全装配式钢灯塔结构在自动化码头中的应用

丁志全，陈红兵，廖振宇，刘观发

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510290)

中国每年新增建筑面积约为20亿m2，其结构大多为现浇混凝土结构，而这种传统结构存在不少缺点。首先，建筑领域的工人数量逐年减少，人工成本增加。其次，现浇混凝土结构存在较多现场施工工序，导致劳动强度高，且存在安全隐患。针对国家提出的建筑绿色节能的新要求，传统结构的高耗能不能满足国家最新政策要求，而装配式建筑解决了传统结构的诸多问题得到大力发展。

装配式建筑主要包括3种类型：装配式钢结构、装配式混凝土结构和预制集装箱式结构[1]。其中装配式钢结构建筑的结构体系由钢构件组装而成，具有强度高、质量小、抗震耗能性能好和可以标准化设计等优点[2]。钢结构构件可预先在工厂中进行加工焊接等工序，现场安装速度快，湿作业量少，满足绿色节能目标。发展装配式钢结构有利于减少施工污染、节约资源、提升劳动生产效率和质量安全水平[3]。按照装配化率大小，可以将装配式建筑分为半装配式和全装配式建筑。目前，国外装配式结构普遍用于低层结构[4-5]，而国内装配式结构目前主要集中在标准化和大体量的民用建筑领域，在特种工业建筑中应用还较少。

为适应绿色环保、施工便捷和经济可靠等要求，本文以钦州大榄坪某集装箱自动化码头改造项目的灯塔为例，提出了一种全装配式钢结构灯塔体系，对灯塔上部钢结构进行选型，提出主要节点构造和施工控制要点，可为类似港区灯塔结构设计和施工提供参考。

1 项目概况

钦州大榄坪某集装箱自动化码头改造项目是广西打造的“千万标箱”港口、互联互通国际陆海贸易新通道关键节点的重要组成部分，主要为广西、云南、贵州、四川、重庆、甘肃等在内的西部地区集装箱货物提供运输服务。项目建成后将成为首座堆场采用U形布置的全自动化集装箱码头，具有较高的社会效益和技术创新意义。

灯塔作为港区重要辅建建筑，具有高度高、数量多和工期短等特点，该项目中灯塔数量25座，分布在港区各功能区，每座高29.025 m，底部宽1.5 m，主要功能是为整个厂区提供照明。

2 塔架结构选型

2.1 结构主要设计参数

本工程钢塔架高度为29.025 m，使用年限和结构设计基准期均为50 a；抗震烈度为7度，场区设计基本加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅳ类。基本风压为0.80 kN/m2，地面粗糙度为A类。所有杆件均采用Q235B钢材。

2.2 结构选型

塔架腹杆均为单斜杆布置，灯塔平面横隔均为四边形布置。腹杆按梁构件设计，释放两端弯矩约束，按铰接处理；弦杆连接按刚接处理；上部结构与基础连接按铰接处理。

结构设计选型主要考虑2个因素：塔架顶部的宽度和杆件截面。各方案对应参数见表1。

表1 各方案参数

在塔底宽度相同的前提下，不同的塔顶尺寸对结构的经济性和适用性有显著的影响。根据人员上塔通行便利要求，选取TJ01和TJ03两种不同尺寸方案；不同的塔架构件截面对荷载受力情况和经济性也产生较大影响，因此增加TJ02方案。各塔架杆件截面尺寸见表2。

表2 主要杆件截面尺寸

本塔架作为全装配式钢结构，需将高度为29.025 m的塔架分为多个塔段，其中塔段编号分别为GJ-1～GJ-5，塔架分段高度见图1。

图1 塔架分段高度(高程：m；尺寸：mm)

2.3 荷载及其组合

2.3.1风荷载

在钢结构塔架结构不同选型方案的计算中，风荷载的影响最大，风荷载引起的应力占总应力80%以上[6]。

根据GB 50135—2019《高耸结构设计标准》[7]有：

Wk=βzμsμzw0×1.05

(1)

式中：Wk为垂直于建筑物单位面积上的风荷载标准值；w0为基本风压0.8 kPa；βz为高度z处的风振系数；μs为体型系数，角钢塔架取1.3，圆钢塔架为0.78，两者均取0.4的折减系数；μz为风压高度变化系数，按规范表4.2.6取值。

高度z处的风振系数：

βz=1+ξε1ε2

(2)

式中：ξ为脉动增大系数；ε1为风压脉动和风压高度变化的影响系数，两者均不随塔段变化而变化，分别为2.60和0.48；ε2为振型、结构外形的影响系数。在实际工程中，塔架分为多个塔段进行组装，因此根据受荷面积S，风荷载按公式F=βzμsμzw0S换算为集中荷载，并分别施加至每段顶部2个节点上，计算结果见表3。

表3 风荷载计算结果

2.3.2活荷载

根据GB 5009—2012《建筑结构荷载规范》[8]，取活荷载为3.0 kPa。

2.3.3其他荷载及荷载组合

地震和结构自重荷载程序自动考虑。根据GB 50068—2018《建筑结构可靠性设计统一标准》[9]，结构分析和设计中采用2种极限状态荷载组合计算，即承载能力极限状态和正常使用极限状态。

