高樁梁板碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

徐旭東 楊巖松 中設(shè)科欣設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司

1.高樁梁板碼頭的類型

1.1 平面布置

梁板式高樁碼頭根據(jù)不同的平面布置方式可以分成不同的類型，如連片式、引橋式、墩式、滿堂式等[1]。其中，連片式就是在平面結(jié)構(gòu)中平臺(tái)之間連成了一片，引橋式就是在平面結(jié)構(gòu)中可以看到碼頭的平臺(tái)與岸邊之間是通過橋梁的連接來完成的，墩式就是在平面布置中碼頭前沿下面設(shè)置有船蹲，然后再用橋連起來，滿堂式是在平面布置中碼頭與岸直接相連。

1.2 樁臺(tái)的寬度及擋土結(jié)構(gòu)

梁板式高樁碼頭根據(jù)不同的寬度以及不同的擋土結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行不同的分類。有寬樁臺(tái)和窄樁臺(tái)兩種。寬樁臺(tái)的樁臺(tái)是寬的，用到更多的結(jié)構(gòu)，擋土結(jié)構(gòu)的具體設(shè)置也與碼頭相連接，與碼頭形成一個(gè)整體，但可以分開運(yùn)作[2]。較強(qiáng)的承受能力要求寬樁臺(tái)高樁碼頭在構(gòu)建中考慮復(fù)雜的受力情況，以及用叉樁實(shí)現(xiàn)寬樁臺(tái)高樁碼頭的整體建設(shè)。窄樁臺(tái)的碼頭就不需要使用叉樁，較為簡(jiǎn)單。

1.3 上部結(jié)構(gòu)

梁板式高樁碼頭根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的不同可以分為不同的類型。有梁板式和桁架式這兩種類型。在梁板式這種類型中，碼頭的結(jié)構(gòu)包括橫梁、縱梁、樁帽、面板等，是這些構(gòu)件的綜合組成[3]。梁板式碼頭的受力能力較強(qiáng)，能夠適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下的受力，同時(shí)還具有較快的施工速度，可以快速完成。在桁架式碼頭這種類型中，碼頭的結(jié)構(gòu)是固定的，只有三個(gè)部分，即：面板、縱梁、桁架。這使得桁架式碼頭具有良好的整體性，能夠使碼頭承受更多的力量。

2.案例工程概況

浙江騰云物流有限公司將投資建設(shè)一個(gè)可以承載3000噸貨物的運(yùn)輸碼頭工程。該工程位于臺(tái)州市椒江區(qū)海門港區(qū)。這個(gè)工程的范圍在牛頭頸作業(yè)區(qū)東部，椒江口南岸椒江二橋以東與萬昌船廠以西。地理位置坐標(biāo)121°28′27"E，28°40′43"N（具體見圖1）。工程建設(shè)的內(nèi)容包括一座3000噸級(jí)別碼頭、一個(gè)3000噸級(jí)泊位，以及防撞墩共計(jì)4座、橡膠護(hù)舷、連接錨鏈等。該工程占用的海岸線長度共計(jì)132米。工程建成后預(yù)計(jì)年吞吐量可以達(dá)到218萬噸。

圖1 具體工程位置圖

3.案例工程高樁梁板碼頭整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

3.1 總平面布置設(shè)計(jì)

