集裝箱碼頭堆場(chǎng)裝卸采用輪胎式集裝箱起重機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng) RTG）作業(yè)?傳統(tǒng)的方法是依賴(lài)自身配置的柴油發(fā)電機(jī)組供電?效率低、能耗大?運(yùn)行成本高；同時(shí) RTG 柴油機(jī)組供電方式還存在維護(hù)量大、運(yùn)行中廢氣排放多、噪音大等缺點(diǎn)?！案呒芑|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(jī)替代傳統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)?以達(dá)到節(jié)約成本、降低污染及噪音、保護(hù)環(huán)境的目的。由于足較高的工藝要求?同時(shí)受制于堆場(chǎng)內(nèi)的場(chǎng)地條件?因此該方法對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了較高的要求。本文結(jié)合上港集團(tuán)振東分公司輪胎吊油改電項(xiàng)目對(duì)索塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1 工程背景

本項(xiàng)目位于上港集團(tuán)振東集裝箱碼頭分公司區(qū)域內(nèi)?分為兩條線路?總長(zhǎng)度約為693m?每條線路均包括4個(gè)中間塔和2個(gè)端塔。鐵塔建造于堆場(chǎng)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(shí)?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(gè)懸掛點(diǎn)之間的*大垂度不大于0?1m）?同時(shí)要求在*大八級(jí)橫風(fēng)作用下?滑觸線單側(cè)位移*大值不應(yīng)超過(guò)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(chǎng)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(chǎng)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(jì)標(biāo)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(duì)稱(chēng)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(diǎn)。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(jiàn)圖1。

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

2 索的分析

本項(xiàng)目中的索包括滑觸線、承重索和避雷索。其中滑觸線通過(guò)調(diào)節(jié)掛索將自重荷載傳遞到承重索?同時(shí)在滑觸線的兩端設(shè)置配重?以滿(mǎn)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(dāng)索比較平坦時(shí)?T≈H。索總長(zhǎng) S 為：

S＝L ［（1＋8f2／（3L2）—32f4／（5L4）］ （2）

本項(xiàng)目中?滑觸線選用截面積為185mm2 的銅滑線。承重索型號(hào)選用單股鋼絞線1×37?直徑19?6mm?截面積227?3mm2?公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度不低1670MPa?*小破斷拉力為323kN。避雷索型號(hào)選用單股鋼絞線1×7?直徑9mm?截面積49?46mm2?公稱(chēng)抗拉強(qiáng)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(gè)懸掛點(diǎn)間的距離為10m?若需要滿(mǎn)足兩點(diǎn)之間的*大垂度為0?1m?則每個(gè)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(mǎn)足避雷保護(hù)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(yuǎn)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(shí)150m 跨的承重索跨中*大垂度為4m。根據(jù)索原始長(zhǎng)度不變的條件?可以從正常工作狀態(tài)計(jì)算得到初始狀態(tài)（僅承受自重時(shí)）?并以此作為施工控制條件；這樣?當(dāng)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(dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí)?由于熱脹冷縮?索的長(zhǎng)度會(huì)有相應(yīng)的變化?這樣導(dǎo)致索垂度變化從而引起張力的變化?同時(shí)索張力的變化又會(huì)導(dǎo)致索長(zhǎng)度的變化。因此?需要根據(jù)索的變形協(xié)調(diào)方程來(lái)計(jì)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(shí)?跨中*大垂度為 f?此時(shí)對(duì)應(yīng)的張力為 T?水平分量為 H?總的索長(zhǎng)度為 S；溫度變化Δt 時(shí)?跨中*大垂度為 f′?此時(shí)對(duì)應(yīng)的張力為 T′?水平分量為 H′?總的索長(zhǎng)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(zhǎng)度增量為 ΔS1?由于應(yīng)力變化引起的索長(zhǎng)度增量為ΔS2?總的索長(zhǎng)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(guò)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(shí)受力平衡?對(duì)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(guò)調(diào)節(jié)掛索的長(zhǎng)短來(lái)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(jì)?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(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

考慮到本工程建設(shè)時(shí)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(jì)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(lái)平衡的水平分力在溫度變化后不再平衡；從計(jì)算結(jié)果看?降溫后每根索導(dǎo)致中間塔的不平衡力為4?1kN?需要在鐵塔的計(jì)算中加以考慮。

2?4 風(fēng)荷載作用下索的張力和變形

懸索結(jié)構(gòu)的風(fēng)振反應(yīng)分析較為復(fù)雜?本工程中參照輸電鐵塔導(dǎo)線和地線風(fēng)荷載的計(jì)算公式計(jì)算承重索的風(fēng)荷載?并在計(jì)算中將掛索及配件、滑觸線的風(fēng)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(jì)算了索在不同風(fēng)荷載作用下的張力與位移。兩端固定索在基本風(fēng)壓0?23kN／m2（八級(jí)風(fēng)中值）作用下的*大水平偏移為0?47m?八級(jí)橫風(fēng)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(mǎn)足工藝不大于1m 的要求。

3 鐵塔的力學(xué)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(duì)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(wú)縫鋼管。塔架橫擔(dān)在滑觸線連接點(diǎn)處設(shè)計(jì)成滑動(dòng)或活動(dòng)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(chǎng)內(nèi)交通?為滑觸線在端塔處的張拉配重專(zhuān)門(mén)設(shè)置了轉(zhuǎn)換桁架、滑輪組及活動(dòng)鋼梁?在滿(mǎn)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(lèi)型：中間塔和端塔。中間塔在正常使用時(shí)兩側(cè)承重索的水平力平衡?而端塔則需要通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)本身來(lái)抵抗索的張力及其引起對(duì)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(jiàn)圖2。

2?荷載與分析工況

對(duì)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(fēng)向時(shí)的風(fēng)荷載（包括鐵塔本身的風(fēng)荷載與通過(guò)索傳遞至塔架上的風(fēng)荷載）、溫度變化時(shí)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(duì)鐵塔進(jìn)行計(jì)算分析?此外還考慮了中間塔在1根索斷裂時(shí)的偶然組合工況。

3?結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算結(jié)果

本工程采用3D3S 軟件計(jì)算?SAP2000復(fù)核。鐵塔采用空間桿單元模型。3D3S 軟件計(jì)算的主要結(jié)果：在45度風(fēng)作用工況（控制工況?基本風(fēng)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(mǎn)足相應(yīng)規(guī)范的要求。用SAP2000復(fù)核結(jié)果與3D3S 計(jì)算結(jié)果基本一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

“高架滑觸線方案”RTG 油改電項(xiàng)目建成并投入試運(yùn)行后?取得了預(yù)期的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。經(jīng)分析?輪胎吊采用柴油發(fā)電機(jī)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(shí)?輪胎吊省去柴油發(fā)動(dòng)機(jī)后?可以杜絕廢氣排放?降低設(shè)備運(yùn)行噪聲?防止對(duì)環(huán)境的污染。

本文介紹了該項(xiàng)目的索及鐵塔的結(jié)構(gòu)分析過(guò)程?對(duì)于索和塔分開(kāi)計(jì)算時(shí)還需要考慮兩者之間的相互影響及整體協(xié)調(diào)?同時(shí)索塔整體結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下的振動(dòng)與其控制等問(wèn)題需要在今后的實(shí)踐中作進(jìn)一步的研究。