“高架滑触线方案”RTG油改电项目中的索塔分析

  集装箱码头堆场装卸采用轮胎式集装箱起重机（简称 RTG）作业‚传统的方法是依赖自身配置的柴油发电机组供电‚效率低、能耗大‚运行成本高；同时 RTG 柴油机组供电方式还存在维护量大、运行中废气排放多、噪音大等缺点。“高架滑触线方案”RTG 油改电方法则是采用高架线路滑触供电的方式‚为集装箱轮胎吊提供电力‚并由电机替代传统的柴油发动机‚以达到节约成本、降低污染及噪音、保护环境的目的。由于足较高的工艺要求‚同时受制于堆场内的场地条件‚因此该方法对于结构设计提出了较高的要求。本文结合上港集团振东分公司轮胎吊油改电项目对索塔结构进行分析。

1 工程背景

本项目位于上港集团振东集装箱码头分公司区域内‚分为两条线路‚总长度约为693m‚每条线路均包括4个中间塔和2个端塔。铁塔建造于堆场箱区之间‚除了一跨铁塔间距为86m 以外‚其余间距均为150m 左右。

滑触供电的工艺要**：轮胎吊工作时‚架空滑触线应保持平直‚滑触线与地面道路应保持平行（滑触线两个悬挂点之间的*大垂度不大于0∙1m）‚同时要求在*大八级横风作用下‚滑触线单侧位移*大值不应超过1m。改造后的轮胎吊要求滑触线距地面高度25m。

根据工艺要求并结合场地条件‚本工程采用索塔组合结构作为电线的支撑结构：在场地内设置高度为35∙5m 钢结构塔架‚并在塔架之间张拉承重钢索‚由承重钢索及调节挂索将悬挂的滑触电线调节至设计标高并使之平直（铁塔每侧设置2根承重索及4根滑触线‚两侧对称设置）。塔架分中间塔及端塔‚中间塔为承重钢索及滑触线提供竖向支撑‚端塔为承重钢索提供锚固点。在平行于承重钢索的上部5m 处设置避雷索（铁塔每侧设置1根）。索塔的立面、俯视情况可参见图1。

索塔组合结构可根据实际场地布置方式建造整条线路的计算模型‚索与铁塔之间的连接方式根据实际连接方式确定‚然后时行各种工况下的整体受力分析。本文为了较详细地探讨索的力学分析‚对索与塔架分别进行分析。

2 索的分析

本项目中的索包括滑触线、承重索和避雷索。其中滑触线通过调节挂索将自重荷载传递到承重索‚同时在滑触线的两端设置配重‚以满足工艺要求。承重索在正常使用情况下需要承受自重、滑触线的重量以及调节挂索及配件的重量。避雷索位于承重索的上部‚与滑触线及承重索不直接发生关系。

跨度为 L 的两端等高索承受竖向荷载 q‚索在跨中的垂度为 f‚则索张力 T 的水平分量 H 为：

H＝qL2／（8f） （1）

当索比较平坦时‚T≈H。索总长 S 为：

S＝L ［（1＋8f2／（3L2）—32f4／（5L4）］ （2）

本项目中‚滑触线选用截面积为185mm2 的铜滑线。承重索型号选用单股钢绞线1×37‚直径19∙6mm‚截面积227∙3mm2‚公称抗拉强度不低1670MPa‚*小破断拉力为323kN。避雷索型号选用单股钢绞线1×7‚直径9mm‚截面积49∙46mm2‚公称抗拉强度不低于1670MPa‚*小破断拉力为75∙9kN。

据式（1）‚滑触线自重为16∙5N／m‚两个悬挂点间的距离为10m‚若需要满足两点之间的*大垂度为0∙1m‚则每个滑触线的两端需设置≥206kg 的配重。避雷索自重4∙1N／m‚跨度150m‚在满足避雷保护的前提下‚考虑*大跨中垂度为5m‚可算得水平拉力为2∙3kN‚安全系数远大于3∙0。

以下主要分析承重索。

2∙1 正常工作状态与初始状态

正常工作状态根据工艺要求确定‚在本工程中结合 RTG 的高度要求‚正常使用时150m 跨的承重索跨中*大垂度为4m。根据索原始长度不变的条件‚可以从正常工作状态计算得到初始状态（仅承受自重时）‚并以此作为施工控制条件；这样‚当加上调节挂索及配件、滑触线的重量后‚承重索能够从初始状态转换到正常使用状态。

2∙2 温度荷载

当外界温度发生变化时‚由于热胀冷缩‚索的长度会有相应的变化‚这样导致索垂度变化从而引起张力的变化‚同时索张力的变化又会导致索长度的变化。因此‚需要根据索的变形协调方程来计算温度荷载引起的索的变化。

索跨距为 L‚承受均布荷载 q‚假设正常工作状态时‚跨中*大垂度为 f‚此时对应的张力为 T‚水平分量为 H‚总的索长度为 S；温度变化Δt 时‚跨中*大垂度为 f′‚此时对应的张力为 T′‚水平分量为 H′‚总的索长度为 S′。索的面积为 A‚弹性模量为 E‚温度线膨胀系数为α。

