碼頭與引橋連接結(jié)構(gòu)的設(shè)置問題探討

李越松，陳志樂，汪高星

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室 水工構(gòu)造物檢測(cè)、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300456；2.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100007)

碼頭與引橋連接結(jié)構(gòu)的設(shè)置問題探討

李越松1，陳志樂2，汪高星2

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室 水工構(gòu)造物檢測(cè)、
診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300456；2.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100007)

文章介紹了引橋式碼頭的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)型式、布置方式，主要針對(duì)引橋與碼頭連接部位常見的結(jié)構(gòu)性破壞進(jìn)行了總結(jié)描述，通過工程實(shí)例分析了發(fā)生結(jié)構(gòu)破損的原因，并對(duì)此類型碼頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了建議。

引橋；碼頭；連接結(jié)構(gòu)

高樁碼頭是碼頭的三大結(jié)構(gòu)型式之一[1]，廣泛分布于沿海、河口及河流下游的沖積軟土地區(qū),這些區(qū)域往往坡面平緩。高樁碼頭的平面布置型式有滿堂式和引橋式兩種[2]，如果將碼頭布置成連岸式的型式，就需要有大量的回填或開挖。有時(shí)在碼頭貨量較少或貨種為散貨或流體時(shí)，可將碼頭布置成離岸引橋式(有時(shí)也稱作“棧橋式”)，貨物可通過流動(dòng)運(yùn)輸機(jī)械、傳送帶或管道運(yùn)送至后方場地。這種平面布置型式能大大減小工程造價(jià)，所以在河口區(qū)域廣泛采用。

但通過多年的工程實(shí)踐，引橋式布置形式也存在一定的問題。在河口區(qū)域靠泊的船舶等級(jí)一般比較大，加上河口區(qū)域水流較大，船舶對(duì)碼頭產(chǎn)生的水平作用力也很大，往往會(huì)對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)造成一定的威脅。本文通過對(duì)引橋式碼頭的調(diào)查檢測(cè)，指出該類型碼頭發(fā)生的破損問題及特點(diǎn)，希望對(duì)今后的引橋式高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 引橋式碼頭的結(jié)構(gòu)型式

引橋式碼頭主要有重力式和高樁式兩種型式。重力式引橋碼頭主要建于地質(zhì)條件較好的海岸，為滿足大型泊位的水深條件，多采取這種結(jié)構(gòu)形式。碼頭部分一般采用沉箱墩式結(jié)構(gòu)，碼頭中部為工作平臺(tái)，兩端設(shè)置靠船墩和系船墩。引橋部分基礎(chǔ)也采用沉箱墩式結(jié)構(gòu)，橋面采用預(yù)應(yīng)力梁板結(jié)構(gòu)或鋼桁架結(jié)構(gòu)。高樁式引橋碼頭主要建于沿海有沉積地層的河口區(qū)域，由于沖積區(qū)域地勢(shì)平坦，為滿足水深條件，往往布置成引橋型式。碼頭部分一般采用高樁梁板結(jié)構(gòu)或結(jié)合高樁墩臺(tái)的結(jié)構(gòu)型式，引橋部分大多采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，視引橋的長短決定是否設(shè)置斜樁。

引橋的平面布置主要有單引橋和多引橋兩種型式。對(duì)于采用管道或輸送帶傳輸?shù)氖?、礦石或煤碼頭等，由于不需要流動(dòng)運(yùn)輸機(jī)械，所以可減少引橋的數(shù)量，設(shè)置為單引橋型式。對(duì)于散雜貨碼頭、集裝箱碼頭等多布置成雙引橋型式，往往是多個(gè)泊位共用引橋，有利于裝卸作業(yè)時(shí)的交通管理[3]。

2 常見的結(jié)構(gòu)問題

引橋式碼頭除有諸多優(yōu)點(diǎn)之外，也存在一些缺點(diǎn)：(1)碼頭主體遠(yuǎn)離岸邊，缺少來自岸壁的支撐，勢(shì)必會(huì)減小碼頭抵抗船舶力、波浪力等水平力的能力。這種情況對(duì)于高樁碼頭尤其明顯，大潮差區(qū)域的高樁碼頭樁的自由段相對(duì)較長，導(dǎo)致碼頭上部結(jié)構(gòu)的剛度較小，不能承受大的水平力。對(duì)于重力引橋式碼頭，碼頭的墩體高度相對(duì)較高，這樣對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震有不利影響；(2)碼頭主體與引橋的連接部位受力復(fù)雜，結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生受力破損。引橋與碼頭存在一定的夾角，這樣會(huì)使來自不同方向的力(如船舶擠靠力、沿流方向的系纜力、溫度應(yīng)力等)疊加作用于連接部位，由于這種力的組合比較復(fù)雜，難于從設(shè)計(jì)上設(shè)防，所以結(jié)構(gòu)破損的概率大大提高。這些結(jié)構(gòu)破損問題多發(fā)于高樁式引橋碼頭，重力式引橋碼頭基本沒有發(fā)生。

