三角型塔架結構在導標工程中的應用

秦艷丹

（中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海200120）

0 引言

導標是引導船舶通過狹窄水道，避開危險區域或進入港口船閘時的一種視覺航標，是港口航道導助航工程的主要建筑物之一。多由前后兩組或三組立標組成，一般前低后高，它們連線的延長線表示著航道的軸線。

隨著國民經濟和對外貿易的高速增長，中國海上運輸得到了持續快速發展。隨著船舶的大型化，航道不斷拓寬和延伸，導標結構也日益大型化，這些發展變化對導標的結構設計帶來了新的挑戰。本文結合連云港導標實例，選擇合適的結構形式，并對其結構進行分析，提供合理的計算方法。

1 導標的構造及結構選型

1.1 導標的構造

導標由上部標牌、支撐標牌的主體結構和基礎三部分組成。上部標牌形狀通常有方形、菱形、矩形、三角形、圓形、梯形等。標牌是白天的助航標志，尺寸越大，在沿導標軸線觀察時，越具有明顯的形狀特征，可觀察的距離也就越遠。標牌多由有間隙的板條或鏤空的牌面構成。

1.2 導標的主體結構

常見的導標結構有混凝土結構、鋼桁架結構及鋼塔筒結構，鋼桁架結構又可分為鋼管桁架和角鋼桁架[1]。三種形式優缺點如下：

（1）混凝土結構導標：優點是結構外封閉，有利于導標的檢修和維護，結構形式應用成熟，抗腐蝕能力強。缺點是受設標地區視界內的背景情況所限，為突出導標作用，外形多為混凝土煙囪，不美觀。

（2）鋼結構桁架導標：優點是空間桁架結構，鋼管和角鋼可現場進行焊接，施工方便，結構形式與電力行業的變電塔類似，應用廣泛，技術較成熟，造價便宜。缺點是開敞結構，檢修和后期維護不方便，維修工人操作存在安全隱患，設備存在被盜風險。圖1所示為建設完成的鋼結構桁架導標。

（3）鋼結構塔筒導標：優點是結構外封閉，檢修和維護方便，結構形式類似于風電行業風機塔筒結構，技術較成熟，外形美觀，可工廠化生產，現場拼裝，施工質量能得到有效保障。缺點是受風荷載影響比鋼桁架大，塔身易受變形控制，對場地要求高，造價介于混凝土與鋼結構桁架之間。

圖1 鋼結構桁架導標

2 鋼桁架導標實例

連云港布置三座導標，其中前中標間距2060m，中后標間距610m。樁身高度分別約為40m、48m、54m。本文以已經施工完成的40m鋼結構三角型塔架導標為例，進行荷載計算和內力分析。

項目所在地為A類地貌，三角型塔架塔高40m，在高程40m、31m處設置兩個內平臺用來放置設備。在導標的頂部布置一塊標牌，尺寸為6m×8m。標牌中心處預留直徑1m的孔用來安裝LED燈器。三管塔底部邊長4m，頂部邊長1.5m。

2.1 結構分析

三角型塔架在風荷載、地震的作用下，產生塔架變形與塔柱內力。該塔架材料為Q345鋼管及槽鋼，共有6段。采用SAP2000建立結構有限元模型，所有節點均考慮為鉸接點。利用SAP2000軟件進行風荷載和雪荷載的施加時，可采取兩種加載方式：（1）將荷載等效成均布荷載或者集中荷載施加到節點上；（2）在模型上建立虛面，將荷載作用在虛面上。本塔架采用方式（1）來進行計算。圖2、圖3所示為導標示意圖及計算模型，表1為塔架主體部分材料參數表。

圖2 三角型塔架示意圖

圖3 導標塔架計算模型

表1 材料參數

2.2 荷載工況

（1）恒載：三角型塔架恒載為自重。本塔架重約18.8t。

（2）活載：結構的活載包括風荷載與雪荷載。風荷載主要考慮三種風向，經計算當風荷載以c風向作用在三角型塔架上時，塔架位移、塔柱內力以及支座反力最大，選取最不利情況即風向0°來進行計算。圖4所示為風荷載作用下的三種風向。

圖4 風荷載作用下的三種風向

根據GB50135—2006《高聳結構設計規范》[2]，風壓計算公式為：

式中，ω0為基本風壓，根據項目地資料取0.45kN/m2；μz為風壓高度變化系數，根據規范按高度變化差值選取，依據規范取μz=1.8×0.6=1.08；μs為體形系數，塔架擋風系數計算為0.45，標牌的體型系數取值為1.3；βz為風振系數。

