2018浅析结构优化设计在码头改造中的应用
【摘要】结构优化设计是在满足一定约束条件下按预定目标求出最优方案的设计方法。通过结构优化设计降低工程造价是控制工程投资的一个有效途径，因此，正确处理技术与经济的对立统一是控制投资的关键。本文从徐州孟家沟重型码头设备改造项目的工程实例，采用结构优化设计的方法，对原单腿两轮集装箱的起重机设备进行结构优化设计，以满足上部荷载和下部地基基础变形的要求，按结构优化设计原则，分别对单腿五轮和单腿六轮集装箱起重机两套规格设备，从梁的内力分析、构件承载力计算、配筋和裂缝宽度计算及桩基承载力验算等方面进行对比分析，通过对比分析确定六轮集装箱起重机设备为最优方案，通过结构优化设计从而达到降低工程造价的目的。http://
【关键词】结构优化设计工程造价地基基础
0.概述
徐州孟家沟港地处津浦、陇海两大铁路干线，国道104公路，京杭运河的交汇点，是连接铁路、公路、水路运输的咽喉，毗邻全国第二大铁路枢纽―孟家沟铁路枢纽，地理位置十分优越。随着交通运输业的兴旺发达，货运量逐渐增大的发展，徐州孟家沟港码头进行重型设备改造，对现有U36/16T的四轮集装箱起重机设备改进为35t-30m集装箱龙门起重机(图1)。重型设备改造后最大自重近400T(改造前最大自重180T)，现有地基基础不满足上部荷载要求，因此，初步设计方案采用基础补强措施，后经结构优化设计，包括单腿五轮和单腿六轮集装箱起重机设备的比选(图2和图3)，通过对现有泊位门机轨道梁的加固等措施，选用六轮龙门式起重机设备(图3)。
1.参数的选取
按设计方案，35t-30m集装箱龙门起重机荷载进行结构验算、复核、优选轮压分布及加固设计和护轮坎及靠船构件改造设计。选取参数如下：
永久作用：；；
可变作用：前沿堆货荷载；后方桩台堆货荷载；
施工荷载
集中荷载：起重机作用35T-30m集装箱龙门起重机荷载吊重35T。
五轮集装箱起重机，最大轮压为；
六轮集装箱起重机，最大轮压为。
2.码头结构校核计算
1.1梁内力和配筋计算
门机梁截面尺寸：纵梁1断面为：1430×800mm；纵梁2断面为：1210×600mm；
永久作用：面板自重；垫层自重；
纵梁自重
可变作用：面板自重；起重机集中荷载；
本次计算采用Autobank进行建模计算，考虑到梁配筋较多，现对两种方案进行比选。
经过模型计算，得出如下结论：
五轮龙门式起重机前排桩上面的门机纵梁的弯矩最大811，剪力最大为870，最大支座反力为1392；后排桩上面的门机纵梁有地基支撑作用，计算得最大弯矩为535，剪力最大为585，支座反力为665。
六轮龙门式起重机前排桩上面的门机纵梁的弯矩最大634，剪力最大为501，最大支座反力为853；后排桩上面的门机纵梁有地基支撑作用，计算得最大弯矩为526，剪力最大为575，支座反力为654。
1.2构件承载力计算
前排桩上面的门机纵梁1的配筋见图4；后排桩上面的门机纵梁4的配筋见图5。
1.2.1纵梁1截面尺寸验算
取永久荷载、堆货荷载与龙门式起重机集中荷载的组合M=0.7(M1+M2)=831.6
抗弯模量，采用C20砼，，截面影响系数
则梁截面验算：>0.6,纵梁1截面尺寸满足要求。
1.2.2纵梁4截面尺寸验算
取永久荷载、堆货荷载与龙门式起重机集中荷载的组合M=0.7(M1+M2)=438
抗弯模量，采用C20砼，，截面影响系数
则梁截面验算：>0.6,纵梁4截面尺寸满足要求。
1.3配筋计算
根据《港口工程钢筋混凝土结构设计规范》梁的配筋计算公式进行计算，计算结果如下表1和表2：
根据表2的结论可知，六轮轮压下纵梁配筋满足要求。
1.4裂缝宽度计算
根据《港口工程钢筋混凝土结构设计规范》梁的裂缝宽度计算公式
，其中
按上式进行纵梁1和纵梁4在五轮和六轮轮压下裂缝宽度，计算结果详见表3。
根据表3的结论可知，五轮轮压下纵梁的最大裂缝宽度不能满足要求；六轮轮压下纵梁的最大裂缝宽度满足要求。
2.桩的承载力计算
依据地质资料及《建筑桩基技术规范》公式计算得桩的承载力，单桩竖向极限承载力标准值宜按下式估算：
单桩竖向承载力特征值Ra按下式计算：(取2)
经计算，前排桩桩基承载力特征值=1860>853(六轮轮压的支座反力)
同理计算后排桩桩基承载力特征值=1153>565(六轮轮压的支座反力)
综上所述，六轮龙门式起重机纵梁满足上部荷载和下部地基基础承载力及变形的要求。
3.结论
（1）通过结构优化设计采用六轮龙门式起重机方案可满足上部荷载对地基基础强度及变形的要求；
（2）经工程预算，采用现有设备下对地基补强工程造价约1600万元；结构优化设计后造价约600万元。结构优化设计是降低工程造价有效途径。
（3）结构优化设计应充分利用地基基础的承载能力，合理建模，并进行正确的结构计算，同时应树立精品意识，实现安全与经济的最佳结合。
（4）利用现有基础设施应对重要构件进行检测，对存在问题的构件应采取修补、更换等加固措施，如泊位门机轨道梁裂缝检测等。
参考文献
中华人民共和国交通部.JTS144-1-2010 港口工程荷载规范.北京：2010.
中华人民共和国交通部.JTJ267-98 港口工程钢筋混凝土结构设计规范.北京：1998.
郭兴文，王德信.工程结构优化设计.南京：江苏力学，1997.
李锋.浅谈现代建筑结构优化设计.北京：建筑科学，2010.
林同炎，S.D.斯多台斯伯利.结构概念和体系(第2版).北京：中国建筑工业出版社，1999.
作者简历：赵子训，男，1983年毕业于大连理工大学港口工程专业，高级工程师，现从事交通水运工程技术工作；
龚逢明，男，2000年毕业于彭城大学建筑工程专业，工程师。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
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