大跨度桥型结构在重件码头设计中的应用研究

罗家安，黄亚栋，张鹏飞，张跃博

（湖北省交通规划设计院，湖北 武汉 430051）



大跨度桥型结构在重件码头设计中的应用研究

罗家安，黄亚栋，张鹏飞，张跃博

（湖北省交通规划设计院，湖北 武汉 430051）

摘要：本文以武汉某重件码头工程吊车梁结构作为研究对象，该码头吊车梁结构悬臂段长度为28 m，桥式起重机跨度为52 m，最大起重量达到500 t，针对这一悬臂长、跨度大和起重量大的特殊使用要求，在本次设计中借鉴引用了大跨度桥型结构对该伸臂梁结构进行研究，使用有限元软件ANSYS分析不同桥型结构在该项目中应用的优缺点，研究成果可为该类型的重件码头设计提供理论参考。

关键词：重件码头；伸臂梁；桥式起重机；吊车梁结构

引 言

面对我国基础设施建设跨越式发展的良好机遇，作为国内钢结构生产的某知名企业，由于无吊装船运码头，加上公路的运输限制，轻则百吨的钢结构制作单元只能还原成半成品部件运至现场拼装，工程质量的控制变得相对困难。该公司通过综合码头的建设即将解决这一难题。本文结合施工图方案优化设计，介绍几种大跨度桥型结构在本码头上的应用研究。

1 工程简介

该工程为装卸重件、件杂货的综合码头，额定起吊能力为500 t。吊车梁与后方道路相连，码头前沿线与长江水流方向基本一致。码头水工结构主要由吊车梁、人行钢引桥、主墩、系缆墩和基础工程等组成。桥式起重机通过吊车梁将货物从后方厂区吊运到码头前方的船舶中。吊车梁主要由2个45 m长的简支跨和1个111 m长的伸臂跨3部分组成，本文研究的重点就是该111 m长的伸臂跨。伸臂跨部分由江侧28 m长的悬臂段和跨度分别为43 m和40 m的两简支段组成。两榀吊车梁上250 t+250 t桥式起重机轨道间距52.0 m。码头总平面布置如图1所示。

国内现有的重件码头结构型式有：高桩梁板式、斜坡码头、简支梁墩式码头、简支伸臂梁墩式码头。由于该码头前沿贴近主航道，不适宜采用简支梁墩式码头结构。另外该码头的后方堆场就处在业主厂区内，考虑到装卸工艺的方便以及总投资的控制，本次设计采用简支伸臂梁墩式码头结构。

图1 码头总平面布置

2 简支伸臂梁设计方案简介

本次设计的难点分析：吊车梁采用简支伸臂梁，其中简支跨跨度为43 m，悬臂段长度为28 m。根据《高桩码头设计与施工规范》，简支跨跨中最大挠度不应超过跨度的1/750，伸臂端部最大挠度不应超过伸臂长度的1/375，同时在偏载情况下，两侧主梁挠度差应满足小于10 mm的要求。此外《高桩码头设计与施工规范》中还规定当桥式起重机在伸臂端部极限位置时，梁的另一端支座不产生拉力[1~2]。

通过计算，如果采用常规的钢箱梁结构，则需要的钢箱梁截面非常大，主梁高度需要高达11 m。因此在本次设计中借鉴引用了大跨度桥梁设计理论对该伸臂梁结构进行研究。重点研究了以下几种桥型结构：单塔斜拉式伸臂梁结构、双塔斜拉式伸臂梁结构、桁架式伸臂梁结构、刚架式伸臂梁结构[3]，其立面布置见图2～图5。

图2 单塔斜拉式伸臂梁结构

图3 双塔斜拉式伸臂梁结构

图4 桁架式伸臂梁结构、

图5 刚架式伸臂梁结构

4种桥型结构各自特点如下：

方案一：该方案塔身与主墩浇筑成一体，全部由混凝土浇筑而成，通过钢拉索来限制吊车梁的挠度变形并将力传递给塔身和基础上去。

方案二：该方案没有将塔身和主墩浇筑成一体，而是采用钢立柱的型式和主梁形成了一个整体，在主梁中间的两个主墩位置处布置钢立柱，立柱高度为21 m，利用斜拉杆使立柱和主梁形成三角桁架结构。

方案三：该方案主梁采用桁架结构型式，在每个支座处设置一个立柱，立柱之间由马鞍架结构相连接，在40 m和43 m跨之间的马鞍架结构设计为桁架结构，采用无缝钢管焊接而成。为了控制悬臂段主梁的挠度，故在悬臂段设置两根斜拉杆。

方案四：该方案综合了方案二和方案三的结构特点，在方案二的基础上，在两立柱之间增设一上弦杆，在43 m跨中间位置增设一竖直杆，以增加承轨梁结构的整体刚度。

3 四种桥型结构设计方案的对比

3.1 有限元计算模型

通过计算分析发现这4种桥型结构吊车梁的应力强度均不大，满足设计要求，因此本文就着重分析结构的挠度、支座反力以及用钢量3个指标。使用有限元软件ANSYS分别建立4种设计方案的吊车梁结构有限元模型，4种设计方案的有限元模型如图6～图9所示。

