中交二航局第一工程有限公司 湖北武汉 430012
摘要：本文依据泰兴港区过船作业区滨江通用码头工程建设实例对其靠船构件安装工艺进行了介绍，并对安装支撑系统进行设计和受力计算，提高安装的安全稳定性和安装质量。
关键词：靠船构件，安装工艺，受力计算
1、引言
本工程位于长江下游扬中河段太平洲左汊过船港下游，受潮水影响大，靠船构件安装支点标高与码头现浇横梁底标高一致为2.4m，通过外伸竖向主筋与码头现浇横梁钢筋骨架焊接，同时浇筑连在一起，施工时水位最低0.8m，最高超过2.4m，作业时间有限；靠船构件安装面即为码头前沿线，体积大，属于悬臂受力结构，对支撑系统受力要求高，加固较难；靠船构件的安装决定了码头上部结构的浇筑进度及前沿线顺直问题，工期紧、任务重，如何在保证安全质量前提下在3月底前完成安装任务是关键点。
2、工程概况
本工程外挡拟建设7万吨级通用泊位2个、内挡1千吨级散货泊位3个（码头结构按照靠泊2千吨级散货船设计），采用高桩梁板式结构形式，码头靠船装卸平台长529m（包括中间转运站墩台长31.27m），排架间距7.5m，共设70榀排架，靠船装卸平台基础为Φ1000mm 高强预应力砼管桩。上游2#泊位宽30m，35榀现浇横梁，在每榀横梁的江侧安装一件靠船构件；下游1#泊位宽35m，35榀现浇横梁，在每榀横梁的江岸侧各安装一件靠船构件，共计安装靠船构件109件；平台安装靠船构件分5种类型，尺寸不一，最大吊重为KJ1-1，每件重为15t，安装于码头平台下游江侧（外档）。以下游1#泊位KJ1靠船构件安装为例（见图1、图2和图3）。
图3：靠船构件与横梁连接图
3、施工工艺及方法
3.1、施工工艺流程
图4：靠船构件安装工艺流程图
3.2、主要施工方法
1）准备工作
靠船构件在专业预制厂预制后水运至现场，经检验符合设计及规范要求后方可安装。靠船构件预制时预留2个横向安装孔（见下图5），安装时穿直径100mm的钢棒，支撑在底模双拼槽32a纵梁上并加固稳定。
靠船构件安装起重设备选型应满足吊距、吊重及安全稳定性要求，进场后组织抛锚定位，准备吊装。
图5：预留安装孔图
2）测量放样
靠船构件与横梁一起现浇，共用一套底模支撑系统，安装前先测量放样钢抱箍顶标高和底模板顶标高及边线，安装底模支撑系统。
在已安装好的承重横梁上测放码头前沿线及靠船构件安装江岸侧限位点，在底模板上测放排架中心点，用石灰笔画十字交叉点标记。
3）底模系统安装
靠船构件安装底模支撑系统采用双层钢抱箍（壁厚12mm，高30cm，两侧的牛腿长40cm，采用M24的高强螺栓连接，双螺母固定，管桩与钢抱箍之间铺设一层橡胶皮，增大摩擦阻力），上面架设双拼槽钢[32a作为承重梁，承重横梁与相邻排架连接一起，底部与钢抱箍固定，承重纵梁横向间采用φ20拉杆对拉连接，纵向用φ28圆钢与钢抱箍焊接固定。底模支撑系统图见图6、图7。
4）安装、调整及校核
在承重纵梁上测放限位钢筋点并焊接，用石笔标记靠船构件的中心点，起吊靠船构件缓慢移动至安放位置，紧贴限位钢筋安放，现场由工人辅助，将靠船构件的中心点与排架中心线重合，安放后对靠船构件的前沿线、横向轴线进行复核并调整。
5）加固及检查验收
靠船构件经校核合格后，对担搁横梁Φ100钢棒两侧采取限位钢板与承重纵梁牢固焊接，确保钢棒不会滚动，同时在靠船构件上下游侧用短钢筋焊接于承重纵梁上，端头顶在靠船构件侧面，确保其不会产生上下游偏位。
加固完成后卸扣移船，并及时浇筑砼，浇筑砼时必须从中间向两头浇筑。
4、靠船构件安装受力计算
4.1、钢丝绳强度验算
靠船构件最大单重KJ5-1计算为例：G=6m³*25KN/m³=150KN。采用4根Φ26（钢丝6*37+1）钢丝绳进行吊装，钢丝绳长4m，钢丝绳间距为1100mm*700mm。经查表得Φ26钢丝绳破断拉力为Sb=351kN，荷载不均匀系数a=0.82，安全系数K1=6～7，如下图示为钢丝绳内力计算图：
图8：钢丝绳内力计算图
1）单根钢丝绳破断拉力（竖向）：
Sb’=351×sin{cos[(0.552+0.42)0.5/4]-1}=345.9KN；
2）4根钢丝绳破断拉力总和（竖向）：
Pg=1383KN；
3）安全系数：K(=9.2)>K1，满足要求。
4）则现场应选用钢丝绳直径不小于26mm，长度不少于4m进行吊装。
4.2、钢棒验算
Φ100钢棒长3m，架在纵向承重梁上。Φ100钢棒的弹性模量E=2.1×105MPa，惯性矩Ix=π×d4/64=491cm4，抗弯模量Wx=π×d3/32=98125mm3，A=78.54cm2 。