3 工程案例

3.1東北某港

圖1 碼頭平面布置簡圖Fig.1 Plane layout diagram of wharf

該港位于東溝平原的鴨綠江西水道入?？诘慕７纸缇€、大東溝與廟溝之間的三角灘地處，早期建設(shè)2#～5#四個(gè)萬t級(jí)泊位，為高樁梁板式棧橋碼頭。四個(gè)碼頭全長704 m，碼頭平面簡圖如圖1所示，3#泊位碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖如圖2所示。碼頭前方14 m范圍內(nèi)碼頭面設(shè)計(jì)荷載為2 tm2，后方22 m范圍內(nèi)碼頭面設(shè)計(jì)荷載為3 tm2。該碼頭3#泊位建于1986年，1988年上半年投入使用；2#、4#和5#泊位續(xù)建于1991年，1994年投入生產(chǎn)；3#泊位于1996年升級(jí)改造為5萬t級(jí)泊位。引橋?yàn)楦邩读喊迨浇Y(jié)構(gòu)，總長400.8 m，橋?qū)?7 m，共27排樁基排架。引橋與碼頭的夾角為35°。

圖2 3#碼頭斷面圖Fig.2 Cross-sectional drawing of No.3 wharf

該碼頭的引橋與3#碼頭的北端連接。引橋?yàn)楦邩读喊迨浇Y(jié)構(gòu)，設(shè)有叉樁。引橋與碼頭結(jié)構(gòu)連接采用簡支渡板搭接。2000年以前，由于碼頭吞吐量小，靠泊的船舶也比較小，引橋和碼頭連接部位沒有出現(xiàn)破損情況。2000～2005年期間，隨著碼頭吞吐量提升，靠泊船舶的噸位和頻次也有所提升，該段期間內(nèi)引橋和碼頭連接部位開始顯現(xiàn)了輕微的破損。2005～2008年期間泊位的利用率和噸位大大提高，破損速度非常明顯，引橋與碼頭連接部位的碼頭結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了嚴(yán)重的破損，主要體現(xiàn)在連接部位的橫梁出現(xiàn)嚴(yán)重的端部劈裂。另外連接區(qū)域的面板同橫梁搭接出現(xiàn)了明顯的錯(cuò)動(dòng)。縱橫梁節(jié)點(diǎn)下方樁帽出現(xiàn)斜向劈裂，連接部位的邊板出現(xiàn)斷裂。這些破損呈現(xiàn)明顯的水平力和扭轉(zhuǎn)掰裂的特征[4]。經(jīng)過分析認(rèn)為，這些力主要包括來自引橋方向的水平推力、沿碼頭前沿線方向的船舶系纜力、溫度應(yīng)力、垂直于碼頭前沿線方向的船舶擠靠力及撞擊力等。

3.2北侖某碼頭

該碼頭位于杭州灣口外金塘水道南岸，寧波市北侖山和巖河西側(cè)，5萬t級(jí)散貨(兼靠8萬t散糧船)，1998年6月30日竣工。該碼頭系引橋式高樁碼頭結(jié)構(gòu)，碼頭總長度250 m，碼頭平臺(tái)寬27.5 m。碼頭系梁板式高樁結(jié)構(gòu)，共分4個(gè)結(jié)構(gòu)段，排架間距為6.0 m，每個(gè)排架上布置8根樁(5根叉樁、3根直樁)，其中前軌道梁下部設(shè)置一根直樁和一根叉樁，后軌道梁下為一對(duì)叉樁，基樁均采用600 mm×600 mm預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁。上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆橫梁，預(yù)制軌道梁，預(yù)制邊、縱梁，疊合面板，預(yù)制鋼筋混凝土靠船構(gòu)件，依靠現(xiàn)澆橫梁和現(xiàn)澆面板將碼頭連接成整體。

