柳玉濤

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

引 言

現(xiàn)有國內(nèi)外已建成的輸送煤、礦石等物料的碼頭項(xiàng)目，物料中轉(zhuǎn)儲(chǔ)存多采用露天堆場型式。堆場堆取料分為通用和專業(yè)化兩種模式，通用模式一般采用單斗裝載機(jī)及自卸汽車聯(lián)合作業(yè)方式，適用于規(guī)模較小、貨種多的中小型工程；專業(yè)化堆場一般配備軌道式堆料機(jī)、取料機(jī)或堆取料機(jī)及皮帶機(jī)，適用于貨種單一，運(yùn)量大的工程。

以上兩種模式技術(shù)成熟、使用廣泛，但在使用過程中存在以下缺點(diǎn)：

1）環(huán)保效果差

露天堆放的散料，粉塵對周邊環(huán)境影響較大，雖然采取了噴淋等多項(xiàng)除塵措施，但效果均不理想。

2）占地面積大

目前港口需要較大的散貨堆存量以調(diào)整港口、鐵路、礦山之間的能力不均衡問題，受到散貨堆高限制，堆場占用面積一般較大，根據(jù)我國目前的土地利用政策，需繳納的土地使用費(fèi)較高。另外，目前港口陸域用地多為吹填或回填淺灘形成，成本較高。

3）堆場設(shè)備多

無論是通用堆場還是專業(yè)化堆場，散貨堆場面積較大，需要配備足夠的設(shè)備才能完成全部料場的堆料、取料作業(yè)，造成設(shè)備投資較大。

因此，港口干散貨需要一種新型的物流存儲(chǔ)方法，既能保證碼頭的正常運(yùn)營，又能徹底解決環(huán)保、占地、投資等問題。本文結(jié)合某港專業(yè)化礦石碼頭的設(shè)計(jì)建設(shè)，針對其環(huán)保設(shè)施進(jìn)行了專項(xiàng)技術(shù)開發(fā)研究。

1 概 述

某港擬新建的專業(yè)化礦石碼頭為順碼頭岸線布置，利用引橋與陸域堆場銜接，其碼頭岸線長度400 m，碼頭靠泊最大設(shè)計(jì)船型為30 萬t 級(jí)礦石散貨船，吞吐量達(dá)2 300 萬t/a。堆場平行布置于碼頭岸線后側(cè)陸域，碼頭前方設(shè)有橋式抓斗卸船機(jī)，卸船機(jī)下方設(shè)有承接物料輸送的帶式輸送機(jī)，通過帶式輸送機(jī)與堆場內(nèi)的堆取料設(shè)備，以及鐵路礦石裝車線的裝車機(jī)連接。

礦石裝火車設(shè)備采用移動(dòng)式裝車機(jī)，鐵路系統(tǒng)共設(shè)有3 條礦石裝車線和1 條火車走行線。堆場堆取料設(shè)備采用堆料機(jī)、取料機(jī)、堆取料機(jī)以及相應(yīng)的帶式輸送機(jī)系統(tǒng)，依據(jù)堆場可利用范圍，總共設(shè)有5 條堆取料作業(yè)線，布置6 條堆場，料堆堆高為10 m。為充分發(fā)揮堆場的實(shí)際有效利用率，在整個(gè)堆場中部設(shè)置1 條堆料線，堆料線兩側(cè)設(shè)2 條取料線，2 條堆取料線布置于堆場外側(cè)。根據(jù)工藝流程作業(yè)需要，各堆取料作業(yè)線配備相應(yīng)的堆取料設(shè)備。

圖1 某港專業(yè)化礦石碼頭裝卸工藝布置

本文介紹的自動(dòng)開合式散貨堆場環(huán)保設(shè)施依托于上述礦石碼頭，擬在散貨堆場內(nèi)的每一料堆上方設(shè)置兩個(gè)類似活動(dòng)式屋蓋結(jié)構(gòu)，該屋蓋設(shè)計(jì)為筒形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，網(wǎng)殼支承在走行臺(tái)車上。每兩個(gè)相鄰屋蓋可以水平重疊，當(dāng)堆取料機(jī)需在某一料堆處作業(yè)時(shí)，該料堆上方的屋蓋可以相互水平打開形成上下重疊式，如圖2 所示。

圖2 封閉單元結(jié)構(gòu)布置示意

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

本次選取高低各一個(gè)可開啟屋蓋結(jié)構(gòu)單元分析計(jì)算，高屋蓋跨度55 m，低屋蓋跨度50 m，長度均為50 m，選用正放抽空四角錐雙層網(wǎng)殼，網(wǎng)格尺寸約2.5 m×2.5 m，網(wǎng)殼厚度2 m，網(wǎng)殼筒面半徑分別為28.4 m和25.9 m。網(wǎng)殼兩縱邊支承在滑移軌道上，由滑移軌道把荷載傳給基礎(chǔ)。

