重件碼頭1100t桅桿吊基礎的設計與研究

郭頌

摘 要：本文以江蘇某公用重件碼頭為例，介紹額定吊裝能力1100t固定桅桿式起重機基礎的設計方法，通過對不同桅桿吊基礎型式的方案對比和研究，為以后超大重件碼頭的桅桿吊基礎設計提供了參考。

關鍵詞：重件碼頭;桅桿式起重機;桅桿吊基礎;高樁承臺

中圖分類號：U656.1 ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2021）07-0089-03

近些年，隨著海洋平臺、大型風力發電場、大跨度橋梁等工程建設的迅速發展，集裝箱橋吊、海上發電模塊、海底隧道沉管、橋梁基座沉箱等這些重大件貨物的裝卸和運輸在大型工程建設起到了越來越重要的作用。重大件轉運一般采用公路、鐵路、水運等方式，其中水路運輸是最經濟且對重量和尺寸限制最少的運輸方式。如何建設滿足重大件構件的裝卸需求的專業碼頭是重件碼頭設計的關鍵。

本文以江蘇灌河某公用重件碼頭桅桿吊基礎墩設計為例，介紹高樁墩式桅桿吊基礎的設計要點，并通過對其兩個設計方案的技術分析和比選，從而選出最優設計方案，為以后的高樁墩式桅桿吊基礎設計提供了參考。

1工程介紹

1.1自然條件

工程位于江蘇省響水縣灌河東岸，東瀕黃海，距灌河入海口約4km，東距連云港約55km。屬于濕潤季風氣候區，灌河高、低潮位和潮差變化不大，漲落潮平均最大流速約2.1m/s，工程所在地波浪作用影響不明顯。

工程區土層主要為第四系全新統沉積（Q4al）的淤泥質土、粘性土、粉土、粉砂。從地表向下依次為雜填土、淤泥質黏土、粉砂夾粉土、粉細砂。其中，粉細砂層地基承載力特征值約230kPa，可以作為樁基持力層。

1.2裝卸工藝

該碼頭工程預為周邊風電機組制造企業提供海上風機大型基礎管樁和大型鋼結構等重件出運及原材料鋼材進口的公共水路運輸服務，并考慮大型重件的滾裝出運需求。碼頭主要貨種為海上風機大型基礎管樁等重件、鋼材。主要貨物為：風機單樁（直徑約5-10m，長度60-100m，重量約600-1000噸）、塔筒（直徑約3-7m，單段長度20-40m，單段重量約20-200噸）、鋼材（最大單件重35噸）。

碼頭后方陸域設置總裝車間、噴涂車間及構件拼接作業區，把重件單節小件筒體進行組裝、拼接和噴涂等作業。碼頭主要功能為滿足海上風機大型基礎管樁等重件的出運要求，同時兼顧原材料鋼材進口。

考慮到本工程裝卸運輸的重件規格較多、尺寸大、重量大等特點，采用桅桿吊+模塊運輸車的運輸方案。桅桿吊起重機具有起重量大、運行簡單、安全可靠、投資較小、安裝運輸方便、操作便捷、對裝卸貨物適應性強等特點。水平運輸采用自行式模塊運輸車，該車具有機動靈活、運輸重量大、運輸地面承載力要求相對較低，可以根據運輸結構進行多種方式的組合拼接等特點。

1.3工程概述

工程建設1個2萬噸級重件泊位（水工結構按靠泊5萬噸級船舶設計），設計代表船型為2萬噸級甲板運輸駁，水工結構設計船型為5萬噸級散貨船。碼頭長度為206m，寬度為40m，共分為5個結構段。普通碼頭平臺結構段采用高樁排架結構，縱向排架間距為7.2m，每個排架下設置φ1200mm的PHC樁。其中6根直樁，兩對叉樁，叉樁斜度為6：1。碼頭上部結構由現澆橫梁、預制縱梁、疊合面板組成。碼頭中間結構段作為人字形桅桿吊設備基礎，并兼顧普通碼頭功能。

2桅桿吊基礎設計方案

2.1設計要點分析

2.1.1選擇合適的基礎結構型式

桅桿吊基礎的結構型式應根據總平面布置、岸坡和地質條件、重件裝卸運輸工藝等因素綜合確定。重力式桅桿吊基礎適用于地質條件較好、水位差較小、岸坡坡度較緩的地區，可采用實體式或者空心沉箱式結構形式。相反樁基式桅桿吊基礎適用于地質條件差、水位差大的地區。本工程表層土體以雜填土、淤泥質黏土為主，物理力學性質較差，且極端高低水位差達到了6.85m，故本工程桅桿吊基礎采用樁基承臺式基礎。

2.1.2選擇合理的基礎外形尺寸和樁基布置型式

桅桿吊基礎的平面尺寸需要滿足重件水平運輸車的行駛要求，也應滿足裝卸船所需要的桅桿吊變幅水平凈外伸距離。基礎的外形也受桅桿吊諸多機構和預埋件位置、大小的影響，例如主副鉤防風拉索、臂架前撐支座、后拉索支座、卷揚機、司機室埋件等。桅桿吊基礎應考慮水平運輸車輛的輪壓和桅桿吊鋼索臂架的拉壓荷載下結構的安全性、穩定性、耐久性。樁基布置可以根據局部受荷不同而靈活布置，桅桿吊基礎厚度也需要根據受力特性和重要埋件埋深要求采取局部加厚措施。如果桅桿吊基礎兼做碼頭平臺，還需要滿足設計船舶的停靠和系纜要求。

