全裝配式鋼燈塔結構在自動化碼頭中的應用

丁志全，陳紅兵，廖振宇，劉觀發

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290)

中國每年新增建筑面積約為20億m2，其結構大多為現澆混凝土結構，而這種傳統結構存在不少缺點。首先，建筑領域的工人數量逐年減少，人工成本增加。其次，現澆混凝土結構存在較多現場施工工序，導致勞動強度高，且存在安全隱患。針對國家提出的建筑綠色節能的新要求，傳統結構的高耗能不能滿足國家最新政策要求，而裝配式建筑解決了傳統結構的諸多問題得到大力發展。

裝配式建筑主要包括3種類型：裝配式鋼結構、裝配式混凝土結構和預制集裝箱式結構[1]。其中裝配式鋼結構建筑的結構體系由鋼構件組裝而成，具有強度高、質量小、抗震耗能性能好和可以標準化設計等優點[2]。鋼結構構件可預先在工廠中進行加工焊接等工序，現場安裝速度快，濕作業量少，滿足綠色節能目標。發展裝配式鋼結構有利于減少施工污染、節約資源、提升勞動生產效率和質量安全水平[3]。按照裝配化率大小，可以將裝配式建筑分為半裝配式和全裝配式建筑。目前，國外裝配式結構普遍用于低層結構[4-5]，而國內裝配式結構目前主要集中在標準化和大體量的民用建筑領域，在特種工業建筑中應用還較少。

為適應綠色環保、施工便捷和經濟可靠等要求，本文以欽州大欖坪某集裝箱自動化碼頭改造項目的燈塔為例，提出了一種全裝配式鋼結構燈塔體系，對燈塔上部鋼結構進行選型，提出主要節點構造和施工控制要點，可為類似港區燈塔結構設計和施工提供參考。

1 項目概況

欽州大欖坪某集裝箱自動化碼頭改造項目是廣西打造的“千萬標箱”港口、互聯互通國際陸海貿易新通道關鍵節點的重要組成部分，主要為廣西、云南、貴州、四川、重慶、甘肅等在內的西部地區集裝箱貨物提供運輸服務。項目建成后將成為首座堆場采用U形布置的全自動化集裝箱碼頭，具有較高的社會效益和技術創新意義。

燈塔作為港區重要輔建建筑，具有高度高、數量多和工期短等特點，該項目中燈塔數量25座，分布在港區各功能區，每座高29.025 m，底部寬1.5 m，主要功能是為整個廠區提供照明。

2 塔架結構選型

2.1 結構主要設計參數

本工程鋼塔架高度為29.025 m，使用年限和結構設計基準期均為50 a；抗震烈度為7度，場區設計基本加速度為0.10g，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅳ類?；撅L壓為0.80 kN/m2，地面粗糙度為A類。所有桿件均采用Q235B鋼材。

2.2 結構選型

塔架腹桿均為單斜桿布置，燈塔平面橫隔均為四邊形布置。腹桿按梁構件設計，釋放兩端彎矩約束，按鉸接處理；弦桿連接按剛接處理；上部結構與基礎連接按鉸接處理。

結構設計選型主要考慮2個因素：塔架頂部的寬度和桿件截面。各方案對應參數見表1。

表1 各方案參數

在塔底寬度相同的前提下，不同的塔頂尺寸對結構的經濟性和適用性有顯著的影響。根據人員上塔通行便利要求，選取TJ01和TJ03兩種不同尺寸方案；不同的塔架構件截面對荷載受力情況和經濟性也產生較大影響，因此增加TJ02方案。各塔架桿件截面尺寸見表2。

表2 主要桿件截面尺寸

本塔架作為全裝配式鋼結構，需將高度為29.025 m的塔架分為多個塔段，其中塔段編號分別為GJ-1～GJ-5，塔架分段高度見圖1。

圖1 塔架分段高度(高程：m；尺寸：mm)

2.3 荷載及其組合

2.3.1風荷載

在鋼結構塔架結構不同選型方案的計算中，風荷載的影響最大，風荷載引起的應力占總應力80%以上[6]。

根據GB 50135—2019《高聳結構設計標準》[7]有：

Wk=βzμsμzw0×1.05

(1)

式中：Wk為垂直于建筑物單位面積上的風荷載標準值；w0為基本風壓0.8 kPa；βz為高度z處的風振系數；μs為體型系數，角鋼塔架取1.3，圓鋼塔架為0.78，兩者均取0.4的折減系數；μz為風壓高度變化系數，按規范表4.2.6取值。

高度z處的風振系數：

βz=1+ξε1ε2

(2)

式中：ξ為脈動增大系數；ε1為風壓脈動和風壓高度變化的影響系數，兩者均不隨塔段變化而變化，分別為2.60和0.48；ε2為振型、結構外形的影響系數。在實際工程中，塔架分為多個塔段進行組裝，因此根據受荷面積S，風荷載按公式F=βzμsμzw0S換算為集中荷載，并分別施加至每段頂部2個節點上，計算結果見表3。

表3 風荷載計算結果

2.3.2活荷載

根據GB 5009—2012《建筑結構荷載規范》[8]，取活荷載為3.0 kPa。

2.3.3其他荷載及荷載組合

地震和結構自重荷載程序自動考慮。根據GB 50068—2018《建筑結構可靠性設計統一標準》[9]，結構分析和設計中采用2種極限狀態荷載組合計算，即承載能力極限狀態和正常使用極限狀態。

