dá)49 ms，折算到3 s時(shí)距的暴風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)速應(yīng)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(kuò)散系數(shù)(D)隨模擬步數(shù)(Ns)的變化情況.顯然,當(dāng)模擬進(jìn)行一段時(shí)間(至多5×104時(shí)間步)之后,各類粒子的擴(kuò)散系數(shù)均無大的起伏,僅有小的波動(dòng),充分表明該體系已達(dá)平衡.由此可見,5×105時(shí)間步應(yīng)足以確保每一輪模擬達(dá)到平衡狀態(tài).

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的風(fēng)荷載只取一種基本風(fēng)壓，基本風(fēng)壓取決于基本風(fēng)速，采用離地10 m、10 min時(shí)距的平均風(fēng)速，重現(xiàn)期50 a。以澳門地區(qū)為例，其基本風(fēng)壓取0.9 kNm2，相當(dāng)于風(fēng)速38 ms，折算3 s時(shí)距的平均瞬時(shí)風(fēng)速為53.2 ms，與《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》暴風(fēng)風(fēng)速的一般取值50 ms非常接近，但在設(shè)計(jì)風(fēng)速上，《起重機(jī)設(shè)計(jì)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(duì)型鋼桁架結(jié)構(gòu)的體形系數(shù)統(tǒng)一取1.3，不再對(duì)單獨(dú)桿件單獨(dú)取值?！兑苿?dòng)式散料連續(xù)搬運(yùn)設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)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(dú)桿件單獨(dú)取值，但最大值為1.6；《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》則對(duì)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(dú)桿件單獨(dú)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(duì)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(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，工作風(fēng)荷載是不考慮高度變化系數(shù)的，而暴風(fēng)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(duì)皮帶機(jī)棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的對(duì)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(fēng)荷載的要求總體嚴(yán)格于建筑類規(guī)范。出于安全考慮，本工程皮帶機(jī)的一體化棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用設(shè)備類規(guī)范。

表1 設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)比

3 一體化棧橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案

傳統(tǒng)皮帶機(jī)及其棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)，只能通過外部措施被動(dòng)調(diào)整。而本工程軟土地基較復(fù)雜，基礎(chǔ)不均勻沉降超標(biāo)不可避免，皮帶機(jī)及其棧橋結(jié)構(gòu)必須要適應(yīng)這種差異沉降，并能在沉降后快速恢復(fù)。為此，皮帶機(jī)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(jī)自身結(jié)構(gòu)，與其一體化設(shè)計(jì)，以減少沉降壓力、降低調(diào)整的負(fù)擔(dān)；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(jī)與棧橋結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)，則充分利用皮帶機(jī)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(gè)別跨度大的可選用尺寸小的H形鋼或矩形管截面。針對(duì)跨度小、帶寬窄的皮帶機(jī)棧橋，甚至可以直接采用型鋼實(shí)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(jī)荷載外，風(fēng)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(jī)托輥組結(jié)構(gòu)等寬，當(dāng)桁架跨度超大后，其側(cè)向剛度明顯不足，抵抗側(cè)向風(fēng)荷載能力偏弱，為此可以將非受力構(gòu)件的走道平臺(tái)也納入桁架的受力結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)側(cè)向抗彎能力，如圖2d)所示。同時(shí)，為進(jìn)一步減少皮帶機(jī)的迎風(fēng)面積，上弦桿之間的水平撐桿也可進(jìn)一步簡(jiǎn)化，同時(shí)托輥組采用下沉式設(shè)計(jì)，局部下沉至桁架結(jié)構(gòu)內(nèi)，使迎風(fēng)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(dá)到最省，如圖2e)所示。

圖2 皮帶機(jī)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(jì)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(shí)現(xiàn)且可進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，計(jì)算的準(zhǔn)確性也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，不僅可以對(duì)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(jìn)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(duì)稱，此種形式的斜桿均為拉桿，被認(rèn)為是用鋼量最省的結(jié)構(gòu)形式。但此類桁架適合單獨(dú)成跨，即與左右桁架斷開，不產(chǎn)生剛性連接。

皮帶機(jī)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(yùn)輸，單榀桁架長(zhǎng)度需要控制在12 m以內(nèi)，而實(shí)際桁架的跨度往往會(huì)超過20 m，此時(shí)需要現(xiàn)場(chǎng)多榀桁架拼接成跨。拼接的桁架，其中間斜桿適合設(shè)計(jì)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(jī)，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(jì)算結(jié)果見圖5。有風(fēng)工況桁架最大應(yīng)力214.8 MPa，滿足材料Q345B的強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(yīng)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(xué)簡(jiǎn)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(jī)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(yīng)基礎(chǔ)的不均勻沉降將變?yōu)榭赡堋Ｆ渲幸粋€(gè)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(diǎn)設(shè)計(jì)成鉸軸形式，支腿上端與桁架的連接設(shè)計(jì)成滑道或滾輪形式，桁架與支腿允許水平方向相對(duì)滑動(dòng)，通過改變倒人字支腿的夾角，即可調(diào)整桁架支撐點(diǎn)的高度，從而達(dá)到適應(yīng)地基不均勻沉降的目的。

圖6 支腿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)，分別支撐在倒人字支腿的底部，按實(shí)際需要調(diào)整支腿角度，并通過螺桿鎖定，整個(gè)過程，僅需要傳感器和必要的監(jiān)測(cè)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(jī)構(gòu)

4 結(jié)論

1)皮帶機(jī)與棧橋結(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計(jì)宜采用設(shè)備類規(guī)范，設(shè)備類規(guī)范總體嚴(yán)格于建筑類規(guī)范，尤其是風(fēng)荷載為主要荷載的工況，設(shè)備類規(guī)范考慮工作風(fēng)和暴風(fēng)兩類風(fēng)荷載，且風(fēng)速取值為3 s時(shí)距平均風(fēng)速，是建筑類規(guī)范10 min時(shí)距的平均風(fēng)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(jī)托輥支架可融入整個(gè)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(yīng)基礎(chǔ)的不均勻沉降，可拓展至類似結(jié)構(gòu)工程。