引橋長361.5 m，總寬度為18.6 m，跨徑18 m，車道寬度7.3 m。橋體采用高樁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)，共20排；上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力空心大板，系簡支結(jié)構(gòu)；從岸邊開始，第1處墩臺(tái)下設(shè)置單排共6根Ф1 200 mm鉆孔灌注樁，第2至第12處墩臺(tái)的每處墩臺(tái)下設(shè)置2排共10根600 mm×600 mm預(yù)應(yīng)力混凝土空心方直樁，第13至第20處墩臺(tái)的每處墩臺(tái)下設(shè)置2排共10根600 mm×600 mm預(yù)應(yīng)力混凝土空心方叉樁。碼頭及樁基布置如圖3所示，碼頭結(jié)構(gòu)斷如圖4所示。

2014年對(duì)該碼頭檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，靠近碼頭的引橋墩臺(tái)下有3根樁開裂，開裂部位位于樁頂附近，裂縫為橫向貫通環(huán)縫，表明樁已經(jīng)斷開。該墩臺(tái)上布置兩排樁，開裂的3根樁均位于靠岸側(cè)，裂縫特征及位置特征明顯，可以判斷為受力裂縫。

3.3溫州某碼頭

以上兩個(gè)碼頭結(jié)構(gòu)均為一個(gè)承臺(tái)，未分前、后承臺(tái)。溫州甌江邊有數(shù)座引橋式高樁碼頭，碼頭結(jié)構(gòu)型式基本相同，碼頭結(jié)構(gòu)分前、后承臺(tái)，前承臺(tái)設(shè)置叉樁承受水平力，后承臺(tái)設(shè)置直樁承受垂直力。引橋與后承臺(tái)間設(shè)置分縫，引橋端部排架間距減小，并設(shè)置了橫撐梁，加強(qiáng)引橋端部結(jié)構(gòu)的剛度。碼頭樁位圖如圖5所示。現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)引橋結(jié)構(gòu)狀況良好。

圖3 碼頭及引橋樁位簡圖Fig.3Sketchofpilepositionofwharfandapproachbridge圖4 碼頭斷面圖Fig.4Wharfcross-sectionaldrawing圖5 碼頭樁位示意圖Fig.5Sketchofpilepositionofwharf

4 原因分析

針對(duì)上述引橋與碼頭連接部位發(fā)生的破壞問題，我們簡要分析了其破壞的原因主要為：(1)開裂主要是由水平力引起的。從結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)不難判斷，力的作用是引起破壞的根本原因。第一個(gè)案例中，力的來源是多方面的，包括船舶力、溫度應(yīng)力等。船舶等級(jí)的提高勢(shì)必會(huì)加大對(duì)碼頭的作用力，有時(shí)甚至出現(xiàn)了船舶擱淺斜靠的情況，十分危險(xiǎn)。引橋與碼頭呈斜交或垂直布置，因?yàn)橐龢虻某叨容^長，熱脹冷縮時(shí)會(huì)對(duì)碼頭產(chǎn)生很大的橫向水平力[5]。另外岸坡土體的變形也會(huì)造成引橋及碼頭間的水平位移差，從而使得兩者之間產(chǎn)生水平方向的擠壓力[6]；(2)在河口地區(qū)水流速大，船舶擠靠力和系纜力會(huì)很大，加之碼頭結(jié)構(gòu)整體剛度相對(duì)較小，故會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的變形，容易在整體結(jié)構(gòu)的斷面變化、剛度變化及連接部位產(chǎn)生應(yīng)力集中的效應(yīng)，從而造成結(jié)構(gòu)破壞；(3)引橋與碼頭連接結(jié)構(gòu)設(shè)置不合理。上述兩個(gè)碼頭與引橋均沒有設(shè)置分縫，未將碼頭和引橋完全分開，只是通過簡支板簡單搭接過渡，這樣會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的變形產(chǎn)生一定的約束，從而造成局部應(yīng)力過大而破壞。案例三中碼頭引橋和前承臺(tái)間由后承臺(tái)隔開，前承臺(tái)承受了水平力，不會(huì)傳遞到引橋，這樣結(jié)構(gòu)受力清晰，避免了引橋結(jié)構(gòu)的破壞；(4)裂縫產(chǎn)生后，環(huán)境介質(zhì)因素會(huì)加劇裂縫的發(fā)展。比如北方寒冷季節(jié)時(shí)裂縫內(nèi)毛細(xì)水的結(jié)冰膨脹作用和南方炎熱地區(qū)海水中氯離子的侵蝕作用，都會(huì)促進(jìn)裂縫的發(fā)展進(jìn)而破壞結(jié)構(gòu)的性能。

