內(nèi)河現(xiàn)澆高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)

江斌，陳孝建

（江西省港航設(shè)計(jì)院有限公司，江西 南昌 330008）

在長(zhǎng)江中下游地區(qū)內(nèi)河碼頭設(shè)計(jì)中，由于高低水位差較大，經(jīng)常采用高樁框架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以隨著水位的升降實(shí)現(xiàn)船舶的多層系靠。高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性技術(shù)環(huán)節(jié)主要有結(jié)構(gòu)段劃分、多層系纜設(shè)計(jì)、樁基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)計(jì)算等。這些關(guān)鍵環(huán)節(jié)中有些在規(guī)范中有規(guī)定，有些沒有規(guī)定。雖然有些技術(shù)環(huán)節(jié)在規(guī)范中有規(guī)定，但在港口工程設(shè)計(jì)文件或者實(shí)際設(shè)計(jì)考慮中普遍存在疏漏或表達(dá)不夠充分的情況，甚至出現(xiàn)誤解或執(zhí)行不力的問題；也有一些在規(guī)范中并沒有明確。為了形成更趨完善、合理的技術(shù)環(huán)節(jié)，在正確理解規(guī)范的基礎(chǔ)上，需要建立一套完整、合理的思維體系，并將其運(yùn)用于設(shè)計(jì)過(guò)程之中。本文對(duì)現(xiàn)澆高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行闡述，對(duì)類似設(shè)計(jì)具有參考意義。

1 結(jié)構(gòu)方案的確定

1.1 結(jié)構(gòu)段的劃分

影響高樁碼頭伸縮縫間距設(shè)置的因素較多，如溫差、上部結(jié)構(gòu)形式、樁基剛度、樁基布置等。沉降縫主要考慮荷載和地質(zhì)狀況，一般與伸縮縫合并處理設(shè)置結(jié)構(gòu)縫?！洞a頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（JTS 167-2018）》第5.1.10條規(guī)定[1]：碼頭樁臺(tái)應(yīng)設(shè)置伸縮縫和沉降縫。對(duì)于高樁梁板碼頭現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)不宜大于35m 一段，對(duì)于裝配預(yù)制高樁梁板碼頭取60—70m 一段。預(yù)制結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)段一般較現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)要長(zhǎng)，這是由于預(yù)制混凝土構(gòu)件已基本完成收縮，故伸縮縫的間距可適當(dāng)加大。

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2010）》表8.1.1[2]，對(duì)于露天的裝配式排架結(jié)構(gòu)和裝配式框架結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距分別為70m 和50m。此外柱高低于8m 的排架結(jié)構(gòu)伸縮縫間距宜適當(dāng)減小。這是由于結(jié)構(gòu)剛度的不同而導(dǎo)致的差異，框架結(jié)構(gòu)剛度大，會(huì)對(duì)混凝土的收縮產(chǎn)生更大的約束應(yīng)力，從而更容易導(dǎo)致開裂。

設(shè)計(jì)者應(yīng)結(jié)合規(guī)范，并通過(guò)有效的分析或計(jì)算慎重考慮各種因素對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和裂縫的影響，確定合理的伸縮縫間距。

1.2 多層系纜分層高度的確定

由于河道水深和航行條件的限制，內(nèi)河船舶尺度較小，船舶滿載時(shí)干舷較低，為了滿足不同水位下船舶系靠泊要求，碼頭結(jié)構(gòu)通常需要布置多層系船柱或浮式靠船設(shè)施，分層高度可取為3—4m[3]。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)往往在這個(gè)區(qū)間取值確定分層，分層高度的選擇欠考慮，具有隨意性。實(shí)際在考慮分層高度時(shí)尚需要結(jié)合船舶在較低水位靠泊時(shí)，船舶干舷與系纜平臺(tái)的相對(duì)高度以滿足人員上下船的要求，隨意分層可能導(dǎo)致船上人員上下不便，并且需盡可能地減少分層層數(shù)以降低結(jié)構(gòu)造價(jià)。

1.3 框架結(jié)構(gòu)中斜撐的設(shè)置

在一些高樁框架碼頭中常常設(shè)置斜撐來(lái)增加結(jié)構(gòu)整體剛度，且一般設(shè)置于立柱與縱橫撐節(jié)點(diǎn)處，斜撐的設(shè)置導(dǎo)致該處節(jié)點(diǎn)連接較為繁雜，實(shí)際施工時(shí)較為不便，有些項(xiàng)目施工單位直接請(qǐng)求變更設(shè)計(jì)申請(qǐng)取消斜撐的設(shè)計(jì)。

