特高壓換流站桅桿吊大件碼頭設計與研究

唐劍瀟

(東北電力設計院有限公司，吉林 長春 130021)

1 工程概況

專用碼頭位于湘江南岸，距上游涓水河口1.43 km，距下游漣水河口0.72 km，利用江邊某雜貨港區的閑置場地建設。碼頭設計高水位為40.2 m，設計低水位為29.0 m，枯水期和豐水期的水位高差較大。

工程區域的地質情況從上至下依次為：素填土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土(硬可塑)、粉質黏土(軟可塑)、中砂、粗砂、礫砂、圓礫、強風化泥質粉砂巖，以及中風化泥質粉砂巖。樁基礎可以中風化泥質粉砂巖作為樁端持力層。

需要從專用碼頭轉運的大件設備為28臺換流變壓器，其中，高端換流變壓器的運輸尺寸為13 089 mm×3950 mm×492 mm(長×寬×高)，運輸重量為360 t；低端換流變壓器的運輸尺寸為10 000 mm×3700 mm×4850 mm(長×寬×高)，運輸重量為259 t。一程水運采用1000 t級駁船，碼頭的起重設備采用500 t級雙人字桅桿吊[1]，運輸車輛采用橫拼2縱列14軸線液壓全懸掛平板車及配套牽引車。

2 桅桿吊大件碼頭的平面布置

換流變壓器的運輸批次根據工程建設和設備生產的進度確定，一般一個批次到貨1～2臺，采用單船單件的載貨模式，大件碼頭則按照單泊位規模設計。

2.1 布置方式

由于桅桿吊大件碼頭在既有港區內建設，可利用的空間有限，其平面布置應秉持因地制宜、緊湊實用的設計原則，可采取平行式布置和垂直式布置兩種方案。

“平行式”指桅桿吊人字兩腳的連線與運輸平板車的縱向軸線兩相平行，運輸平板車置于江側、桅桿吊置于岸側，設備從艙底起吊后，桅桿變幅至平板車位下落裝車(圖1)。平行式布置廣泛應用于中大型碼頭的設計中[2]，根據泊位數量和吞吐能力，平板車位置可設置單車位或多車道，并在碼頭前沿形成交通環線，提高運輸效率。

圖1 平行式布置方案

“垂直式”指桅桿吊人字兩腳的連線與運輸平板車的縱向軸線兩相垂直，運輸平板車置于桅桿吊人字兩腳之間，設備從艙底起吊、在空中旋轉90°后，桅桿變幅至平板車位下落裝車(圖2)。垂直式布置并不多見，車輛裝載后需利用桅桿吊基礎與卷揚機地錨之間的場地通行，出港路徑較短。

圖2 垂直式布置方案

2.2 方案對比

平行式布置方案中，為滿足平板車的出港，碼頭平臺的江側前沿需拓寬并直接與引接道路相連，增大了碼頭平臺的平面尺寸和碼頭前沿向江側延展的距離，也需要更多的建設用地，提高了工程投資。垂直式布置方案中，碼頭平臺的平面尺寸只需要考慮桅桿吊基礎和平板車的布置，平板車的出港方向為碼頭平臺的岸側，可采用最簡捷的路徑與引接道路相連；由于不受平板車位的限制，桅桿吊基礎的布置比較靈活，從而可以縮短碼頭平臺伸入江側的距離。

由以上比較可知，垂直式布置方案可實現占地面積和碼頭平臺尺寸的最小化，可大幅降低工程投資，滿足利用狹小空間建設專用碼頭的外部條件，是電力大件設備轉運吊裝的適應性方案。

3 桅桿吊大件碼頭的結構設計

桅桿吊大件碼頭的結構布置應充分考慮桅桿吊和碼頭平臺的受力原理和傳力路徑，通過綜合性的分析和研究確定設計方案。

桅桿吊的荷載傳遞路徑為貨物重量通過吊鉤傳遞給鋼絲繩，鋼絲繩拉力通過主桅桿和附桅桿頂部的起伏滑輪組傳遞給卷揚機，卷揚機是桅桿吊的動力輸出裝置，卷揚機固定在地錨頂部；主、附桅桿在各種變幅工況下均起到起伏滑輪組的支撐作用，主、附桅桿在地面上采用鉸接支座，桿體軸力通過支座傳遞給桅桿吊基礎。