本工程要建成的碼頭將具備3000噸級(jí)的泊位，總長132米。該碼頭的建設(shè)基地處的河床基本平坦，碼頭的前沿放置于-3米的等深線處，方向平行于水流的方向。碼頭建設(shè)的平臺(tái)使用的是高樁平臺(tái)與靠船平臺(tái)相結(jié)合的方式，同時(shí)設(shè)立引橋裝置，其中，高樁平臺(tái)和引橋裝置采用的是高樁梁板式結(jié)構(gòu)，靠船平臺(tái)采用的是高樁蹲式結(jié)構(gòu)。高樁平臺(tái)、靠船平臺(tái)、引橋的尺寸分別為125x21m、7x21m、135.35m x10m。該碼頭建筑的平臺(tái)前面繼續(xù)停泊水域和橢圓形回旋水域的布置，尺寸分別為33.2m和270x162m。進(jìn)港路線與碼頭的東側(cè)平臺(tái)相連接，然后進(jìn)入碼頭。設(shè)計(jì)的進(jìn)港路線有兩個(gè)方向，有163m寬，底標(biāo)高為-5.30m。對(duì)于船舶乘潮進(jìn)入港區(qū)是可以實(shí)現(xiàn)的。在碼頭設(shè)置的水域范圍內(nèi)的上游布置防撞墩共計(jì)4座，從南向北的編號(hào)依次為1#～4#，之間的距離為30m，一字排開，總長度有128m。1#～3#防撞墩的平面尺寸為9mx8m，4#防撞墩的平面尺寸為11mx8m。1#～3#防撞墩的設(shè)防航速為2.5節(jié)，4#防撞墩的設(shè)防航速為3節(jié)。在防撞墩的正面還設(shè)置了橡膠護(hù)舷，是拱形的，每?jī)蓚€(gè)防撞墩之間還設(shè)置了阻攔錨鏈。1#防撞墩與碼頭的前沿線齊平，1#防撞墩與椒江二橋橋墩齊平。

3.2 高樁梁板碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本案例工程設(shè)計(jì)的高樁梁板碼頭這個(gè)平臺(tái)的長和寬分別為132m和21m，一共分3段進(jìn)行設(shè)計(jì)與構(gòu)建，在1985國家高程基準(zhǔn)中，平臺(tái)頂部的高程為5.00m。每一段結(jié)構(gòu)的尺寸分別為66mx21m、59mx21m、間距7m，下設(shè)有6根PHC管樁，半徑為800mm，型號(hào)為PHC800B110，3斜3直。上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆橫梁、管溝梁、軌道梁、預(yù)制縱梁、250mm預(yù)制面板、120mm 厚現(xiàn)澆層和30mm～55mm厚磨耗層。具體設(shè)計(jì)圖如圖2所示。在軌道梁的上面安裝有QU80鋼軌、頂升裝置、車擋等。碼頭的前面部分設(shè)置有可以進(jìn)行靠船的裝置，裝有橡膠護(hù)舷，也稱為橡膠舷梯，型號(hào)采用的是DA-A400H，頂部設(shè)置有系船柱，采用的型號(hào)是550kN。結(jié)構(gòu)段采用的平面尺寸設(shè)計(jì)的是7mx21m，上部采用現(xiàn)澆墩臺(tái)，前沿進(jìn)行靠船構(gòu)件的設(shè)計(jì)。每一排都設(shè)置6跟基樁，采用的型號(hào)為PHC800B110，其中有3根是斜的，傾斜比例為6：1，3根為直的，樁端進(jìn)入持力層，而且每一個(gè)基樁都建立在比基樁的直徑大于1倍的圓礫層上面。在漁船或者是貨船進(jìn)入碼頭的過程中，難免會(huì)對(duì)基樁產(chǎn)生碰撞，為了防止這種碰撞現(xiàn)象的出現(xiàn)，在碼頭的東面和后面部分設(shè)置了可以進(jìn)行靠船的結(jié)構(gòu)，同時(shí)在碼頭的東面設(shè)置一個(gè)橡膠護(hù)舷，但是在碼頭的后面不進(jìn)行該裝置的設(shè)置。設(shè)計(jì)引橋?qū)崿F(xiàn)碼頭與陸地的連接，設(shè)計(jì)的引橋長13535m，寬10m，采用的結(jié)構(gòu)是高樁梁板式。引橋下面的排架之間的距離為12m，每一排都采用管樁或鉆孔灌注樁。引橋的上部結(jié)構(gòu)則是由帽梁、600mm厚空心板、120mm厚現(xiàn)澆層和20mm～40mm 厚磨耗層組成。

圖2 碼頭斷面設(shè)計(jì)圖

3.3 設(shè)計(jì)船型與兼顧船型

根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS165-2013)和目前椒（靈）江實(shí)際運(yùn)營的船舶情況，確定本工程設(shè)計(jì)船型尺度見表1。

表1 設(shè)計(jì)代表船型主尺度表

3.4 荷載設(shè)計(jì)

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010）有關(guān)規(guī)定，各種荷載確定如下：

