集裝箱碼頭堆場裝卸采用輪胎式集裝箱起重機（簡稱 RTG）作業(yè)?傳統(tǒng)的方法是依賴自身配置的柴油發(fā)電機組供電?效率低、能耗大?運行成本高；同時 RTG 柴油機組供電方式還存在維護量大、運行中廢氣排放多、噪音大等缺點。“高架滑觸線方案”RTG 油改電方法則是采用高架線路滑觸供電的方式?為集裝箱輪胎吊提供電力?并由電機替代傳統(tǒng)的柴油發(fā)動機?以達到節(jié)約成本、降低污染及噪音、保護環(huán)境的目的。由于足較高的工藝要求?同時受制于堆場內(nèi)的場地條件?因此該方法對于結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了較高的要求。本文結(jié)合上港集團振東分公司輪胎吊油改電項目對索塔結(jié)構(gòu)進行分析。

1 工程背景

本項目位于上港集團振東集裝箱碼頭分公司區(qū)域內(nèi)?分為兩條線路?總長度約為693m?每條線路均包括4個中間塔和2個端塔。鐵塔建造于堆場箱區(qū)之間?除了一跨鐵塔間距為86m 以外?其余間距均為150m 左右。

滑觸供電的工藝要**：輪胎吊工作時?架空滑觸線應(yīng)保持平直?滑觸線與地面道路應(yīng)保持平行（滑觸線兩個懸掛點之間的*大垂度不大于0?1m）?同時要求在*大八級橫風作用下?滑觸線單側(cè)位移*大值不應(yīng)超過1m。改造后的輪胎吊要求滑觸線距地面高度25m。

根據(jù)工藝要求并結(jié)合場地條件?本工程采用索塔組合結(jié)構(gòu)作為電線的支撐結(jié)構(gòu)：在場地內(nèi)設(shè)置高度為35?5m 鋼結(jié)構(gòu)塔架?并在塔架之間張拉承重鋼索?由承重鋼索及調(diào)節(jié)掛索將懸掛的滑觸電線調(diào)節(jié)至設(shè)計標高并使之平直（鐵塔每側(cè)設(shè)置2根承重索及4根滑觸線?兩側(cè)對稱設(shè)置）。塔架分中間塔及端塔?中間塔為承重鋼索及滑觸線提供豎向支撐?端塔為承重鋼索提供錨固點。在平行于承重鋼索的上部5m 處設(shè)置避雷索（鐵塔每側(cè)設(shè)置1根）。索塔的立面、俯視情況可參見圖1。

索塔組合結(jié)構(gòu)可根據(jù)實際場地布置方式建造整條線路的計算模型?索與鐵塔之間的連接方式根據(jù)實際連接方式確定?然后時行各種工況下的整體受力分析。本文為了較詳細地探討索的力學分析?對索與塔架分別進行分析。

2 索的分析

本項目中的索包括滑觸線、承重索和避雷索。其中滑觸線通過調(diào)節(jié)掛索將自重荷載傳遞到承重索?同時在滑觸線的兩端設(shè)置配重?以滿足工藝要求。承重索在正常使用情況下需要承受自重、滑觸線的重量以及調(diào)節(jié)掛索及配件的重量。避雷索位于承重索的上部?與滑觸線及承重索不直接發(fā)生關(guān)系。

跨度為 L 的兩端等高索承受豎向荷載 q?索在跨中的垂度為 f?則索張力 T 的水平分量 H 為：

H＝qL2／（8f） （1）

當索比較平坦時?T≈H。索總長 S 為：

S＝L ［（1＋8f2／（3L2）—32f4／（5L4）］ （2）

本項目中?滑觸線選用截面積為185mm2 的銅滑線。承重索型號選用單股鋼絞線1×37?直徑19?6mm?截面積227?3mm2?公稱抗拉強度不低1670MPa?*小破斷拉力為323kN。避雷索型號選用單股鋼絞線1×7?直徑9mm?截面積49?46mm2?公稱抗拉強度不低于1670MPa?*小破斷拉力為75?9kN。