图6 方案一吊车梁有限元模型

图7 方案二吊车梁有限元模型

图8 方案三吊车梁有限元模型

图9 方案四吊车梁有限元模型

3.2 计算荷载

500 t桥式起重机：轨距52.0 m，轮数32个，其单侧轮压布置如图10所示，考虑到桥式起重机上两小车的偏心起吊，在允许作业工况下，两榀吊车梁分别承受大车运行机构最大动轮压为Pmax=376.5 kN，最小轮压为Pmin=259.7 kN。

图10 桥式起重机单侧轮压布置

3.3 挠度计算结果

在计算荷载下，4种桥型结构设计方案挠度计算结果如表1所示。

表1 挠度计算结果 /mm

从上述计算结果可以看出：方案二双塔斜拉式伸臂梁结构刚度最差，大车运行到悬臂段极限位置时主梁的挠度及挠度差均不能满足要求；其余三个方案挠度计算结果相差不大，大车运行到各个位置时，主梁的挠度均能满足要求，但是当大车运行到悬臂段极限位置时，方案四的挠度差小于10 mm，满足设计要求，方案一和方案三挠度差略超过设计规范要求，但是能够满足桥式起重机使用要求。

3.4 支座反力计算结果

在计算荷载下，4种桥型结构设计方案支座反力计算结果如表2所示。

表2 支座反力计算结果 /kN

从上述计算结果可以看出：方案一和方案三支座没有产生拉力，满足设计要求。方案二和方案四支座产生了拉力，拉力发生在当桥式起重机运行到43 m跨跨中位置处时，在40 m跨的端部产生了拉力，其中方案二的拉力非常大，达到了-5 368 kN，很难通过配重等方式解决，方案四通过计算，可以在40 m跨的端部增加93.4 t的配重块，就可以消除支座拉力。

3.5 结构用钢重量计算结果

4种桥型结构设计方案结构用钢总量如表3所示。

表3 用钢重量计算结果 /t

从上述计算结果可以看出：方案二结构重量最轻，方案三最重，方案一和方案四结构重量相近。

3.6 计算结果综合分析

方案一虽然在挠度、支座反力和重量三项指标上均满足要求，但是该方案采用的是钢拉索斜拉方式，主塔结构庞大，钢筋混凝土工程用量大，工程造价高，且施工较困难，后期维护困难，此外采用该方案两榀吊车梁之间没有横向连接系，横向稳定性差。

方案二在结构重量方面最轻，但因为同一主梁上两立柱彼此独立，对吊车梁整体刚度作用不强，主梁的挠度以及两榀吊车梁挠度差均超出规范很多，桥式起重机在运行过程中，支座也会产生较大的支座反力。

方案三在挠度、支座反力两项指标均满足设计规范要求，但在结构重量上是最重的。

方案四在设计上综合了方案二和方案三的优点，通过上弦杆使主梁上两立柱相互联系起来，使得结构在挠度和支座反力方面均能满足设计要求，同时结构重量也比方案三优化不少。

因此在设计中，将方案四作为推荐方案。

4 结 语

该码头吊车梁结构悬臂段长度达到28 m，两简支跨宽度分别为43 m和40 m，最大起吊质量达到

500 t，在设计时借鉴了大跨度桥梁设计理念，采用大型通用有限元分析软件ANSYS综合比较分析了单塔斜拉式伸臂梁结构、双塔斜拉式伸臂梁结构、桁架式伸臂梁结构和刚架式伸臂梁结构四种结构型式，通过计算分析，最终选用刚架式伸臂梁结构，采用该方案不但减轻吊车梁结构重量，同时降低了施工难度，整个吊车梁结构设计简洁、新颖。本文的分析研究可为今后类似工程的设计起到一定的借鉴作用。

参考文献：

[1] JTS167-1-2010高桩码头设计与施工规范 [S]．北京：人民交通出版社，2010.

[2] 王官逊, 胡宗武, 等．起重机设计手册[M] ．北京：机械工业出版社，2003.

[3] 裘伯勇, 盛兴旺, 乔建东, 等．桥梁工程[M]．北京：中国铁路出版社，2006.

Application of Long-span Bridges Structure in the Design of Heavy Cargo Wharf

Luo Jiaan, Huang Yadong, Zhang Pengfei, Zhang Yuebo
（Communications Planning & Design Institute of Hubei Province, Wuhan Hubei 430051, China）

Abstract:The subject of the article is the bearing-trail beam used in a heavy cargo wharf in Wuhan. The cantilever length of the bearing-trail beam is 28 meters, the span of the bridge crane is 52 meters, and the lifting capacity of the bridge crane is 500 tons. For the special requirements of the long cantilever, long span and large lifting capacity, the suspension beam structure is researched using the theory of the long-span bridge type structure. The advantages and disadvantages of different bridge structure applied in the project are analyzed by the finite element analysis software of ANSYS. The research results could provide a theoretical foundation for the design of the heavy cargo wharf.

Key words:heavy cargo wharf; suspension beam; bridge crane; crane beam

作者简介：罗家安（1965-），男，高级工程师，从事港口与航道工程勘察设计专业。

收稿日期：2015-03-04

DOI:10.16403/j.cnki.ggjs20160109

中图分类号：TV332+.12

文献标识码：A

文章编号：1004-9592（2016）01-0039-04