某大型碼頭模塊的合攏方法及力學計算

陳鑫祎，顧 樞，蔡晨晨

（南通中遠重工有限公司技術部，江蘇 南通226000）

1 工程概況

導管架碼頭模塊用于建造碼頭，這種新型的導管架形式的碼頭基礎，取代了傳統樁基礎施工形式，降低了海上施工的風險，可節約70%的現場施工成本，大幅縮短工期，同時減少對地表海床的破壞，保護海洋生態環境。

本碼頭模塊（設計圖見圖1）由兩側片體和中間K型支撐，上部片體，中間走道及中間的防撞平臺，設計有快速系纜裝置，小船靠泊裝置，大船靠泊裝置，照明系統，救生裝置，淡水系統等組成。兩側片體尺寸長29 m，寬度3 m，高度19.2 m；K型支撐尺寸長13.3 m，寬度3.385 m，高度10.26 m.

圖1 導管架碼頭模塊設計圖

該工程結構為全鋼導管架結構，施工方法受限于現場條件和吊裝能力[1-3]。根據合攏制作工藝，兩側片體及中間K型支撐先行搭載，搭載后單側片體起吊重量達到90 t，超出現場吊機單鉤的最大承載吊力75 t.解決此問題的常規做法是用現場吊機與汽車吊進行配合作業，但若采用吊機與汽車吊配合使用對場地大小及操作空間也有較高的要求，且支撐和片體搭載后吊裝由于摩擦力的不均勻導致上、下部不能實現同步移動，增加吊裝風險。此外，碼頭模塊兩個片體直接吊裝到理論狀態，安裝支撐容易與片體發生碰撞導致結構變形，導致油漆破壞，修補困難。

基于現場條件，本文主要討論了一種頂推滑移式的合攏方法來解決此問題。

2 施工方案

經計算分析及現場討論，采用龍門吊機+千斤頂相配合的合攏安裝方法。

施工準備：龍門吊（單鉤最大吊力75 t）、千斤頂、手拉葫蘆、纜風繩若干、托架若干、防倒卡板、基座。

安裝順序：安裝固定片體Ⅰ→安裝片體Ⅱ→安裝下部K型支撐→安裝上部K型支撐→利用千斤頂將片體Ⅱ合攏。

2.1 固定第一塊側面片體Ⅰ

如圖2，將側面片體Ⅰ吊裝到基座10上，用纜風繩3將側面片體Ⅰ固定，用地錨6將纜風繩3固定在地面上，用纜風繩3上的手拉葫蘆7將纜風繩3收緊，使側面片體Ⅰ固定在基座10上。側面片體Ⅰ上設有防倒卡板5和托架4.

圖2 碼頭模塊側面片體Ⅰ固定

2.2 設置第二塊側面片體Ⅱ

如圖3，將側面片體Ⅱ吊裝到基座10上，側面片體Ⅱ位置在理論線外300～500 mm處。用纜風繩3將側面片體Ⅱ固定，用地錨6將纜風繩3固定在地面上，用纜風繩3上的手拉葫蘆7將纜風繩3收緊，使側面片體Ⅱ固定于基座10上。側面片體Ⅱ上設有防倒卡板5和托架4.

圖3 碼頭模塊側面片體Ⅱ設置

2.3 安裝下部支撐結構

如圖4，將下部支撐結構K型結構8吊裝到兩個側面片體的托架4上，同時側面片體Ⅱ上的防倒卡板5將K型結構8支撐住，以防掉落。

圖4 碼頭模塊下部支撐安裝

2.4 安裝上部支撐結構

如圖5，將上部支撐結構9通過防倒卡板5和托架4安裝到側面片體Ⅰ上，同時兩個側面片體上的防倒卡板5將上部支撐結構9支撐住，以防掉落。

圖5 碼頭模塊上部支撐安裝

2.5 合攏位移

如圖6，用設在基座10上的千斤頂15與龍門吊小車11配合，千斤頂15和支撐座13之間設有調節墊塊14，增大千斤頂15橫向位移范圍，靈活適應多種尺寸位移。由于側面片體Ⅰ重量達90 t，起重機吊力為75 t，中間K型結構重量72.5 t，所以中間K型結構安裝到位后，普通安裝方法無法實現結構的吊裝。

