某大型码头模块的合拢方法及力学计算

陈鑫祎，顾 枢，蔡晨晨

（南通中远重工有限公司技术部，江苏 南通226000）

1 工程概况

导管架码头模块用于建造码头，这种新型的导管架形式的码头基础，取代了传统桩基础施工形式，降低了海上施工的风险，可节约70%的现场施工成本，大幅缩短工期，同时减少对地表海床的破坏，保护海洋生态环境。

本码头模块（设计图见图1）由两侧片体和中间K型支撑，上部片体，中间走道及中间的防撞平台，设计有快速系缆装置，小船靠泊装置，大船靠泊装置，照明系统，救生装置，淡水系统等组成。两侧片体尺寸长29 m，宽度3 m，高度19.2 m；K型支撑尺寸长13.3 m，宽度3.385 m，高度10.26 m.

图1 导管架码头模块设计图

该工程结构为全钢导管架结构，施工方法受限于现场条件和吊装能力[1-3]。根据合拢制作工艺，两侧片体及中间K型支撑先行搭载，搭载后单侧片体起吊重量达到90 t，超出现场吊机单钩的最大承载吊力75 t.解决此问题的常规做法是用现场吊机与汽车吊进行配合作业，但若采用吊机与汽车吊配合使用对场地大小及操作空间也有较高的要求，且支撑和片体搭载后吊装由于摩擦力的不均匀导致上、下部不能实现同步移动，增加吊装风险。此外，码头模块两个片体直接吊装到理论状态，安装支撑容易与片体发生碰撞导致结构变形，导致油漆破坏，修补困难。

基于现场条件，本文主要讨论了一种顶推滑移式的合拢方法来解决此问题。

2 施工方案

经计算分析及现场讨论，采用龙门吊机+千斤顶相配合的合拢安装方法。

施工准备：龙门吊（单钩最大吊力75 t）、千斤顶、手拉葫芦、缆风绳若干、托架若干、防倒卡板、基座。

安装顺序：安装固定片体Ⅰ→安装片体Ⅱ→安装下部K型支撑→安装上部K型支撑→利用千斤顶将片体Ⅱ合拢。

2.1 固定第一块侧面片体Ⅰ

如图2，将侧面片体Ⅰ吊装到基座10上，用缆风绳3将侧面片体Ⅰ固定，用地锚6将缆风绳3固定在地面上，用缆风绳3上的手拉葫芦7将缆风绳3收紧，使侧面片体Ⅰ固定在基座10上。侧面片体Ⅰ上设有防倒卡板5和托架4.

图2 码头模块侧面片体Ⅰ固定

2.2 设置第二块侧面片体Ⅱ

如图3，将侧面片体Ⅱ吊装到基座10上，侧面片体Ⅱ位置在理论线外300～500 mm处。用缆风绳3将侧面片体Ⅱ固定，用地锚6将缆风绳3固定在地面上，用缆风绳3上的手拉葫芦7将缆风绳3收紧，使侧面片体Ⅱ固定于基座10上。侧面片体Ⅱ上设有防倒卡板5和托架4.

图3 码头模块侧面片体Ⅱ设置

2.3 安装下部支撑结构

如图4，将下部支撑结构K型结构8吊装到两个侧面片体的托架4上，同时侧面片体Ⅱ上的防倒卡板5将K型结构8支撑住，以防掉落。

图4 码头模块下部支撑安装

2.4 安装上部支撑结构

如图5，将上部支撑结构9通过防倒卡板5和托架4安装到侧面片体Ⅰ上，同时两个侧面片体上的防倒卡板5将上部支撑结构9支撑住，以防掉落。

图5 码头模块上部支撑安装

2.5 合拢位移

如图6，用设在基座10上的千斤顶15与龙门吊小车11配合，千斤顶15和支撑座13之间设有调节垫块14，增大千斤顶15横向位移范围，灵活适应多种尺寸位移。由于侧面片体Ⅰ重量达90 t，起重机吊力为75 t，中间K型结构重量72.5 t，所以中间K型结构安装到位后，普通安装方法无法实现结构的吊装。

因此决定用侧向顶推的方法进行合拢，基座10与侧面片体的滑移面摩擦系数为0.5[4]，考虑两侧支腿不均匀受力系数为1.5，单个侧面片体的支腿承载重量为63.125 t，由此得出实际单侧需要顶推力约63.125/2×0.5×1.5≈ 23.67 t，所以选用50 t液压千斤顶。

图6 码头模块合拢

3 吊装稳定性力学分析

为确保吊装过程的安全，对吊装过程中的风缆绳及构件进行稳定性力学分析。

3.1 风缆绳稳定性分析

迎风面积A=135.7 m2，查询施工地区历年风速，按3 s时距平均瞬时风速v=35.8 m/s（10级风）计算，风压力 P1=800 N/m2，C=1.4，Kh=1.13，Fwind=A×P1×Kh=1.13×1.4×800×135.7=171.7 kN，风力作用点高度h1=13.6 m，单片体重量G1=90 t，片体下口宽度B=3 m，片体内侧（风向由片体内侧向外吹）钢丝绳最大允许承载力F内＝5 t，片体外侧（风向由片体外侧向内吹）钢丝绳最大允许承载力F外＝7 t，风缆绳数量Q＝2，片体内侧钢丝绳与地面夹角β内＝31°，β外＝23°，片体内侧钢丝绳与地面夹角，钢丝绳固定点高度h2=20.475 m.

3.1.1 片体内侧风缆绳稳定性分析

自重稳定力矩：

钢丝绳产生稳定力矩：

倾覆力矩：

经计算M内稳＞M侧1，故内侧稳定力矩大于倾覆力矩，构件无倾覆危险。

3.1.2 片体外侧风缆绳稳定性分析

自重稳定力矩：

钢丝绳产生稳定力矩：

倾覆力矩：

经计算M外稳＞M侧2，故外侧稳定力矩大于倾覆力矩，构件无倾覆危险。

3.2 构件顶推时的稳定性分析

迎风面积 A=135.7 m2，按3 s时距平均瞬时风速 v=20 m/s（6级风），风压为 P2=250 N/m2进行计算，C=1.4，Kh=1.13（GB/T 3811-2008），单片片体重量G1=90 t，中间支撑总重G2=72.5 t，片体下口宽度B=3 m，顶推时加速度α=0.008 m/s，惯性力作用点高度h3=12.1 m.

3.2.1 自重产生的稳定力矩计算

3.2.2 倾覆力矩计算

惯性力产生的倾覆力矩M惯：

风力产生的倾覆力矩M倾3：

经计算，M总倾=M惯+M倾3=12.22+649.4=662 kN·m，故稳定力矩大于倾覆力矩，所以选择在风速20 m/s（6级风）进行顶推平移是安全的。

龙门吊小车11拉动侧面片体Ⅱ时千斤顶15同时通过顶推座12推动侧面片体Ⅱ向理论线位移，用经纬仪及时跟踪位移情况，保持龙门吊小车11与千斤顶15同时动作，轻松完成合拢。

4 安全措施

合拢过程中除遵循常规钢结构安装安全规范外，需增加如下措施进行：①K型支撑的导向板安装前需将导向面打磨光顺；②保证最下口滑移面的平整；③需移横向移动的片体上口用门机带载保护；④用测量仪器实时跟踪保证片体上、下口同步移动。

5 结束语

本文探讨了一种大型码头模块的合拢方法。该合拢方法经过分析计算，施工实践，证明是可靠可行的，且施工的综合费用相对较低。该方法为大型构件的合拢安装提供了新的指导思路，具有良好的社会和经济效益，适合推广。