取最大靠船构件重量为：6×25=150KN；
则单根钢棒所受到的均布载荷为：q=150÷2÷3=25KN/m，则钢棒受力可看做简支梁计算，图示如下：
最大弯矩：Mmax= 15.13KN•m，
弯曲正应力σ= Mmax/Wx=15.13×106/98125=155MPa<[σw]=215MPa，满足要求；
最大剪力：Qmax=27.5KN
钢棒最大剪应力：
τmax= 4Qmax/3A=4×27.5×103N/(3×7854mm2)=5MPa<[fv]=125MPa，满足要求；
最大挠度（跨中）：
fmax=7.4mm<[fv]=l/250=3000/250=12mm，满足要求。
由此可见靠船构件安装孔选用Φ100钢棒作为担搁横梁能够满足要求
4.3、承重纵梁验算
靠船构件承重纵梁选取双拼槽32a，槽32a几何特性：b=88mm，h=320mm，Ix=7598cm4，Wx=475cm3，SX=276.9cm3，t=14mm,弹性模量E=2.1×105MPa。
荷载计算：计算长度为9m，底模及木方自重q1=2.6KN，双拼槽32a主梁自重q2=38.2×4×9=14KN，砼自重q3=54KN/m，侧模自重q4=40KN，施工人员机具荷载q5=2.5KN/m，砼倾倒荷载q6=2KN/m。按最不利荷载计算：
1）安装阶段：靠船构件安装阶段承重纵梁主要承受靠船构件集中荷载，底模及自身的自重荷载，施工人员荷载按集中荷载计算取P1=0.75KN(一边由一个工人辅助安装）作用于悬臂端；靠船构件总重150KN，作用间距0.5m，则每处对主梁产生的集中荷载P=150/4=37.5KN。
则q0=（q1+q2+q4)/9=(2.6+14+40)/9=6.3KN/m。
由结构力学求解器得Mmax=83KN.m，Vmax=89KN。则单边双拼槽32a承重纵梁所受Mmax=83/2=41.5KN.m，Vmax=89/2=44.5KN。
弯曲正应力：σ= Mmax/Wx=41.5×103/475×2=44MPa<[σw]=215MPa，满足要求；
最大剪应力：
τmax = Vmax× SX/（IX×t）=44.5KN×276.9cm3÷(7598cm4×14mm)
=1.2MPa<[fv]=125MPa,满足要求；
最大挠度（梁端）为fmax=7mm<[f]=9000/400=22.5mm，满足要求。（见下图）
图11：承重纵梁变形图及计算（单位：m）
由以上计算可知4点处的反力最大，取该点处进行计算，则R4=131.24KN。
（二）砼浇筑阶段：q=q0+q3+q5+q6=64.8KN/m。
由结构力学求解器得Mmax=210.4KN.m，Vmax=211.1KN。则单边双拼槽32a承重纵梁所受Mmax=210.4/2=105.2KN.m，Vmax=211.1/2=106KN。
弯曲正应力：σ= Mmax/Wx=105.2×103/475×2=111MPa<[σw]=215MPa，满足要求；
最大剪应力：
τmax = Vmax× SX/（IX×t）=106×276.9cm3÷(7598cm4×14mm)
=2.7MPa<[fv]=125MPa,满足要求；
最大挠度（悬臂端）为fmax=17mm<[f]=9000/400=22.5mm，满足要求。
图13：承重纵梁变形图及计算（单位：m）
由以上计算可知4点处的反力最大，取该点处进行计算，则R4=351KN，该处反力直接传递荷载给底部支撑钢抱箍。
综上计算最大挠度为悬臂端17mm，现场承重梁安装时应预先将悬臂端抬高20mm，确保安装位置准确度。
4.4、Φ28圆钢受力计算
1、抗拉强度计算
利用Φ28圆钢将承重纵梁与钢抱箍焊接牢固，作为安装阶段的反拉受力，确保靠船构件安装平稳。以安装阶段5点处计算，R5=37.58KN。
圆钢拉应力σ=R5/S=61MPa<[σ]=205MPa，满足要求。
式中：S=πr2=615.44mm2，圆钢截面积。
4.5、钢抱箍受力计算
钢抱箍壁厚12mm，高60cm(双层钢抱箍），两侧的牛腿长30cm，采用M24的高强螺栓连接，双螺母固定。管桩与钢抱箍之间铺设一层橡胶皮，
增大摩擦阻力以及保护桩身不受破坏，按承重型钢在抱箍牛腿上的搁置点位于10cm处计算。G=R5=351KN。
（1）螺栓计算
抱箍所受的竖向压力由M24的高强螺栓的抗剪力产生，查《路桥施工计算手册》，单个M24螺栓的允许承载力：[NL]=Pμn/K
