适应不均匀沉降的皮带机与栈桥结构一体化设计

2020-06-18顾宽海

水运工程 2020年5期

沈卓，顾宽海，艾菁

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

1 工程概况

近年来，澳门地区大量的建筑工程，如大型赌场、酒店、楼宇及道路基建产生了大量的建筑弃料，其中地基平整及建筑基坑开挖过程中产生的淤泥及黏土统称为海泥。以往海泥的处理方式一直采用卡车运输至垃圾堆填场，并集中倾倒入海的做法，现在为了维持海泥倾倒区与周边环境的稳定共存，并提升海泥的二次利用价值，拟在海泥倾倒区原址建设1个海泥专用堆填场，并配备1个临时出运码头，采用皮带机装船系统，以规范海泥的装船外运。皮带机工艺断面如图1所示。

现有的海泥倾倒区并未经过任何的地基处理，基底存在厚15～25 m的淤泥或淤泥质土，经过近10年的海泥倾倒，天然软土被不同类型的海泥压缩、挤压、变形，使地基条件变得更加复杂，这给新建海泥专用抛填堆场的建设带来极大的难度。经多方案比选，地基处理推荐采用浅层清淤+碎石桩的基础方案，该方案能较好地解决地基承载力的问题，但复杂软土地基的不均匀沉降却很难消除，经复核计算，不均匀沉降远大于常规皮带机项目。

考虑到本工程皮带机栈桥长度、离地高度及工艺特点，栈桥结构具有机械化非标准设计的条件，因此引入皮带机与栈桥结构一体化的设计理念，在设计阶段考虑其抵抗基础不均匀沉降的构造，使皮带机能够适应复杂软土地基的不均匀沉降，满足运行要求。

2 设计标准的选用

皮带机栈桥作为建筑单体可采用建筑类规范；而皮带机属于设备，皮带机栈桥也可看作设备的一部分，采用设备类规范。两类规范虽然都可指导栈桥结构的设计，但是不同的规范侧重点不同，会产生不同的设计结果。

2.1 有风工况载荷组合

建筑类规范主要采用《建筑结构荷载规范》[1]和《钢结构设计规范》[2]，荷载组合主要使用分项系数法，根据皮带栈桥所受的荷载，有风工况荷载组合可以表达为：

1.2S永+1.4S物料+1.4×0.6S风< [σ]

(1)

式中：S永为永久荷载;S物料为皮带机物料荷载;S风为风荷载；[σ]为材料强度设计值。

材料强度设计值与材料屈服极限的比值约为0.9，故式(1)可整理为：

1.33S永+1.56S物料+0.93S风< [σ屈服]

(2)

式中：[σ屈服]为材料屈服极限。

设备类规范主要采用《移动式散料连续搬运设备钢结构设计规范》[3]和《起重机设计规范》[4]。荷载组合主要沿用安全系数法，有风工作工况安全系数为1.34，荷载组合可表达为：

1.34S永+1.474S物料+1.34S风< [σ屈服]

(3)

综合比较式(2)、(3)可以发现，建筑类规范对多个可变荷载和组合，设有组合系数的概念，会削弱组合中某项可变荷载，而设备类规范没有削弱各荷载的概念，综合各项系数来看，设备类规范的荷载组合略微严格。

2.2 风荷载

风荷载在本工程皮带机栈桥结构的荷载中比例较大。建筑类规范和设备类规范针对风荷载的计算公式有一定差异。

2.2.1设计风速

《起重机设计规范》的风荷载分为工作风和非工作风(即暴风)。工作风的风速，采用离地10 m、3 s时距的平均瞬时风速，重现期50 a。根据皮带机等各港口设备的运行要求，沿海地区统一取20 ms，即工作状态计算风压为0.25 kNm2。非工作风的风速一般不超过50 ms，但是风况恶劣的情况下，需要结合当地气象资料，气象数据一般指离地10 m、重现期50 a、10 min时距的平均风速(3 s时距的平均瞬时风速为10 min时距的1.4倍)。以澳门地区为例，近年来，台风日趋频繁，2017年台风“天鸽”达16级，近中心最高风速达49 ms，折算到3 s时距的暴风设计风速应取68.6 ms。

图2为DPD模拟所涉及最高体系浓度(杂双子表面活性剂体积分率φ=0.5)下,C9-P-NC18体系中各DPD软粒子的扩散系数(D)随模拟步数(Ns)的变化情况.显然,当模拟进行一段时间(至多5×104时间步)之后,各类粒子的扩散系数均无大的起伏,仅有小的波动,充分表明该体系已达平衡.由此可见,5×105时间步应足以确保每一轮模拟达到平衡状态.

《建筑结构荷载规范》的风荷载只取一种基本风压，基本风压取决于基本风速，采用离地10 m、10 min时距的平均风速，重现期50 a。以澳门地区为例，其基本风压取0.9 kNm2，相当于风速38 ms，折算3 s时距的平均瞬时风速为53.2 ms，与《起重机设计规范》暴风风速的一般取值50 ms非常接近，但在设计风速上，《起重机设计规范》是《建筑结构荷载规范》的1.4倍。

2.2.2体形系数

《建筑结构荷载规范》对型钢桁架结构的体形系数统一取1.3，不再对单独杆件单独取值。《移动式散料连续搬运设备钢结构设计规范》对型钢桁架结构的体形系数统一取1.6，也允许单独杆件单独取值，但最大值为1.6；《起重机设计规范》则对直边型钢桁架结构的体形系数统一取1.7，也允许单独杆件单独取值，最大值为1.7。