碼頭平臺所承受的荷載主要包括：結構自重、車輛荷載、卸貨設備自重、船舶撞擊力、系纜荷載、水流力、風荷載，以及施工荷載等。由于碼頭前沿伸入江側較短，結構受水流影響較小，主導可變作用以豎向荷載為主。

大件碼頭采用垂直式平面布置方案，碼頭整體采用高樁碼頭結構型式，平臺采用無梁厚板式承臺，碼頭前沿靠船支撐結構采用鋼筋混凝土框架，樁基采用直徑1.2 m的鋼筋混凝土灌注樁、直樁型式。卷揚機地錨采用墩臺式基礎，其下采用鋼筋混凝土灌注樁支撐。

由于平面布置緊湊，桅桿吊基礎與碼頭平臺的間距較小，考慮將二者合并形成兼具桅桿吊基礎功能的碼頭平臺，則桅桿吊起重荷載成為碼頭平臺的控制荷載。以吊重400 t為例，分析桅桿吊在起吊幅度和卸貨幅度兩種工況下的受力情況。設計吊重計算如式(1)：

T=k×(G+q)

(1)

式中：T為設計吊重，t；k為動負荷系數，取1.1；G為起吊重量，取400 t；q為吊鉤、鋼絲繩及桅桿自重，取50 t。經計算T為495 t。

如圖3和圖4所示，卷揚機地錨和桅桿支座是桅桿吊在碼頭平臺上的著力點，桅桿吊通過鋼絲繩和桅桿將起吊設備的重量傳遞至此著力點上。起吊幅度和卸貨幅度兩種工況相比較，起吊幅度為最不利工況，卷揚機地錨承受較大的上拔力和水平力，桅桿支座承受較大的下壓力和水平力?？紤]此種荷載特點，根據結構部件不同的受力模式，提出兩種碼頭結構設計方案。

圖3 起吊幅度的桅桿吊受力簡圖

圖4 卸貨幅度的桅桿吊受力簡圖

3.1 獨立式結構方案

獨立式方案中，碼頭平臺和地錨墩臺均獨立設置，互相脫開，對于所受的荷載亦獨立承擔。該方案是桅桿吊碼頭設計中的常規方案。

如圖5所示，由于地錨墩臺需要獨立承擔起吊幅度工況下巨大的水平力，且受場地限制無法采用斜樁或者叉樁[3]，只能通過增加樁基數量的方式提高地錨墩臺的水平荷載承載能力，同時也需增大地錨墩臺的平面尺寸。碼頭平臺由于受到卸貨重量和桅桿吊荷載的同時作用，豎向力和水平力均較大，樁基數量由豎向荷載控制。

圖5 獨立式結構方案側視圖

3.2 連系式結構方案

3.2.1 總體設計

起吊幅度工況的桅桿吊荷載作用下，如圖3所示，地錨墩臺受到4060 kN(406 t)的江側水平力，碼頭平臺受到4900 kN(490 t)的岸側水平力，二者所受的水平力是異向相對的。

利用上述受力特點，如圖6所示，創新性的通過增設兩根鋼筋混凝土連系梁將地錨墩臺和碼頭平臺連接在一起，連系梁作為支撐桿，使地錨墩臺和碼頭平臺所受的異向水平力大部分互相抵消，碼頭平臺依然按照豎向荷載設計，平臺尺寸和樁基個數與獨立式方案相同；地錨墩臺的樁基數量改為由豎向荷載控制，相比獨立式方案樁基個數可大幅減少，地錨墩臺的平面尺寸也隨之減小。另外，由于“地錨墩臺+連系梁+碼頭平臺”形成整體結構，碼頭平臺的系纜力和船舶撞擊力也可由三者共同承擔。