船舶荷載：（1）船舶系纜力標(biāo)準(zhǔn)值：按水流力和風(fēng)速22.0m/s共同影響計(jì)算，并結(jié)合《港口工程荷載規(guī)范》(JTS144-1-2010)第10.2節(jié)表10.2.5-2中規(guī)定，經(jīng)計(jì)算，5000 噸級(jí)貨船系纜力計(jì)算結(jié)果為524kN，設(shè)計(jì)選用550kN系船柱。（2）船舶撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值：首先是船舶對(duì)碼頭撞擊力。根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010）第10.2節(jié)規(guī)定，能夠放下5000 噸級(jí)別貨物的碼頭在船靠岸的過程中共需要105.08kJ能量，因此本工程的護(hù)舷采用的是500H 拱形橡膠護(hù)舷，在該型號(hào)的性能曲線中查到本工程采用的500H拱形橡膠護(hù)舷對(duì)應(yīng)的反力為802.8kN[4]，本工程撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值為802.8kN。在船舶與防撞結(jié)構(gòu)的碰撞過程中，會(huì)發(fā)生非常復(fù)雜的力的作用，風(fēng)浪、水流等環(huán)境因素以及船舶的大小、行進(jìn)的速度、裝載的貨物的重量、船體的結(jié)構(gòu)、船體的材料、船體的強(qiáng)度、船體的剛度等因素都會(huì)使力發(fā)生非常復(fù)雜的變化。同時(shí)，這與防撞結(jié)構(gòu)的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，駕駛員的反應(yīng)速度等都息息相關(guān)，因此，想要實(shí)現(xiàn)撞擊力的具體確定是非常困難的。該工程設(shè)計(jì)中參考系列規(guī)范進(jìn)行撞擊力的計(jì)算，結(jié)果為5900kN/3節(jié)航速、3980kN/2.5節(jié)航速。

此外，對(duì)采用的工藝荷載進(jìn)行計(jì)算，包括碼頭的均載、引橋的均載、裝卸運(yùn)輸設(shè)備的均載、流動(dòng)機(jī)械的均載、水流的均載、波浪力的均載等。

4.計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力

4.1 建立結(jié)構(gòu)計(jì)算的模型

在工程中采用ansys做結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析，在本工程中，所涉及到的模型較大并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此選用實(shí)體建模的方式，單元網(wǎng)格的劃分主要是使用映射網(wǎng)格的劃分方式[5]。該軟件在高樁板梁式碼頭模塊中能夠?qū)崿F(xiàn)多種載荷的處理、多種力的作用效應(yīng)的計(jì)算、具體某個(gè)截面的承載力的計(jì)算與驗(yàn)算、單個(gè)樁能承受的極限力計(jì)算、碰樁的驗(yàn)算等多種類型的計(jì)算。該系統(tǒng)包括三個(gè)模塊，分別為計(jì)算核心模塊、圖形處理模塊、輔助功能模塊。在使用該系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算時(shí)采用的步驟是常規(guī)步驟，一共分為四步。第一步是進(jìn)行工程基本參數(shù)的輸入，包括結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)、樁端的支撐類型、樁基嵌的固點(diǎn)深度、排架間距、設(shè)計(jì)水位等。文中輸入的上述參數(shù)分別為二級(jí)、摩擦端承樁、M值、7m、高低水位等。第二步是進(jìn)行第一步輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型的建立，包括縱橫梁的結(jié)構(gòu)模型、面板的結(jié)構(gòu)模型、靠船構(gòu)件的結(jié)構(gòu)模型、水平撐的結(jié)構(gòu)模型、樁基的結(jié)構(gòu)模型等。第三步進(jìn)行載荷組合，即根據(jù)不同的條件設(shè)計(jì)不同的載荷方式，并進(jìn)行相應(yīng)載荷方式的參數(shù)輸入。第四步根據(jù)第二步的模型和第三步輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)力、位移等的計(jì)算。

4.2 計(jì)算位移

在位移的計(jì)算過程中參考該碼頭所采用的設(shè)計(jì)施工規(guī)范，進(jìn)行碼頭的水平位移的計(jì)算。在計(jì)算水平位移的過程中考慮的主要是船舶在受到外部撞擊力的時(shí)候產(chǎn)生的位移，包括船舶即將靠岸和船舶已經(jīng)靠岸的形式。在船舶靠岸的過程中，需要考慮一個(gè)護(hù)舷吸收能量，其吸收能為E=801Kj，對(duì)應(yīng)的反力為P=1140kN；在船舶已經(jīng)靠岸的過程中，需要計(jì)算三個(gè)護(hù)舷吸收能量，其中單個(gè)的護(hù)舷吸收能為E=100Kj，對(duì)應(yīng)的反力為 P=800kN。

