特高压换流站桅杆吊大件码头设计与研究

唐剑潇

(东北电力设计院有限公司，吉林 长春 130021)

1 工程概况

专用码头位于湘江南岸，距上游涓水河口1.43 km，距下游涟水河口0.72 km，利用江边某杂货港区的闲置场地建设。码头设计高水位为40.2 m，设计低水位为29.0 m，枯水期和丰水期的水位高差较大。

工程区域的地质情况从上至下依次为：素填土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土(硬可塑)、粉质黏土(软可塑)、中砂、粗砂、砾砂、圆砾、强风化泥质粉砂岩，以及中风化泥质粉砂岩。桩基础可以中风化泥质粉砂岩作为桩端持力层。

需要从专用码头转运的大件设备为28台换流变压器，其中，高端换流变压器的运输尺寸为13 089 mm×3950 mm×492 mm(长×宽×高)，运输重量为360 t；低端换流变压器的运输尺寸为10 000 mm×3700 mm×4850 mm(长×宽×高)，运输重量为259 t。一程水运采用1000 t级驳船，码头的起重设备采用500 t级双人字桅杆吊[1]，运输车辆采用横拼2纵列14轴线液压全悬挂平板车及配套牵引车。

2 桅杆吊大件码头的平面布置

换流变压器的运输批次根据工程建设和设备生产的进度确定，一般一个批次到货1～2台，采用单船单件的载货模式，大件码头则按照单泊位规模设计。

2.1 布置方式

由于桅杆吊大件码头在既有港区内建设，可利用的空间有限，其平面布置应秉持因地制宜、紧凑实用的设计原则，可采取平行式布置和垂直式布置两种方案。

“平行式”指桅杆吊人字两脚的连线与运输平板车的纵向轴线两相平行，运输平板车置于江侧、桅杆吊置于岸侧，设备从舱底起吊后，桅杆变幅至平板车位下落装车(图1)。平行式布置广泛应用于中大型码头的设计中[2]，根据泊位数量和吞吐能力，平板车位置可设置单车位或多车道，并在码头前沿形成交通环线，提高运输效率。

图1 平行式布置方案

“垂直式”指桅杆吊人字两脚的连线与运输平板车的纵向轴线两相垂直，运输平板车置于桅杆吊人字两脚之间，设备从舱底起吊、在空中旋转90°后，桅杆变幅至平板车位下落装车(图2)。垂直式布置并不多见，车辆装载后需利用桅杆吊基础与卷扬机地锚之间的场地通行，出港路径较短。

图2 垂直式布置方案

2.2 方案对比

平行式布置方案中，为满足平板车的出港，码头平台的江侧前沿需拓宽并直接与引接道路相连，增大了码头平台的平面尺寸和码头前沿向江侧延展的距离，也需要更多的建设用地，提高了工程投资。垂直式布置方案中，码头平台的平面尺寸只需要考虑桅杆吊基础和平板车的布置，平板车的出港方向为码头平台的岸侧，可采用最简捷的路径与引接道路相连；由于不受平板车位的限制，桅杆吊基础的布置比较灵活，从而可以缩短码头平台伸入江侧的距离。

由以上比较可知，垂直式布置方案可实现占地面积和码头平台尺寸的最小化，可大幅降低工程投资，满足利用狭小空间建设专用码头的外部条件，是电力大件设备转运吊装的适应性方案。

3 桅杆吊大件码头的结构设计

桅杆吊大件码头的结构布置应充分考虑桅杆吊和码头平台的受力原理和传力路径，通过综合性的分析和研究确定设计方案。

桅杆吊的荷载传递路径为货物重量通过吊钩传递给钢丝绳，钢丝绳拉力通过主桅杆和附桅杆顶部的起伏滑轮组传递给卷扬机，卷扬机是桅杆吊的动力输出装置，卷扬机固定在地锚顶部；主、附桅杆在各种变幅工况下均起到起伏滑轮组的支撑作用，主、附桅杆在地面上采用铰接支座，杆体轴力通过支座传递给桅杆吊基础。

码头平台所承受的荷载主要包括：结构自重、车辆荷载、卸货设备自重、船舶撞击力、系缆荷载、水流力、风荷载，以及施工荷载等。由于码头前沿伸入江侧较短，结构受水流影响较小，主导可变作用以竖向荷载为主。

大件码头采用垂直式平面布置方案，码头整体采用高桩码头结构型式，平台采用无梁厚板式承台，码头前沿靠船支撑结构采用钢筋混凝土框架，桩基采用直径1.2 m的钢筋混凝土灌注桩、直桩型式。卷扬机地锚采用墩台式基础，其下采用钢筋混凝土灌注桩支撑。

由于平面布置紧凑，桅杆吊基础与码头平台的间距较小，考虑将二者合并形成兼具桅杆吊基础功能的码头平台，则桅杆吊起重荷载成为码头平台的控制荷载。以吊重400 t为例，分析桅杆吊在起吊幅度和卸货幅度两种工况下的受力情况。设计吊重计算如式(1)：

T=k×(G+q)

(1)

式中：T为设计吊重，t；k为动负荷系数，取1.1；G为起吊重量，取400 t；q为吊钩、钢丝绳及桅杆自重，取50 t。经计算T为495 t。

如图3和图4所示，卷扬机地锚和桅杆支座是桅杆吊在码头平台上的着力点，桅杆吊通过钢丝绳和桅杆将起吊设备的重量传递至此着力点上。起吊幅度和卸货幅度两种工况相比较，起吊幅度为最不利工况，卷扬机地锚承受较大的上拔力和水平力，桅杆支座承受较大的下压力和水平力。考虑此种荷载特点，根据结构部件不同的受力模式，提出两种码头结构设计方案。