式中P---高强螺栓的预拉力，取225KN；
μ---摩擦系数，取0.35；
n---传力接触面数目，取1；
K---安全系数，取1.7。
则：[NL]= 225×0.35×1/1.7=46.3KN。
螺栓数目m计算：m=G/[NL]=351/46.3=7.6，实际安装取计算截面上的螺栓数目m=20个。
则每个高强螺栓提供的抗剪力：
N=G/20=351/20=17.6KN<[NL]=46.3KN，故能承担所要求的荷载。
砼与钢之间设一层橡胶皮，增加钢抱箍与桩壁间的接触面，橡胶与钢之间的静摩擦系数取μ1=0.35，钢抱箍产生的压力为F=G/μ=351/0.35=1003KN，此压力由20个M24的高强螺栓的拉力产生，则每条螺栓拉力为：F1=F/20=1003KN/20=50.2kN<0.8P=0.8×225=180KN，能承担所要求的荷载。
由螺帽压力产生的反力矩M1=u1F1×L1，其中钢与钢之间的摩擦系数u1=0.15，力臂L1=0.012m，M1=0.15×50.2×0.012=0.09KN.m
M2为螺栓爬升角产生的反力矩,升角为10°。
M2=μ1×F1cos10°×L2+ F1sin10°×L2，式中力臂L2=0.011。
M2=0.15×50.2×cos10°×0.011+50.2×sin10°×0.011=0.18KN.m,
M=M1+M2=0.09+0.18=0.27KN.m=27kg.m,所以要求螺栓的扭紧力矩M≥27kg.m。
（2）抱箍壁计算
高强螺栓连接的轴心受拉构件的强度σ1=F′/An=F×（1-0.4m1/m2）/An
式中：F′——为轴心力；
m1——为所用螺栓数目，取20个；
m2——为抱箍一侧的螺栓数目，取10个；
A——为构件净截面积，An=452mm2；
σ1=F′/An =F×（1-0.4m1/m2）/ An
=1003×103×（1-0.4×20/10）/（20×452）=22.2MPa＜[σ]=215MPa,故钢抱箍在螺栓连接处正应力满足强度要求。
钢抱箍牛腿在型钢传递的荷载下为受弯构件，在牛腿与箍体连接处的弯矩最大，最大弯矩为M=Ge=351×0.1=35.1KN.m,(e=0.1m）；此处钢抱箍牛腿截面抗弯刚度系数Wz =bh2/6=12×6002 ÷6=720×103 mm3,弯曲正应力为σ2=M/Wz =35.1×106/(720×103 ）=49MPa＜[σ]=215MPa，故抱箍在牛腿与箍体连接处正应力满足强度要求。
抱箍壁受拉产生拉应力，抱箍壁的纵向截面积：S1=12×600=7200mm2，抱箍壁拉力P1=20F1=20×50.2=1003KN。
抱箍壁拉应力σ3=P1/S1=1003×103 /7200=140MPa＜[σ]= 215MPa，正应力满足要求。
比较σ1,σ2,σ3得抱箍壁的拉应力σmax=140 MPa
抱箍壁受上部荷载而产生剪应力，抱箍壁最薄弱处剪应力τmax=G/2S2，
其中S2为钢抱箍纵向最薄弱截面面积，S2=12×600-6×12×26=5328mm2,
τmax=351×103 /（2×5328）=33MPa<[τ]=125MPa,满足要求。
根据第四强度理论进行强度校核：
σr4=（σmax2+3τmax2）1/2=（1402+3×332）1/2=151MPa<[σ]=215MPa，满足强度要求。
5、结语
1）本文通过工程实例对靠船构件安装工艺进行介绍，着重对安装支撑系统进行设计计算，选取满足现场受力要求的承重材料，保证构件安装平稳，线性顺直，满足要求。
2）通过合理设计及加固底模支撑系统，与码头下横梁一起现浇，加快了施工进度，底模可来回周转使用，节约了材料成本，确保了项目部提前完成了靠船构件安装及下横梁的浇筑目标，证明该工艺可靠、实用。
参考文献
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[2]简明施工计算手册.江正荣，朱国梁编著.—4版.—北京：中国建筑工业出版社，2015.05.
[3]钢结构设计规范（GB50017—2003）.
[4]结构力学求解器（软件）[CP/DK].袁驷.北京：高等教育出版社，2001.
论文作者:王鹏
论文发表刊物:《基层建设》2018年第14期
论文发表时间:2018/7/16
标签：构件论文; 荷载论文; 螺栓论文; 应力论文; 横梁论文; 钢丝绳论文; 码头论文; 《基层建设》2018年第14期论文;