式中，ζ為脈動增大系數，根據差值選取，W0T2=0.15，取ζ=1.912；ε1為風壓脈動和風壓高度變化等的影響因素，取0.45；ε2為振型、結構外形的影響因素。

表2所示為塔架各高度節點的風荷載統計。

表2 塔架各高度節點風荷載統計（不含標牌）

根據GB50009—2012《建筑結構荷載規范》[3]，并結合項目地址，基本雪壓為0.35kN/m2。根據橫桿翼緣寬度，計算各桿件的雪壓荷載。

（3）地震工況：結構處于8度區，加速度0.2g，地震設計分組第2組，場地二類。在SAP2000中采用振型分解反應譜法計算地震作用，考慮X、Y兩個方向的水平地震作用。

2.3 荷載組合

三角型塔架為高聳結構，主要荷載為風荷載和地震作用對其的水平側向荷載，因此荷載組合主要考慮兩種情況：基本組合和地震效應組合。

（1）根據GB50009—2012《建筑結構荷載規范》[3]，結構效應的基本組合為：

其中，恒載分項系數取1.2，活荷載（風荷載與雪荷載）分項系數取1.4，雪荷載組合系數取0.7。

（2）地震效應基本組合根據GB50011—2010《建筑抗震設計規范》[4]中相關規定：

其中，重力效應荷載取自重標準與0.5倍雪荷載之和，分項系數取1.2；風荷載組合系數取0.2，分項系數取1.4；地震作用分項系數取1.3。

2.4 內力計算及分析

通過計算比較，得出三角型塔架在兩種荷載組合情況下最不利組合：

（1）基本荷載組合下：結構最大應力為208.27N/mm2，小于鋼材抗拉（壓）強度設計值295N/mm2。最大位移為203.18mm，位移值小于規范中規定的水平位移限制要求（線性位移533mm，非線性位移800mm）。支座反力最大為2075.6kN，對結構底部最大彎矩為6066.3kN·m。圖5所示為基本組合下的位移圖。

（2）地震效應組合下：結構最大應力為196N/mm2，小于鋼材抗拉（壓）強度設計值295N/mm2。最大位移為172.14mm，位移值小于規范中規定的水平位移限制要求（線性位移533mm，非線性位移800mm）。支座反力最大為1700.82kN，對結構底部最大彎矩為4874.8kN·m。圖6所示為地震效應組合下的位移圖。

圖5 基本組合下位移圖

圖6 地震效應組合下位移圖

通過以上結論可以得出：

（1）所有桿件計算應力都在允許應力范圍內；

（2）在最不利工況下，位移最大值在允許范圍內；

（3）在該三角型塔架結構里，最不利組合為基本組合，即風荷載比地震力更能起主導作用。

三角型塔架上標牌對塔架作用力為267.7kN，對結構底部彎矩為4848.6kN·m，對比基本組合下的受力分析，可以發現在風荷載起主導作用情況下，標牌受風荷載產生的水平力、對塔架底部的彎矩對整個結構影響非常明顯。

2.5 基礎設計

三角型塔架結構基礎受力以抗拔、抗傾覆控制為主，應根據不同的地質情況，因地制宜，合理地進行設計。

2.6 防腐設計

導標工程多處于沿海港口或偏僻山區，因此導標結構應具有良好的抗腐蝕性，防腐設計應嚴格遵循相關規范。目前導標鋼材多采用噴鋅或者噴鋁等方式來進行防腐處理。

3 結論與建議

（1）設計導標標牌時，應在保障導航安全的基礎上，盡可能減少標牌的受風面積或者加大標牌平面內的鏤空面積，從而減少風荷載的作用，使導標結構設計更經濟。

（2）導標標牌一般位于塔架的頂部，且面積較大，按照規范取的體型系數值與實際情況存在一定差距，可能會造成結構設計不安全。建議針對鋼結構桁架等復雜結構進行必要的風洞數值分析。

［參考文獻］

[1]藺雪峰，張小安，陶鵬.鋼塔筒結構形式在港口導標工程中的應用[J].水運工程，2012（9）：110-113.

[2]高聳結構設計規范：GB50135—2006[S].

[3]建筑結構荷載規范：GB50009—2012[S].

[4]建筑抗震設計規范：GB50011—2010[S].