2.4 主要分析和設計結果

2.4.1應力與塔頂位移分析

結構位移在風荷載WX和WY作用下對稱，因此給出WX作用下位移即可。塔架應力取荷載組合包絡條件下的應力分布。根據軟件計算，3種方案塔架應力和塔頂在WX風荷載作用下的最大水平位移見圖2。

如圖2所示，3種模型的桿件最大應力較為接近，均在160～175 MPa范圍內，小于215 MPa，滿足桿件強度要求。對于塔頂水平位移，2個角鋼模型TJ01和TJ03分別為202、208 mm，即位移角分別為1/138和1/134，相當接近；而鋼管模型TJ02為173 mm，位移角為1/161。3個模型均滿足《高聳結構設計標準》規定的1/75的位移角限值。

圖2 3種方案位移與應力云圖

2.4.2用鋼量分析

3種方案的立面幾何尺寸變化和塔架材料不同導致其用鋼量存在差異。方案TJ01和TJ03均為角鋼塔架，用鋼量分別為3 382、3 045 kg，后者比前者節省約10.0%，說明塔架為上窄下寬的TJ03方案較為合理。TJ02鋼管塔架的用鋼量為4 159 kg，比TJ01高23.0%，說明角鋼截面的經濟性明顯好于鋼管截面。

塔架不同方案的最大應力、最大塔頂水平位移角和用鋼量的指標見表4。

表4 不同方案指標

根據表4可知，在滿足桿件應力和塔頂水平位移角的前提下，當其它設計條件相同時，TJ03方案用鋼量最小，經濟效益最好，滿足功能使用和經濟性要求。本項目最終選擇上窄下寬的角鋼塔架TJ03方案燈塔架。

3 塔架主要構件和節點

3.1 預制混凝土基礎

為簡化現場的柱腳定位和安裝，本工程采用帶短柱的預制混凝土獨立基礎，免去現場支模與澆筑的濕作業量。

首先，為了適應軟弱地基，在基礎下方先鋪設碎石墊層，減小基底面積的同時可提高結構設計的適用性。其次，根據工程柱腳實際的彎矩與軸力，確定基礎平面尺寸和基礎高度，基礎底部配置雙向鋼筋。再次，確定基礎短柱高度，按計算配置短柱豎向縱筋、拉筋和箍筋，同時，在基礎短柱頂部的2個三分點處預埋吊環，便于現場起吊和放置。最后，在擴展基礎上部配置雙向抗裂鋼筋，防止起吊時擴展基礎坡面混凝土受拉開裂?；A剖面見圖3。

圖3 預制混凝土基礎剖面(單位：mm)

考慮到塔架的整體質量以及柱腳彎矩較大，為保證柱腳的抗壓、抗拉及抗彎性能，必須提高角鋼格構柱在柱腳部位的整體受力和協同工作的能力。因此，角鋼柱腳在錨入短柱的范圍內采用基礎構架加強其錨固作用。

3.2 柱腳節點及塔段間連接節點

為了便于工廠對塔架的預制與運輸，需要將塔架分為多個塔段，中間塔段長度為6～7 m，兩端塔段為3～4 m，在現場進行組裝，加快現場施工速度。

預制混凝土基礎內預先埋入角鋼構架，分布在角部的4個角鋼伸出基礎短柱頂面。為了連接基礎預埋角鋼和柱腳角鋼，在每側翼緣分別預留2個螺栓孔；對于每側翼緣，使用預留4個螺栓孔的連接板件，其中2個孔與柱腳連接，另外2個孔與基礎預埋件連接，并將連接板件與上下角鋼分別焊接。塔段間的節點連接，均采用連接板件與上下塔段進行栓焊連接的方式。連接節點見圖4。

圖4 連接節點

3.3 施工安裝過程

各塔段的弦桿、腹桿和其他組件在工廠中已完成螺栓和焊接連接，且混凝土基礎可以在工廠預制。因此只需在現場進行基坑開挖，構件吊裝和安裝等工作。具體安裝過程見圖5。

圖5 塔架施工安裝過程

施工準備完成后，基坑工程、基礎預制構件以及上部鋼結構的制作同步進行?；娱_挖完成后，進行基礎吊裝和基坑回填，同時運輸制作好的上部鋼結構構件，最后進行現場塔架安裝。

首先，將上部鋼結構的塔底段(GJ-1)與基礎預埋件連接，放置好預制混凝土基礎；然后，將最下段的塔架平放在地上，將柱腳節點其中一側的螺栓連接好后，用吊車把塔架繞著已連接的螺栓旋轉90°；最后，連接柱腳另一側的螺栓，螺栓全部連接完成后焊接。

柱腳節點連接完成后，使用纜風繩穩定各塔段頂部，將上部鋼結構各塔段依次進行吊起、對接和安裝。在螺栓連接完成后，進行現場焊接并去角打磨，并對各安裝節點現場補漆，最終完成施工。

4 結論

1)塔架采用角鋼截面(TJ01)比采用鋼管截面(TJ02)節省用鋼量約18.7%，說明在其它條件都一致的情況下，采用角鋼截面更經濟。

2)塔架底部尺寸相同的情況下，塔頂尺寸為塔底尺寸一半的結構(TJ03)，相比塔頂塔底尺寸相同的結構(TJ01)，節省用鋼量約10.0%，說明在其它條件一致的情況下，相比于上下同寬立面布置，采用上窄下寬立面布置更經濟。

3)預制混凝土基礎和上部塔架分段制作方法有利于工廠作業，減少現場工作量。

4)本工程采用全裝配式鋼結構形式，提出主要裝配式節點做法和施工安裝方法，施工工期縮短；且便于塔架拆除，處理成本降低，促進建筑材料回收再利用，符合新時代建筑綠色環保的理念。