4.3 計(jì)算樁基內(nèi)力

在本工程中設(shè)計(jì)采用的樁基包括預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土樁和鉆孔灌注樁兩種。因此，這種設(shè)計(jì)決定了需要在計(jì)算中考慮到海水的腐蝕性對(duì)樁基的影響，因此，計(jì)算樁基內(nèi)力分為兩個(gè)階段[5]。第一階段計(jì)算的是鋼筋和樁芯混凝土的樁基內(nèi)力，第二階段計(jì)算的是鋼筋完全腐蝕之后剩余的樁芯混凝土的樁基內(nèi)力。文中計(jì)算第一階段的樁基內(nèi)力時(shí)要計(jì)算三個(gè)部分，包括極限狀態(tài)、正常狀態(tài)、地震狀態(tài)下的計(jì)算。計(jì)算第二階段的樁基內(nèi)力時(shí)要計(jì)算兩個(gè)部分，一個(gè)是極限狀態(tài)一個(gè)是正常狀態(tài)，不需要進(jìn)行地震狀態(tài)下的計(jì)算，但是在極限狀態(tài)中的計(jì)算應(yīng)將樁基內(nèi)力按照抗彎剛度成比例分配。

4.4 計(jì)算結(jié)構(gòu)配筋

在案例碼頭中，碼頭的上部結(jié)構(gòu)采用的是一種雙向預(yù)應(yīng)力整體式箱板結(jié)構(gòu)，并將這種結(jié)構(gòu)沿著碼頭縱軸的方向進(jìn)行安裝。在碼頭橫軸方向采用后張無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力，在碼頭縱軸方向采用后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力。因此，這種組合的方式會(huì)使得該碼頭大大降低雙向預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)對(duì)其影響，這種影響甚至可以忽略不計(jì)，所以在進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋的計(jì)算時(shí)，將其忽略。在進(jìn)行縱向的預(yù)應(yīng)力配筋計(jì)算的時(shí)候，要將碼頭上部結(jié)構(gòu)的縱向拼接考慮進(jìn)去，在拼接處的承載力比不在拼接處的承載力低，在拼接處會(huì)有次應(yīng)力影響。因此，在計(jì)算過程中內(nèi)力的值要進(jìn)行相應(yīng)的放大，論文取1.2倍放大值，以增加結(jié)構(gòu)安全性。采用的配筋方案具體為：在結(jié)構(gòu)拼裝之前橫向預(yù)應(yīng)力已經(jīng)存在，拼裝后才會(huì)有縱向預(yù)應(yīng)力的存在，因此橫向預(yù)應(yīng)力為直線配筋，面板中心的縱向預(yù)應(yīng)力為曲線配筋，肋梁為直線配筋。這樣可以使面板中心的截面有抗裂功能。方案中采用的預(yù)應(yīng)力筋都為15.2鋼絞線，橫向無黏結(jié)處的線束張拉控制應(yīng)力為0.75fptk，縱向有黏結(jié)處的線束張拉控制應(yīng)力為0.7fptk。

5.結(jié)語

碼頭作為重要的海事運(yùn)輸場(chǎng)所，可以為我國的海事發(fā)展提供基礎(chǔ)平臺(tái)。高樁碼頭結(jié)構(gòu)作為碼頭最常使用的結(jié)構(gòu)之一，其重要性可見一斑。本文結(jié)合浙江騰云物流有限公司建設(shè)的3000噸級(jí)貨運(yùn)碼頭這項(xiàng)案例，進(jìn)行了具體的總體設(shè)計(jì)、碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、載荷設(shè)計(jì)及具體的內(nèi)力計(jì)算。通過分析高樁梁板碼頭的設(shè)計(jì)要素以及其具體的載荷限度，看到高樁梁板碼頭降低工程造價(jià)的意義。文章結(jié)論可供相似項(xiàng)目進(jìn)行參考。