據(jù)式（1）?滑觸線自重為16?5N／m?兩個懸掛點間的距離為10m?若需要滿足兩點之間的*大垂度為0?1m?則每個滑觸線的兩端需設(shè)置≥206kg 的配重。避雷索自重4?1N／m?跨度150m?在滿足避雷保護的前提下?考慮*大跨中垂度為5m?可算得水平拉力為2?3kN?安全系數(shù)遠大于3?0。

以下主要分析承重索。

2?1 正常工作狀態(tài)與初始狀態(tài)

正常工作狀態(tài)根據(jù)工藝要求確定?在本工程中結(jié)合 RTG 的高度要求?正常使用時150m 跨的承重索跨中*大垂度為4m。根據(jù)索原始長度不變的條件?可以從正常工作狀態(tài)計算得到初始狀態(tài)（僅承受自重時）?并以此作為施工控制條件；這樣?當加上調(diào)節(jié)掛索及配件、滑觸線的重量后?承重索能夠從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)換到正常使用狀態(tài)。

2?2 溫度荷載

當外界溫度發(fā)生變化時?由于熱脹冷縮?索的長度會有相應(yīng)的變化?這樣導致索垂度變化從而引起張力的變化?同時索張力的變化又會導致索長度的變化。因此?需要根據(jù)索的變形協(xié)調(diào)方程來計算溫度荷載引起的索的變化。

索跨距為 L?承受均布荷載 q?假設(shè)正常工作狀態(tài)時?跨中*大垂度為 f?此時對應(yīng)的張力為 T?水平分量為 H?總的索長度為 S；溫度變化Δt 時?跨中*大垂度為 f′?此時對應(yīng)的張力為 T′?水平分量為 H′?總的索長度為 S′。索的面積為 A?彈性模量為 E?溫度線膨脹系數(shù)為α。

由于溫度變化引起的索長度增量為 ΔS1?由于應(yīng)力變化引起的索長度增量為ΔS2?總的索長度增量為ΔS。則有：

ΔS＝ΔS1＋ΔS2 （3）

其中：

ΔS＝S′—S≈L（8f23L2—8f′23L2—32f45L4 ＋32f′45L4 ） （4）

ΔS1≈α·Δt·L （5）

ΔS2＝T′—TEAL≈H′—HEAL＝qL38EA（1f′—1f） （6）

將式（5）、（6）代入式（4）?即可得到關(guān)于 f′的方程。

可以通過試算得到溫度變化后的索方程。

2?3 不同跨度索的處理

為了使中間塔在正常使用時受力平衡?對于不同跨度的索?需控制其正常使用情況下兩端拉力相等。即跨度較小的一跨索的垂度也較小?可通過調(diào)節(jié)掛索的長短來保證不同跨間滑觸線的平齊。

本工程中?每根承重索的自重荷載以20N／m 計?加上調(diào)節(jié)掛索及配件?兩根滑觸線的重量總荷載為60N／m。索的彈性模量E＝1?8e5N／mm2?溫度線膨脹系數(shù)α＝1?2e-5?？缍确謩e為150m 與86m 的索的工作狀態(tài)與初始狀態(tài)計算結(jié)果見表1。

考慮到本工程建設(shè)時溫度較高?考慮極端溫差Δt＝—30℃?？缍确謩e為150m 與86m 的索降溫30℃后的新的平衡狀態(tài)如表2、表3所示。

從以上計算可以看到?工作狀態(tài)下索的張力約為42?2kN?降溫后索的*大張力為49?7kN?而索的*小破斷拉力為323kN?安全系數(shù)大于3．0。另外?降溫后不同跨度索的張力均增加?但是原來平衡的水平分力在溫度變化后不再平衡；從計算結(jié)果看?降溫后每根索導致中間塔的不平衡力為4?1kN?需要在鐵塔的計算中加以考慮。