從計(jì)算結(jié)果比較來(lái)看，斜撐的設(shè)置對(duì)于結(jié)構(gòu)整體剛度有所增加，但是增加不夠明顯，從變形考量會(huì)減少10%左右，且不設(shè)置斜撐時(shí)變形依然可以滿足要求。這主要是由于高樁框架碼頭下部已經(jīng)設(shè)置了多層系纜，且整個(gè)結(jié)構(gòu)段框架也設(shè)置了縱橫向水平撐，對(duì)于結(jié)構(gòu)段的整體剛度已經(jīng)有了較好保證；并通過(guò)具體項(xiàng)目使用參照，高樁框架碼頭中不設(shè)置斜撐也能滿足運(yùn)營(yíng)使用要求。因此建議高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)中盡量不設(shè)置斜撐。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算中的相關(guān)考慮

2.1 計(jì)算模型選擇

2.1.1 空間特性

《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（JTS 167-2018）》在第5.2.4條闡述了可根據(jù)碼頭梁系、樁基的布置和結(jié)構(gòu)的整體性等，選擇按平面結(jié)構(gòu)計(jì)算或者空間結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力。但是在高樁碼頭設(shè)計(jì)當(dāng)中，設(shè)計(jì)人員往往從簡(jiǎn)單快捷的角度出發(fā)，按照簡(jiǎn)化的二維平面排架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，而忽視對(duì)碼頭空間特性的分析。二維平面排架結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法，雖然大多在偏安全的范圍內(nèi)，但是也帶來(lái)了工程造價(jià)的增加。

對(duì)于現(xiàn)澆高樁框架碼頭，碼頭分段長(zhǎng)度（不宜大于35m）與平臺(tái)寬度相差較小，且由于下部縱橫聯(lián)系梁的設(shè)置，碼頭縱橫向剛度比較接近。根據(jù)有關(guān)研究成果表明當(dāng)碼頭縱橫向剛度比較接近，空間特征較為明顯時(shí)，高樁結(jié)構(gòu)應(yīng)按空間計(jì)算取值更為合理。

2.1.2 水平集中力在高樁碼頭排架中的分配系數(shù)

二維平面排架結(jié)構(gòu)計(jì)算方法需要考慮水平集中力的橫向分力在各排架中的分配，在《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（JTS 167-2018）》附錄F 中給出了5 跨～10 跨結(jié)構(gòu)段水平集中力的橫向分力在高樁碼頭排架中的分配系數(shù)。但是在實(shí)際工作中，因?yàn)閮?nèi)河大水位差碼頭經(jīng)常采用整體現(xiàn)澆上部結(jié)構(gòu)，而《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（JTS 167-2018）》5.1.12 條規(guī)定：上部結(jié)構(gòu)為整體澆筑混凝土?xí)r，不宜大于35m。因此進(jìn)行碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到四跨的情況，而規(guī)范中卻沒有給出可供參考的數(shù)值。此外，高樁框架碼頭所受水平集中力作用高程的不同也會(huì)對(duì)分配系數(shù)造成影響[4]，而規(guī)范未對(duì)此做出區(qū)分。因此，規(guī)范給出的分配系數(shù)對(duì)于高樁框架碼頭并不適用。

鑒于以上兩點(diǎn)分析，對(duì)于現(xiàn)澆高樁框架碼頭應(yīng)優(yōu)先采用三維空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。

2.2 系纜力施加

在采用三維空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行碼頭計(jì)算時(shí)，往往選擇一個(gè)最不利的結(jié)構(gòu)段進(jìn)行計(jì)算。在對(duì)模型施加系纜力時(shí)設(shè)計(jì)人員往往欠考慮，會(huì)直接在計(jì)算結(jié)構(gòu)段的兩端分別施加一個(gè)系纜力，這樣施加的系纜力導(dǎo)致忽略了單個(gè)系纜力對(duì)結(jié)構(gòu)段所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)影響，并且與系纜力計(jì)算情況不符。依據(jù)《九江港總體規(guī)劃（修訂）》[5]，內(nèi)河船舶總長(zhǎng)一般不會(huì)超過(guò)150m。依據(jù)《港口工程荷載規(guī)范（JTS 144-1-2010）》10.2.2 條[6]：船舶總長(zhǎng)≤100m 時(shí)，受力系船柱為2 個(gè)；101m ≤船舶總長(zhǎng)≤150m 時(shí)，受力系船柱為3 個(gè)。在系纜力計(jì)算時(shí)會(huì)根據(jù)該條款確定同時(shí)受力的系船柱個(gè)數(shù)。由于一個(gè)結(jié)構(gòu)段的長(zhǎng)度宜在35m以內(nèi)，因此對(duì)于一艘內(nèi)河船舶的靠泊結(jié)構(gòu)段一般在兩個(gè)以上。因此按照計(jì)算受力系纜系船柱的個(gè)數(shù)和靠泊的結(jié)構(gòu)段數(shù)量，在一個(gè)計(jì)算結(jié)構(gòu)段內(nèi)只需施加一個(gè)系纜力即可，這也與系纜力計(jì)算時(shí)保持了一致性。