2.1.3確定桅桿承臺間以及和拉錨承臺的組合方式

受桅桿吊臂架底端作用點間距、樁基布置形式、抵抗水平力方式、使用要求等因素影響，桅桿吊各基礎承臺之間可以采用多重組合形式。當桅桿吊人字臂架底端間距較大時，可以考慮將桅桿吊基礎承臺做成兩個分體式墩臺，兩個墩臺之間可以用框架或整體墩臺結構進行連接，以增強基礎的整體抗水平力的能力。同樣，拉錨承臺和前承臺也可以做成分體式結構，結構需要滿足桅桿吊各種工況下的受力和變形要求。

2.2設計方案介紹

由于地質條件差、存在較大水位差，所以桅桿吊基礎將采用樁基承臺式基礎。桅桿吊基礎需要兼作碼頭平臺，基礎橫向寬度和碼頭平臺寬度相同，縱向寬度由工藝和結構計算綜合確定。考慮到本工程的實際需求，根據桅桿吊基礎承臺外形和組合形式的不同，提出了兩個設計方案。

2.2.1方案一（整體式基礎）

桅桿吊前臂承臺由于兼作碼頭平臺，故采用與碼頭平臺同寬的高樁墩臺結構，平面長寬為40×32m，墩臺前20m寬范圍設置5排樁，樁基排架間距為7.2m，每個排架設置5根φ1200mm樁基，其中1根直樁;4根叉樁，叉樁斜度均為6：1。墩臺后20m寬范圍設置6排樁，在前臂支座受力點附近樁基加密布置，樁基排架間距有6.0m、5.4m。每個排架設置5根φ1200mmPHC直樁。上部為厚2.5m和3.75m現澆鋼筋混凝土墩臺。桅桿吊后拉錨承臺長寬為30×23m，承臺下共設置5排樁，樁基排架間距為5m，每個排架設置6根φ1000mm灌注直樁。上部為厚3.5m和5.5m現澆鋼筋混凝土墩臺。

桅桿吊前臂承臺和后拉錨承臺之間采用整體式聯結墩臺進行連接。聯結墩臺沿碼頭前沿方向排架間距為10m，每個排架設置4根φ1000mm灌注直樁。上部承臺為2m厚的鋼筋混凝土實體墩臺，和前后承臺連接處設置限位裝置（見圖2）。

2.2.2方案二（分離式基礎）

桅桿吊前臂承臺和后拉錨承臺結構與方案一相同。桅桿吊前臂承臺和后拉錨承臺之間采用鋼撐體系進行連接。鋼撐體系由鋼橫撐、聯系撐、支撐底座等組成。鋼橫撐由3根φ1300×22的Q345鋼管組成，鋼橫撐用2根φ800×16的鋼管采用焊接連接成整體。鋼橫撐和前后承臺采用法蘭連接。垂直于鋼橫撐長度方向設計兩座支撐底座。支撐底座由基礎橫梁和3根φ1000mmPHC直樁組成。鋼橫撐和基礎橫梁采用鋼帶壓錨連接，下游側鋼橫撐上部設置1.5m寬的人行鋼棧橋（見圖3）。

2.3結構受力對比

對兩個方案分別建模并采用有限元方法進行計算，計算結果如下表2所示。方案一整體式聯結墩臺僅設置單向限位裝置，故前承臺和聯結體系僅能傳遞相互擠壓力，不傳遞拉力。當桅桿吊前臂承臺受船舶系攬力作用時，僅依靠前承臺結構提供抗力。方案二分離式鋼撐體系采用法蘭埋件與前后承臺鉸接連接，既可以在桅桿吊重載工況下承受較大壓力，又可以在系攬力工況下聯結前后承臺而承受拉應力。因此，方案二在受力分析上更能發揮鋼撐材料的抗拉壓強度較高的優勢，還減輕豎向荷載自重，可以減少樁基數量及降低樁基承載力要求。

2.4經濟性比選

根據沿海港口水工建筑工程相關定額及編制規定，材料價格選用工程所在地近期單價。方案一和方案二的工程費用計算結果見表3。

對比以上數據可以得出結論，僅比較前后承臺中間的聯結系統，方案二比方案一工程費用減少206.1萬元，費用下降幅度達57.7%。若對比整個桅桿吊基礎的總費用，則方案二比方案一費用下降幅度為7.3%。

3方案優缺點對比

綜合以上技術經濟分析結果并考慮施工等因素，方案一、方案二的優缺點對比總表見表4。

4結語

在地質條件差、存在較大水位差的區域建設重件碼頭時，桅桿吊基礎建議采用樁基承臺式基礎。為了節約成本，一般情況下桅桿吊基礎承臺會兼做碼頭平臺。故桅桿吊基礎設計時應考慮水平重件運輸車輛的輪壓荷載、桅桿吊鋼索臂架的拉壓荷載以及設計船舶荷載。樁基布置可以根據局部受荷不同而靈活布置，桅桿吊基礎厚度也需要根據受力特性和重要埋件埋深要求采取局部加厚措施。

桅桿吊基礎承臺可采用整體式或分離式結構，根據這兩類方案的受力特點和經濟性對比，推薦采用分離式的鋼橫撐體系，此方案通過鋼管體系將前后承臺水平連接，可以充分發揮鋼結構的抗壓力能力，僅需要較少樁基支撐其自重即可，從經濟性和施工等方面分析，分離式均有較大優勢。

參考文獻：

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