5 典型案例數(shù)值模擬分析

5.1數(shù)學(xué)模型建立

圖6 碼頭與棧橋連接段有限元模型Fig.6Finiteelementmodelforconnectionofwharfandtrestle圖7 碼頭上部結(jié)構(gòu)整體變形圖Fig.7Overalldeformationoftheupperstructureofwharf

針對(duì)本文3.1節(jié)所述的碼頭，為了分析碼頭與引橋連接處結(jié)構(gòu)破壞的原因，我們選取3#泊位與棧橋相連的一個(gè)結(jié)構(gòu)段為分析對(duì)象，該結(jié)構(gòu)段由10個(gè)橫向排架組成，排架間距7 m，結(jié)構(gòu)段總長63 m。采用ANSYS大型有限元軟件對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模[7]，有限元模型如圖6所示。計(jì)算荷載為5萬t散貨船的擠靠力。梁系結(jié)構(gòu)內(nèi)力如圖7所示。

5.2計(jì)算結(jié)果

圖8 連系梁中應(yīng)力分布圖Fig.8 Stress distribution diagram of tie beam

由圖7可以看出，右側(cè)的4個(gè)排架由于棧橋的約束作用，橫向變形較小，雖然這對(duì)提高碼頭的水平剛度是有利的，但這個(gè)約束作用也給結(jié)構(gòu)造成很大并且復(fù)雜的內(nèi)力從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。圖8是碼頭中的一個(gè)連系梁構(gòu)件應(yīng)力分布圖，發(fā)生了很明顯扭轉(zhuǎn)變形，與碼頭實(shí)體中連系梁端部開裂十分吻合。因?yàn)槲覀兺ǔＴO(shè)計(jì)碼頭結(jié)構(gòu)時(shí)，并沒有特別考慮構(gòu)件的抗扭性能，所以容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)開裂。通過這個(gè)案例，可以明顯看出碼頭和引橋間存在著力傳遞，對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)造成不利的影響。

6 結(jié)論及建議

通過以上兩個(gè)工程實(shí)例可以看出，引橋式高樁碼頭的引橋與碼頭連接部位是容易發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞的部位，在碼頭設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮。首先建議將與引橋連接的碼頭區(qū)域設(shè)置成獨(dú)立的結(jié)構(gòu)段，增加該結(jié)構(gòu)段的斜樁數(shù)量，加大碼頭及引橋結(jié)構(gòu)的水平剛度。另外，應(yīng)設(shè)置結(jié)構(gòu)縫將碼頭結(jié)構(gòu)和引橋結(jié)構(gòu)分開，避免力的傳遞。如果設(shè)置渡板，建議用鋼結(jié)構(gòu)渡板，并設(shè)置滾動(dòng)支座，盡量避免應(yīng)力集中。也可通過設(shè)置后承臺(tái)的方式，隔開來自前承臺(tái)的水平力，從而避免連接部位結(jié)構(gòu)破壞。

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Discussion on the connection structure of wharf and approach bridge

LIYue-song1,CHENZhi-le2,WANGGao-xing2

(1.TianjinResearchInstituteforWaterTransportEngineering，NationalEngineeringLaboratoryforPortHydraulicConstructionTechnology,KeyLaboratoryofHarbor&MarineStructureSafety，
MinistryofTransport，Tianjin300456，China；2.WaterTransportPlanningandDesignCo.,Ltd.,ChinaCommunicationsConstructionCompanyLimited,Beijing100007,China)

In this paper, the characteristics of pier with approach trestle, its structural styles and the arrangement were introduced. Common structural damages appeared on the connections between the pier and the bridge approach were discussed in detail. The causes of the structural damage were analyzed through engineering examples, and some suggestions were put forward for the structural design of this type of pier.

approach bridge; wharf; junction structure

2017-02-17；

2017-04-15

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(TKS140210)

李越松(1977-) ,男,河北省廊坊人,副研究員,主要從事港口結(jié)構(gòu)與土體相互作用研究。

Biography:LI Yue-song(1977-) ,male , associate professor.

TU 473

A

1005-8443(2017)05-0517-04