2.4 主要分析和设计结果

2.4.1应力与塔顶位移分析

结构位移在风荷载WX和WY作用下对称，因此给出WX作用下位移即可。塔架应力取荷载组合包络条件下的应力分布。根据软件计算，3种方案塔架应力和塔顶在WX风荷载作用下的最大水平位移见图2。

如图2所示，3种模型的杆件最大应力较为接近，均在160～175 MPa范围内，小于215 MPa，满足杆件强度要求。对于塔顶水平位移，2个角钢模型TJ01和TJ03分别为202、208 mm，即位移角分别为1/138和1/134，相当接近；而钢管模型TJ02为173 mm，位移角为1/161。3个模型均满足《高耸结构设计标准》规定的1/75的位移角限值。

图2 3种方案位移与应力云图

2.4.2用钢量分析

3种方案的立面几何尺寸变化和塔架材料不同导致其用钢量存在差异。方案TJ01和TJ03均为角钢塔架，用钢量分别为3 382、3 045 kg，后者比前者节省约10.0%，说明塔架为上窄下宽的TJ03方案较为合理。TJ02钢管塔架的用钢量为4 159 kg，比TJ01高23.0%，说明角钢截面的经济性明显好于钢管截面。

塔架不同方案的最大应力、最大塔顶水平位移角和用钢量的指标见表4。

表4 不同方案指标

根据表4可知，在满足杆件应力和塔顶水平位移角的前提下，当其它设计条件相同时，TJ03方案用钢量最小，经济效益最好，满足功能使用和经济性要求。本项目最终选择上窄下宽的角钢塔架TJ03方案灯塔架。

3 塔架主要构件和节点

3.1 预制混凝土基础

为简化现场的柱脚定位和安装，本工程采用带短柱的预制混凝土独立基础，免去现场支模与浇筑的湿作业量。

首先，为了适应软弱地基，在基础下方先铺设碎石垫层，减小基底面积的同时可提高结构设计的适用性。其次，根据工程柱脚实际的弯矩与轴力，确定基础平面尺寸和基础高度，基础底部配置双向钢筋。再次，确定基础短柱高度，按计算配置短柱竖向纵筋、拉筋和箍筋，同时，在基础短柱顶部的2个三分点处预埋吊环，便于现场起吊和放置。最后，在扩展基础上部配置双向抗裂钢筋，防止起吊时扩展基础坡面混凝土受拉开裂。基础剖面见图3。

图3 预制混凝土基础剖面(单位：mm)

考虑到塔架的整体质量以及柱脚弯矩较大，为保证柱脚的抗压、抗拉及抗弯性能，必须提高角钢格构柱在柱脚部位的整体受力和协同工作的能力。因此，角钢柱脚在锚入短柱的范围内采用基础构架加强其锚固作用。

3.2 柱脚节点及塔段间连接节点

为了便于工厂对塔架的预制与运输，需要将塔架分为多个塔段，中间塔段长度为6～7 m，两端塔段为3～4 m，在现场进行组装，加快现场施工速度。

预制混凝土基础内预先埋入角钢构架，分布在角部的4个角钢伸出基础短柱顶面。为了连接基础预埋角钢和柱脚角钢，在每侧翼缘分别预留2个螺栓孔；对于每侧翼缘，使用预留4个螺栓孔的连接板件，其中2个孔与柱脚连接，另外2个孔与基础预埋件连接，并将连接板件与上下角钢分别焊接。塔段间的节点连接，均采用连接板件与上下塔段进行栓焊连接的方式。连接节点见图4。

图4 连接节点

3.3 施工安装过程

各塔段的弦杆、腹杆和其他组件在工厂中已完成螺栓和焊接连接，且混凝土基础可以在工厂预制。因此只需在现场进行基坑开挖，构件吊装和安装等工作。具体安装过程见图5。

图5 塔架施工安装过程

施工准备完成后，基坑工程、基础预制构件以及上部钢结构的制作同步进行。基坑开挖完成后，进行基础吊装和基坑回填，同时运输制作好的上部钢结构构件，最后进行现场塔架安装。

首先，将上部钢结构的塔底段(GJ-1)与基础预埋件连接，放置好预制混凝土基础；然后，将最下段的塔架平放在地上，将柱脚节点其中一侧的螺栓连接好后，用吊车把塔架绕着已连接的螺栓旋转90°；最后，连接柱脚另一侧的螺栓，螺栓全部连接完成后焊接。

柱脚节点连接完成后，使用缆风绳稳定各塔段顶部，将上部钢结构各塔段依次进行吊起、对接和安装。在螺栓连接完成后，进行现场焊接并去角打磨，并对各安装节点现场补漆，最终完成施工。

4 结论

1)塔架采用角钢截面(TJ01)比采用钢管截面(TJ02)节省用钢量约18.7%，说明在其它条件都一致的情况下，采用角钢截面更经济。

2)塔架底部尺寸相同的情况下，塔顶尺寸为塔底尺寸一半的结构(TJ03)，相比塔顶塔底尺寸相同的结构(TJ01)，节省用钢量约10.0%，说明在其它条件一致的情况下，相比于上下同宽立面布置，采用上窄下宽立面布置更经济。

3)预制混凝土基础和上部塔架分段制作方法有利于工厂作业，减少现场工作量。

4)本工程采用全装配式钢结构形式，提出主要装配式节点做法和施工安装方法，施工工期缩短；且便于塔架拆除，处理成本降低，促进建筑材料回收再利用，符合新时代建筑绿色环保的理念。