2?4 風荷載作用下索的張力和變形

懸索結(jié)構(gòu)的風振反應(yīng)分析較為復雜?本工程中參照輸電鐵塔導線和地線風荷載的計算公式計算承重索的風荷載?并在計算中將掛索及配件、滑觸線的風荷載均考慮在內(nèi)。

本文采用 SAP2000軟件?用降溫法模擬初始應(yīng)力?計算了索在不同風荷載作用下的張力與位移。兩端固定索在基本風壓0?23kN／m2（八級風中值）作用下的*大水平偏移為0?47m?八級橫風作用下中間塔頂部的*大偏移為0?12m?總的水平偏移值為0?59m?能夠滿足工藝不大于1m 的要求。

3 鐵塔的力學分析

1?基本情況

由于工程地址在港口集裝箱集中堆放區(qū)?對塔架占地的范圍有一定的限制?本工程中塔架主體橫 截 面 為 正 四 邊 形?邊 寬 1?5m?主 材 采 用Q345B 無縫鋼管。塔架橫擔在滑觸線連接點處設(shè)計成滑動或活動構(gòu)造?以保證銅質(zhì)滑觸線在外界溫度變化下的自由伸縮?？紤]到安全因素及不影響場內(nèi)交通?為滑觸線在端塔處的張拉配重專門設(shè)置了轉(zhuǎn)換桁架、滑輪組及活動鋼梁?在滿足工藝操作的前提下?將配重塊置于塔架邊的安全區(qū)域。

本文中的鐵塔包括兩種類型：中間塔和端塔。中間塔在正常使用時兩側(cè)承重索的水平力平衡?而端塔則需要通過鋼結(jié)構(gòu)本身來抵抗索的張力及其引起對基礎(chǔ)的傾覆彎矩?因此兩者差別較大。

中間塔和端塔的立面圖可參見圖2。

2?荷載與分析工況

對于鐵塔而言?其所受的荷載主要包括正常工作狀態(tài)下的索張力、不同風向時的風荷載（包括鐵塔本身的風荷載與通過索傳遞至塔架上的風荷載）、溫度變化時不同跨距間鐵塔承受的索的不平衡力等。根據(jù)荷載效應(yīng)的基本組合對鐵塔進行計算分析?此外還考慮了中間塔在1根索斷裂時的偶然組合工況。

3?結(jié)構(gòu)分析與計算結(jié)果

本工程采用3D3S 軟件計算?SAP2000復核。鐵塔采用空間桿單元模型。3D3S 軟件計算的主要結(jié)果：在45度風作用工況（控制工況?基本風壓0?55kN／m

2）下?中間塔頂部*大變形為0?30m?考慮穩(wěn)定后塔架構(gòu)件*大應(yīng)力比為0?76；端塔頂部*大變形為0?20m?考慮穩(wěn)定后塔架構(gòu)件*大應(yīng)力比為0?75?均能夠滿足相應(yīng)規(guī)范的要求。用SAP2000復核結(jié)果與3D3S 計算結(jié)果基本一致。

4 結(jié)束語

“高架滑觸線方案”RTG 油改電項目建成并投入試運行后?取得了預(yù)期的經(jīng)濟和社會效益。經(jīng)分析?輪胎吊采用柴油發(fā)電機成本為4?74元／TEU（20英尺普通貨柜）?而采用滑觸線供電方式成本僅為1?00元／TEU?在成本上可節(jié)約79％；同時?輪胎吊省去柴油發(fā)動機后?可以杜絕廢氣排放?降低設(shè)備運行噪聲?防止對環(huán)境的污染。

本文介紹了該項目的索及鐵塔的結(jié)構(gòu)分析過程?對于索和塔分開計算時還需要考慮兩者之間的相互影響及整體協(xié)調(diào)?同時索塔整體結(jié)構(gòu)在風作用下的振動與其控制等問題需要在今后的實踐中作進一步的研究。