2.1 計(jì)算模型

選用MSGS8.05 進(jìn)行桿件優(yōu)化分析計(jì)算，結(jié)構(gòu)模型如圖3 所示。根據(jù)滑移臺(tái)車的布置數(shù)量，每縱邊設(shè)置六個(gè)約束支座。

圖3 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

2.2 荷載取值及組合

考慮的主要荷載有：

1）恒荷載（DL）：構(gòu)件自重依據(jù)選取的材料，由計(jì)算程序自動(dòng)計(jì)算，屋面恒荷載選用0.5 kN/m2；

2）活荷載（LL）：0.5 kN/m2；

3）風(fēng)荷載（W）：基本風(fēng)壓0.6 kN/m2，A 類地面；

4）地震作用（E）：7 度，0.15g。

考慮的組合有：

1）1.2DL+1.4LL；

2）0.9DL+1.4W；

3）1.2DL+1.4LL+1.4×0.6W；

4）1.2DL+1.4×0.7LL+1.4W；

5）1.2DL+1.3Eh+0.5Ev。

2.3 主要計(jì)算結(jié)果

設(shè)定桿件材質(zhì)Q235B，桿件采用圓鋼管，節(jié)點(diǎn)采用焊接球，通過程序優(yōu)化計(jì)算得到的桿件應(yīng)力比和變形圖，其中最大桿件應(yīng)力161 MPa，最大豎向位移43 mm，均滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

2.4 主要構(gòu)件材料估算

單個(gè)滑移單元以50 m 為單位進(jìn)行材料估算，如表1、表2。

表1 單個(gè)滑移單元網(wǎng)殼桿件材料估算

表2 每個(gè)滑移單元屋面次結(jié)構(gòu)材料用量

3 結(jié)構(gòu)滑移系統(tǒng)

3.1 驅(qū)動(dòng)原理及驅(qū)動(dòng)方式

通過對國內(nèi)外已經(jīng)建成的開啟結(jié)構(gòu)的研究，比較了輪驅(qū)動(dòng)、齒條齒輪驅(qū)動(dòng)、鋼纜繩驅(qū)動(dòng)和千斤頂驅(qū)動(dòng)等幾種驅(qū)動(dòng)方式，結(jié)合本工程的特點(diǎn)，選定采用輪驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，將驅(qū)動(dòng)輪安裝在開啟屋蓋的走行臺(tái)車上，臺(tái)車上設(shè)置驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并通過減速機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪，車輪與輪軌之間的摩擦力將驅(qū)動(dòng)臺(tái)車走行。

本次研究的屋蓋結(jié)構(gòu)型式采用筒形網(wǎng)殼，網(wǎng)殼支承在走行臺(tái)車上，會(huì)對支座產(chǎn)生水平力，結(jié)合這個(gè)特點(diǎn)，在采用輪驅(qū)動(dòng)的具體方式及軌道的方式上比較了以下三種方案：

采用十字交叉結(jié)構(gòu)的微流控芯片以及自主研發(fā)的非接觸式微流控芯片便攜式分析診斷儀,針對K+、Na+、Li+離子進(jìn)行檢測和信號(hào)提取。微流控芯片分離通道長50 mm,分離電壓1 kV,進(jìn)樣時(shí)間1 s,運(yùn)行緩沖溶液為10 mmol/L MES-His(pH 6.15),激發(fā)頻率為200 kHz。分析診斷儀實(shí)現(xiàn)了樣品濃度為0.1 mmol/L和0.03 mmol/L的K+、Na+、Li+離子的分離檢測,采集到的微流控芯片信號(hào)的結(jié)果圖如圖4所示。

1）在斜面上設(shè)置軌道方案；

2）水平面設(shè)置軌道并在臺(tái)車上設(shè)置節(jié)點(diǎn)釋放網(wǎng)殼變形方案；

3）在水平面上設(shè)置軌道并設(shè)置以水平輪抵抗水平力方案。

考慮網(wǎng)殼實(shí)際水平推力隨著工況的變化、軌道與下部結(jié)構(gòu)的精度要求以及上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，確定采用第三種設(shè)置水平輪抵抗網(wǎng)殼水平力的方案。

3.2 臺(tái)車機(jī)械系統(tǒng)