因此決定用側向頂推的方法進行合攏，基座10與側面片體的滑移面摩擦系數為0.5[4]，考慮兩側支腿不均勻受力系數為1.5，單個側面片體的支腿承載重量為63.125 t，由此得出實際單側需要頂推力約63.125/2×0.5×1.5≈ 23.67 t，所以選用50 t液壓千斤頂。

圖6 碼頭模塊合攏

3 吊裝穩定性力學分析

為確保吊裝過程的安全，對吊裝過程中的風纜繩及構件進行穩定性力學分析。

3.1 風纜繩穩定性分析

迎風面積A=135.7 m2，查詢施工地區歷年風速，按3 s時距平均瞬時風速v=35.8 m/s（10級風）計算，風壓力 P1=800 N/m2，C=1.4，Kh=1.13，Fwind=A×P1×Kh=1.13×1.4×800×135.7=171.7 kN，風力作用點高度h1=13.6 m，單片體重量G1=90 t，片體下口寬度B=3 m，片體內側（風向由片體內側向外吹）鋼絲繩最大允許承載力F內＝5 t，片體外側（風向由片體外側向內吹）鋼絲繩最大允許承載力F外＝7 t，風纜繩數量Q＝2，片體內側鋼絲繩與地面夾角β內＝31°，β外＝23°，片體內側鋼絲繩與地面夾角，鋼絲繩固定點高度h2=20.475 m.

3.1.1 片體內側風纜繩穩定性分析

自重穩定力矩：

鋼絲繩產生穩定力矩：

傾覆力矩：

經計算M內穩＞M側1，故內側穩定力矩大于傾覆力矩，構件無傾覆危險。

3.1.2 片體外側風纜繩穩定性分析

自重穩定力矩：

鋼絲繩產生穩定力矩：

傾覆力矩：

經計算M外穩＞M側2，故外側穩定力矩大于傾覆力矩，構件無傾覆危險。

3.2 構件頂推時的穩定性分析

迎風面積 A=135.7 m2，按3 s時距平均瞬時風速 v=20 m/s（6級風），風壓為 P2=250 N/m2進行計算，C=1.4，Kh=1.13（GB/T 3811-2008），單片片體重量G1=90 t，中間支撐總重G2=72.5 t，片體下口寬度B=3 m，頂推時加速度α=0.008 m/s，慣性力作用點高度h3=12.1 m.

3.2.1 自重產生的穩定力矩計算

3.2.2 傾覆力矩計算

慣性力產生的傾覆力矩M慣：

風力產生的傾覆力矩M傾3：

經計算，M總傾=M慣+M傾3=12.22+649.4=662 kN·m，故穩定力矩大于傾覆力矩，所以選擇在風速20 m/s（6級風）進行頂推平移是安全的。

龍門吊小車11拉動側面片體Ⅱ時千斤頂15同時通過頂推座12推動側面片體Ⅱ向理論線位移，用經緯儀及時跟蹤位移情況，保持龍門吊小車11與千斤頂15同時動作，輕松完成合攏。

4 安全措施

合攏過程中除遵循常規鋼結構安裝安全規范外，需增加如下措施進行：①K型支撐的導向板安裝前需將導向面打磨光順；②保證最下口滑移面的平整；③需移橫向移動的片體上口用門機帶載保護；④用測量儀器實時跟蹤保證片體上、下口同步移動。

5 結束語

本文探討了一種大型碼頭模塊的合攏方法。該合攏方法經過分析計算，施工實踐，證明是可靠可行的，且施工的綜合費用相對較低。該方法為大型構件的合攏安裝提供了新的指導思路，具有良好的社會和經濟效益，適合推廣。