2.2.3高度变化系数

《建筑结构荷载规范》有高度变化系数与地面粗糙度和离地高度的对照表，本工程地面粗糙度属于A类海岸地区，按照离地10 m取值，高度变化系数为1.28。《起重机设计规范》中，工作风荷载是不考虑高度变化系数的，而暴风荷载按照离地10 m取值，高度变化系数为1.0。

2.3 综合分析比选

经综合分析比选，两类规范对皮带机栈桥结构设计的对比见表1。两类规范在体形系数和高度变化系数上均不相同，但设备类规范在荷载组合中没有削弱荷载的组合系数，且风荷载的要求总体严格于建筑类规范。出于安全考虑，本工程皮带机的一体化栈桥结构设计采用设备类规范。

表1 设计规范对比

3 一体化栈桥结构的设计方案

传统皮带机及其栈桥结构设计一般假设基础沉降为0(或基础沉降满足许用值)，一旦发生较大不均匀沉降时，只能通过外部措施被动调整。而本工程软土地基较复杂，基础不均匀沉降超标不可避免，皮带机及其栈桥结构必须要适应这种差异沉降，并能在沉降后快速恢复。为此，皮带机及其栈桥结构需要做出以下优化：1)栈桥结构足够轻巧，尽量整合皮带机自身结构，与其一体化设计，以减少沉降压力、降低调整的负担；2)支腿结构的高度可调，并具有抵消一定水平位移的能力。

3.1 栈桥断面结构的优化

皮带机与栈桥结构的一体化设计，则充分利用皮带机自身的支撑结构，自成桁架，大幅减少非受力构件，如图2b)所示。弦杆主要采用原中间架的角钢和槽钢，个别跨度大的可选用尺寸小的H形钢或矩形管截面。针对跨度小、带宽窄的皮带机栈桥，甚至可以直接采用型钢实腹梁结构，如图2c)所示。

一体化栈桥结构，除自重及皮带机荷载外，风荷载为影响结构用钢量的主要荷载，在澳门地区为最主要荷载。一体化栈桥结构的桁架宽度，一般与皮带机托辊组结构等宽，当桁架跨度超大后，其侧向刚度明显不足，抵抗侧向风荷载能力偏弱，为此可以将非受力构件的走道平台也纳入桁架的受力结构，加强侧向抗弯能力，如图2d)所示。同时，为进一步减少皮带机的迎风面积，上弦杆之间的水平撑杆也可进一步简化，同时托辊组采用下沉式设计，局部下沉至桁架结构内，使迎风面积最大的防雨罩可以尽量降低，优化后形成一体化栈桥结构的最优断面形式，其用钢量达到最省，如图2e)所示。

图2 皮带机栈桥断面

3.2 主桁架结构的优化

主流桁架结构形式，沿用的仍是二维设计阶段的经典形式。随着有限元结构分析软件的普及，三维建模早已实现且可进行动态分析，计算的准确性也有了长足的进步，不仅可以对具体杆件截面做精确选型，而且可以在经典结构形式上做进一步的优化。

目前，主流最经典的桁架形式如图3a)所示。所有斜杆沿着桁架中心左右对称，此种形式的斜杆均为拉杆，被认为是用钢量最省的结构形式。但此类桁架适合单独成跨，即与左右桁架断开，不产生刚性连接。

皮带机一体化的栈桥，为保证结构可靠，主桁架结构主要采用焊接，为便于安装与运输，单榀桁架长度需要控制在12 m以内，而实际桁架的跨度往往会超过20 m，此时需要现场多榀桁架拼接成跨。拼接的桁架，其中间斜杆适合设计成交替状，如图3b)所示。此类结构无传力突变，但桁架中间竖杆的受力都非常小，为尽量减少非受力杆件，中间竖杆数量可以减少一半，使斜杆呈人字分布，如图3c)所示。在此基础上，通过优化弦杆和斜杠截面，调整斜杠角度，无中间竖杆的桁架结构仍能有效支撑皮带机，如图3d)所示。无中间竖杆主桁架结构的三维模型如图4所示，有限元计算结果见图5。有风工况桁架最大应力214.8 MPa，满足材料Q345B的强度设计值要求；侧向位移31.3 mm，竖向位移19 mm，满足尺寸的l400的位移容许值要求。故本工程桁架结构最终采用无中间竖杆结构。

图3 主桁架结构形式

图4 无中间竖杆主桁架结构

图5 桁架应力和位移云图

3.3 支腿结构的优化

目前主流桁架的支腿，按结构形式主要分为A字桁架型、矩形桁架型、门架型等，按照支腿数量分为单腿、双腿、三腿、四腿型，但均为固定刚性支撑，高度不可调整，其力学简化模型如图6a)所示。一旦基础发生不均匀沉降，则必须通过起重机械辅助，通过增加垫片或调整支座使得桁架结构保持原有的直线度和水平度[6]，操作专业性非常高，调整工作量也非常大。

如果支腿结构高度可调，不做成刚性支撑，则适应基础的不均匀沉降将变为可能。其中一个可行的支腿形式为倒人字结构，如图6b)所示，支腿下端节点设计成铰轴形式，支腿上端与桁架的连接设计成滑道或滚轮形式，桁架与支腿允许水平方向相对滑动，通过改变倒人字支腿的夹角，即可调整桁架支撑点的高度，从而达到适应地基不均匀沉降的目的。