由于温度变化引起的索长度增量为 ΔS1‚由于应力变化引起的索长度增量为ΔS2‚总的索长度增量为ΔS。则有：

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）

将式（5）、（6）代入式（4）‚即可得到关于 f′的方程。

可以通过试算得到温度变化后的索方程。

2∙3 不同跨度索的处理

为了使中间塔在正常使用时受力平衡‚对于不同跨度的索‚需控制其正常使用情况下两端拉力相等。即跨度较小的一跨索的垂度也较小‚可通过调节挂索的长短来保证不同跨间滑触线的平齐。

本工程中‚每根承重索的自重荷载以20N／m 计‚加上调节挂索及配件‚两根滑触线的重量总荷载为60N／m。索的弹性模量E＝1∙8e5N／mm2‚温度线膨胀系数α＝1∙2e-5。跨度分别为150m 与86m 的索的工作状态与初始状态计算结果见表1。

考虑到本工程建设时温度较高‚考虑极端温差Δt＝—30℃。跨度分别为150m 与86m 的索降温30℃后的新的平衡状态如表2、表3所示。

从以上计算可以看到‚工作状态下索的张力约为42∙2kN‚降温后索的*大张力为49∙7kN‚而索的*小破断拉力为323kN‚安全系数大于3．0。另外‚降温后不同跨度索的张力均增加‚但是原来平衡的水平分力在温度变化后不再平衡；从计算结果看‚降温后每根索导致中间塔的不平衡力为4∙1kN‚需要在铁塔的计算中加以考虑。

2∙4 风荷载作用下索的张力和变形

悬索结构的风振反应分析较为复杂‚本工程中参照输电铁塔导线和地线风荷载的计算公式计算承重索的风荷载‚并在计算中将挂索及配件、滑触线的风荷载均考虑在内。

本文采用 SAP2000软件‚用降温法模拟初始应力‚计算了索在不同风荷载作用下的张力与位移。两端固定索在基本风压0∙23kN／m2（八级风中值）作用下的*大水平偏移为0∙47m‚八级横风作用下中间塔顶部的*大偏移为0∙12m‚总的水平偏移值为0∙59m‚能够满足工艺不大于1m 的要求。

3 铁塔的力学分析

1∙基本情况

由于工程地址在港口集装箱集中堆放区‚对塔架占地的范围有一定的限制‚本工程中塔架主体横 截 面 为 正 四 边 形‚边 宽 1∙5m‚主 材 采 用Q345B 无缝钢管。塔架横担在滑触线连接点处设计成滑动或活动构造‚以保证铜质滑触线在外界温度变化下的自由伸缩。考虑到安全因素及不影响场内交通‚为滑触线在端塔处的张拉配重专门设置了转换桁架、滑轮组及活动钢梁‚在满足工艺操作的前提下‚将配重块置于塔架边的安全区域。

本文中的铁塔包括两种类型：中间塔和端塔。中间塔在正常使用时两侧承重索的水平力平衡‚而端塔则需要通过钢结构本身来抵抗索的张力及其引起对基础的倾覆弯矩‚因此两者差别较大。

中间塔和端塔的立面图可参见图2。

2∙荷载与分析工况

对于铁塔而言‚其所受的荷载主要包括正常工作状态下的索张力、不同风向时的风荷载（包括铁塔本身的风荷载与通过索传递至塔架上的风荷载）、温度变化时不同跨距间铁塔承受的索的不平衡力等。根据荷载效应的基本组合对铁塔进行计算分析‚此外还考虑了中间塔在1根索断裂时的偶然组合工况。

3∙结构分析与计算结果

本工程采用3D3S 软件计算‚SAP2000复核。铁塔采用空间杆单元模型。3D3S 软件计算的主要结果：在45度风作用工况（控制工况‚基本风压0∙55kN／m

2）下‚中间塔顶部*大变形为0∙30m‚考虑稳定后塔架构件*大应力比为0∙76；端塔顶部*大变形为0∙20m‚考虑稳定后塔架构件*大应力比为0∙75‚均能够满足相应规范的要求。用SAP2000复核结果与3D3S 计算结果基本一致。

4 结束语

“高架滑触线方案”RTG 油改电项目建成并投入试运行后‚取得了预期的经济和社会效益。经分析‚轮胎吊采用柴油发电机成本为4∙74元／TEU（20英尺普通货柜）‚而采用滑触线供电方式成本仅为1∙00元／TEU‚在成本上可节约79％；同时‚轮胎吊省去柴油发动机后‚可以杜绝废气排放‚降低设备运行噪声‚防止对环境的污染。

本文介绍了该项目的索及铁塔的结构分析过程‚对于索和塔分开计算时还需要考虑两者之间的相互影响及整体协调‚同时索塔整体结构在风作用下的振动与其控制等问题需要在今后的实践中作进一步的研究。