圖6 連系式結構方案側視圖

3.2.2 構造要點

在起吊幅度工況下，除自重以外，連系梁受到較大的軸心壓力，為提高連系梁的受壓承載力，如圖7(b)所示，連系梁端部與碼頭平臺采用鋼結構銷軸連接，按照鉸接設計，不考慮地錨墩臺和碼頭平臺的不平衡彎矩影響。在系纜力工況下，連系梁受到系纜拉力的作用，起到傳遞荷載、協調受力的作用。為減小連系梁的計算長度，在連系梁中部設置鋼筋混凝土橫撐，在平面上與兩根連系梁共同形成“H”形布置，并在橫撐處的每根連系梁下設置一根樁基作為豎向支座，使橫撐處的連系梁受到水平和豎直兩個方向的可靠支撐。

圖7 節點構造詳圖

連系梁設計的難點在于桅桿吊卸貨后的滿載行車工況，連系梁區域亦是平板車的行車場地，這也是在碼頭平面布置方面垂直式方案對比平行式方案的一個明顯差異。如果連系梁需承受滿載車輛荷載，則連系梁應考慮軸心受壓和豎向受彎兩個不利工況的包絡設計，為保證連系梁采用合理的斷面尺寸，需要在連系梁下設置多根樁基，以縮小梁的計算跨度。這種設計方案同樣會增大樁基工程量，在投資方面得不償失。

如圖7(a)所示，為使連系梁免受車輛荷載的影響，考慮采用外包圍式單孔箱涵對連系梁進行防壓保護，車輛荷載作用在單孔箱涵的蓋板上，箱涵側壁將豎向荷載直接傳遞至路基層；箱涵底板頂面和連系梁底面采用油氈底膜隔離，確保當箱涵受力沉降時不會對連系梁產生向下的拖拽作用。單孔箱涵采用鋼筋混凝土結構、嵌入式承重活動蓋板，施工過程中，先進行箱涵底板和側壁的施工，完成后再進行連系梁的綁筋、支模和澆筑工作，活動蓋板可采用預制式，連系梁施工完成后安裝蓋板，場地即可具備行車條件。

3.3 方案比選

對獨立式結構方案和連系式結構方案分別進行相關工程量和工程投資的計算，結果如表1所示。結合以上計算結果，對兩種結構方案進行對比分析，可知連系式結構方案在以下幾個方面均具有較大優勢。

表1 方案計算對比

(1)由表1可知，獨立式結構方案的地錨墩臺和樁基礎工程量較高，連系式結構方案的單孔箱涵工程量較高，綜合比較相關工程量的工程投資，連系式結構方案要比獨立式結構方案節約29%。由此可見，連系式結構方案的工程經濟性要顯著優于獨立式結構方案。

(2)連系式結構方案巧妙地將兩個單體結構的外力問題轉化為一個整體結構的內力問題，并使碼頭平臺和地錨墩臺的各構件協同受力，在降低工程量的同時，提高了桅桿吊大件碼頭結構安全性，為特高壓換流站大件運輸的順利實施創造了有利條件，是專用碼頭工程的首選方案。

(3)橫撐及樁基支座、梁端銷釘鉸接節點和單孔箱涵防壓保護等措施，是具有針對性的構造設計，可有效保障設計假定模型的實現，保障連系式碼頭結構的可靠運行。

4 結 論

針對特高壓換流站大件設備運輸的特殊要求，通過平行式和垂直式兩種方案研究桅桿吊大件專用碼頭的平面布置對比，垂直式布置方案在占地面積和碼頭工程量等方面優勢明顯；提出獨立式和連系式兩種碼頭結構方案，根據桅桿吊的受力分析和方案技術經濟比較，推薦采用連系式結構方案，該方案通過設置鋼筋混凝土連系梁將碼頭平臺和地錨墩臺縱向連接，充分發揮碼頭結構整體的協同承載能力，可大幅降低樁基數量和工程投資，提高桅桿吊大件碼頭結構的可靠性和安全性，保障特高壓工程大件運輸的順利實施。