每片網(wǎng)殼重量約200 t，共12 個(gè)支點(diǎn)，每個(gè)支點(diǎn)的垂直壓力80 t，雙向水平壓力40 t，網(wǎng)殼規(guī)格50 m×50 m，運(yùn)行距離100 m，運(yùn)行速度13.9 m/min。12 個(gè)支點(diǎn)共12 組臺(tái)車，每邊6 組，主動(dòng)臺(tái)車2 組、被動(dòng)臺(tái)車4 組，如圖4 所示。每個(gè)臺(tái)車2 個(gè)輪組（車輪直徑 φ600），經(jīng)過計(jì)算，每個(gè)車輪垂直輪壓 400 kN，水平輪壓400 kN。

圖4 臺(tái)車布置示意

圖5 臺(tái)車防浮系統(tǒng)布置示意

車輪材料擬選用65Mn，車輪踏面采用深層熱處理，以防止車輪在運(yùn)行中硬層脫落，從而提高使用壽命，淬火深度為20 mm，踏面硬度為HB 380。每個(gè)網(wǎng)殼由四個(gè)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，表3 中4×15 kW 為40 %工作制，當(dāng)15 %工作制時(shí)，電動(dòng)機(jī)功率為4× 22 kW。臺(tái)車機(jī)械系統(tǒng)具體指標(biāo)參數(shù)見表3。

表3 臺(tái)車機(jī)械系統(tǒng)指標(biāo)

3.3 供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)采用安全滑觸線，電控裝置由操作系統(tǒng)、控制柜、供電裝置、照明、連接導(dǎo)線等組成。所有電動(dòng)機(jī)采用變頻電動(dòng)機(jī)，變頻電機(jī)具有啟動(dòng)平穩(wěn)、同步性好、無沖擊、壽命長、安全可靠的特點(diǎn)。十字限位開關(guān)作為高低速轉(zhuǎn)換開關(guān)，使電液推桿錨定裝置定位準(zhǔn)確。網(wǎng)殼與網(wǎng)殼之間的防撞采用起重機(jī)專用限位開關(guān)。所有電控系統(tǒng)采用限位保護(hù)、電器連鎖、過流、失壓、錯(cuò)相、缺相保護(hù)等，還有風(fēng)速報(bào)警、遙控識(shí)別和移動(dòng)等聲光報(bào)警、手動(dòng)操作與無線遙控操作互鎖等安全保護(hù)措施。

3.4 控制系統(tǒng)

采用地面手電門分別操作和無線遙控裝置群控操作。地面每單元每片網(wǎng)殼的運(yùn)行由每臺(tái)電控箱的手電門分別單個(gè)操作。無線遙控裝置在每條作業(yè)通道的挖掘輸送機(jī)的司機(jī)室內(nèi)，裝有無線遙控發(fā)射器和增益放大器，可在1 300 m 范圍內(nèi)有效控制該條裝卸作業(yè)通道兩邊共22 個(gè)單元的44 個(gè)網(wǎng)殼（44套無線接收器）的開閉。該無線遙控發(fā)射器和增益放大器裝置共三套分別在3 條裝卸作業(yè)通道的挖掘輸送機(jī)司機(jī)室內(nèi)，132 套無線接收器分別在66 個(gè)單元的132 個(gè)移動(dòng)網(wǎng)殼的電控箱內(nèi)。無線遙控裝置在高溫、寒冷、粉塵的室外惡劣環(huán)境下工作可靠，大大改善了作業(yè)條件，有效保護(hù)了人身安全。

4 結(jié) 語

隨著國家對散貨碼頭堆場的環(huán)保要求逐步提高，港口散貨碼頭的環(huán)保設(shè)施成為了研究課題，近年來建設(shè)的傳統(tǒng)性專業(yè)化散貨堆場環(huán)保設(shè)施，基本都是采用干煤棚結(jié)構(gòu)形式（條形倉），條形倉的跨度基本為106 m，為滿足堆取料機(jī)的使用，其高度需達(dá)到35 m 以上。該結(jié)構(gòu)形式適用于料場設(shè)備采用堆取合一的堆取料機(jī)，而采用堆取分開模式的作業(yè)堆場，即堆料采用堆料機(jī)、取料采用取料機(jī)的散貨堆場則不適用。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，國際上從本世紀(jì)60 年代至今已建成的開合結(jié)構(gòu)式屋頂結(jié)構(gòu)，其絕大多數(shù)屬于中小型的建筑結(jié)構(gòu)形式，主要用于游泳館、網(wǎng)球場等體育建筑設(shè)施，或者飛機(jī)庫、廠房及存儲(chǔ)需要晾曬物料的倉儲(chǔ)建筑。本文介紹的類似于開啟屋蓋的可自動(dòng)開合式煤炭堆場設(shè)施，可顯著增加料場的有效堆存容量，為老的傳統(tǒng)性煤炭專業(yè)化碼頭進(jìn)行環(huán)保改造時(shí)提供借鑒。