图3 起吊幅度的桅杆吊受力简图

图4 卸货幅度的桅杆吊受力简图

3.1 独立式结构方案

独立式方案中，码头平台和地锚墩台均独立设置，互相脱开，对于所受的荷载亦独立承担。该方案是桅杆吊码头设计中的常规方案。

如图5所示，由于地锚墩台需要独立承担起吊幅度工况下巨大的水平力，且受场地限制无法采用斜桩或者叉桩[3]，只能通过增加桩基数量的方式提高地锚墩台的水平荷载承载能力，同时也需增大地锚墩台的平面尺寸。码头平台由于受到卸货重量和桅杆吊荷载的同时作用，竖向力和水平力均较大，桩基数量由竖向荷载控制。

图5 独立式结构方案侧视图

3.2 连系式结构方案

3.2.1 总体设计

起吊幅度工况的桅杆吊荷载作用下，如图3所示，地锚墩台受到4060 kN(406 t)的江侧水平力，码头平台受到4900 kN(490 t)的岸侧水平力，二者所受的水平力是异向相对的。

利用上述受力特点，如图6所示，创新性的通过增设两根钢筋混凝土连系梁将地锚墩台和码头平台连接在一起，连系梁作为支撑杆，使地锚墩台和码头平台所受的异向水平力大部分互相抵消，码头平台依然按照竖向荷载设计，平台尺寸和桩基个数与独立式方案相同；地锚墩台的桩基数量改为由竖向荷载控制，相比独立式方案桩基个数可大幅减少，地锚墩台的平面尺寸也随之减小。另外，由于“地锚墩台+连系梁+码头平台”形成整体结构，码头平台的系缆力和船舶撞击力也可由三者共同承担。

图6 连系式结构方案侧视图

3.2.2 构造要点

在起吊幅度工况下，除自重以外，连系梁受到较大的轴心压力，为提高连系梁的受压承载力，如图7(b)所示，连系梁端部与码头平台采用钢结构销轴连接，按照铰接设计，不考虑地锚墩台和码头平台的不平衡弯矩影响。在系缆力工况下，连系梁受到系缆拉力的作用，起到传递荷载、协调受力的作用。为减小连系梁的计算长度，在连系梁中部设置钢筋混凝土横撑，在平面上与两根连系梁共同形成“H”形布置，并在横撑处的每根连系梁下设置一根桩基作为竖向支座，使横撑处的连系梁受到水平和竖直两个方向的可靠支撑。

图7 节点构造详图

连系梁设计的难点在于桅杆吊卸货后的满载行车工况，连系梁区域亦是平板车的行车场地，这也是在码头平面布置方面垂直式方案对比平行式方案的一个明显差异。如果连系梁需承受满载车辆荷载，则连系梁应考虑轴心受压和竖向受弯两个不利工况的包络设计，为保证连系梁采用合理的断面尺寸，需要在连系梁下设置多根桩基，以缩小梁的计算跨度。这种设计方案同样会增大桩基工程量，在投资方面得不偿失。

如图7(a)所示，为使连系梁免受车辆荷载的影响，考虑采用外包围式单孔箱涵对连系梁进行防压保护，车辆荷载作用在单孔箱涵的盖板上，箱涵侧壁将竖向荷载直接传递至路基层；箱涵底板顶面和连系梁底面采用油毡底膜隔离，确保当箱涵受力沉降时不会对连系梁产生向下的拖拽作用。单孔箱涵采用钢筋混凝土结构、嵌入式承重活动盖板，施工过程中，先进行箱涵底板和侧壁的施工，完成后再进行连系梁的绑筋、支模和浇筑工作，活动盖板可采用预制式，连系梁施工完成后安装盖板，场地即可具备行车条件。

3.3 方案比选

对独立式结构方案和连系式结构方案分别进行相关工程量和工程投资的计算，结果如表1所示。结合以上计算结果，对两种结构方案进行对比分析，可知连系式结构方案在以下几个方面均具有较大优势。

表1 方案计算对比

(1)由表1可知，独立式结构方案的地锚墩台和桩基础工程量较高，连系式结构方案的单孔箱涵工程量较高，综合比较相关工程量的工程投资，连系式结构方案要比独立式结构方案节约29%。由此可见，连系式结构方案的工程经济性要显著优于独立式结构方案。

(2)连系式结构方案巧妙地将两个单体结构的外力问题转化为一个整体结构的内力问题，并使码头平台和地锚墩台的各构件协同受力，在降低工程量的同时，提高了桅杆吊大件码头结构安全性，为特高压换流站大件运输的顺利实施创造了有利条件，是专用码头工程的首选方案。

(3)横撑及桩基支座、梁端销钉铰接节点和单孔箱涵防压保护等措施，是具有针对性的构造设计，可有效保障设计假定模型的实现，保障连系式码头结构的可靠运行。

4 结 论

针对特高压换流站大件设备运输的特殊要求，通过平行式和垂直式两种方案研究桅杆吊大件专用码头的平面布置对比，垂直式布置方案在占地面积和码头工程量等方面优势明显；提出独立式和连系式两种码头结构方案，根据桅杆吊的受力分析和方案技术经济比较，推荐采用连系式结构方案，该方案通过设置钢筋混凝土连系梁将码头平台和地锚墩台纵向连接，充分发挥码头结构整体的协同承载能力，可大幅降低桩基数量和工程投资，提高桅杆吊大件码头结构的可靠性和安全性，保障特高压工程大件运输的顺利实施。