2.3 撞擊力施加

內(nèi)河高樁框架碼頭設(shè)計(jì)水位差有時(shí)高達(dá)十幾米。為了滿足不同水位的靠泊需求，橡膠護(hù)舷一般在每個(gè)排架整個(gè)水位變化范圍內(nèi)都有布置。在計(jì)算時(shí)，設(shè)計(jì)人員有的在模型端排架上施加一個(gè)點(diǎn)的撞擊力，有的施加兩個(gè)。但是對(duì)于為什么施加一個(gè)或者兩個(gè)點(diǎn)的撞擊力并不知其緣由，施加的撞擊力可能會(huì)與實(shí)際靠泊情況相差甚遠(yuǎn)。

在進(jìn)行撞擊力計(jì)算時(shí)，先計(jì)算船舶靠泊時(shí)的有效撞擊能量，然后根據(jù)有效撞擊能量去選擇滿足吸能量的護(hù)舷。下面以內(nèi)河5000 噸級(jí)散貨船為例，闡述推算施加撞擊點(diǎn)的個(gè)數(shù)和撞擊力大小的思路，供設(shè)計(jì)參考。船型主尺度如下表所示。

表1 5000 噸級(jí)散貨船主尺度

按照規(guī)范計(jì)算得到5000 噸級(jí)散貨船有效撞擊能量為80kJ，選用SA-A500H×1500 的標(biāo)準(zhǔn)反力橡膠護(hù)舷時(shí)，單個(gè)護(hù)舷變形52.5%時(shí)可滿足吸能要求，此時(shí)反力為516kN。此外，有一點(diǎn)設(shè)計(jì)人員比較容易忽略，就是在選用橡膠護(hù)舷時(shí)需要考慮10%的性能公差，即偏保守時(shí)橡膠護(hù)舷的吸能需要乘以90%進(jìn)行選用。綜合考慮船舶型深和靠泊角度因素，假定船舶靠泊時(shí)有3m 高的舷側(cè)板與橡膠護(hù)舷接觸，則靠泊時(shí)會(huì)接觸兩個(gè)所配置護(hù)舷。下圖給出了橡膠護(hù)舷反力與吸能關(guān)系曲線。

從橡膠護(hù)舷的吸能反力變形曲線可以看出，橡膠護(hù)舷變形在30%時(shí)，就已經(jīng)達(dá)到了最大反力(516kN)，而吸能則基本只要有一半（40kJ）。按照以上假定，船舶在靠泊時(shí)同時(shí)撞擊兩個(gè)護(hù)舷，則受撞擊的兩個(gè)護(hù)舷同時(shí)達(dá)到30%變形時(shí)，吸能剛好能滿足船舶撞擊能量，此時(shí)兩個(gè)護(hù)舷均達(dá)到了最大反力516kN。因此在這種情況下，在計(jì)算模型上施加的撞擊力應(yīng)該是兩個(gè)。

通過(guò)以上分析可以看出，撞擊力的施加與船舶靠泊時(shí)舷側(cè)板撞擊橡膠護(hù)舷的情況有關(guān)，設(shè)計(jì)人員在施加撞擊力時(shí)不能盲目地施加一個(gè)或者是兩個(gè)，應(yīng)該結(jié)合設(shè)計(jì)船型綜合分析，以得到較為準(zhǔn)確的施加方式，更要避免錯(cuò)誤的施加方式而得到偏不安全的計(jì)算結(jié)果。

2.4 三維空間結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)面板作用的影響

在按空間結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，設(shè)計(jì)人員往往忽視面板的處置，慣性地在計(jì)算時(shí)面板統(tǒng)一建?？紤]。這種慣性思維可能帶來(lái)偏不安全的計(jì)算結(jié)果。

對(duì)于樁力的計(jì)算，不考慮面板時(shí)的計(jì)算結(jié)果偏大，考慮面板時(shí)計(jì)算結(jié)果略小于平面計(jì)算結(jié)果，也相對(duì)符合實(shí)際情況，因此計(jì)算樁力時(shí)推薦考慮面板的計(jì)算模型。

對(duì)于縱向梁和橫梁內(nèi)力計(jì)算，空間無(wú)面板計(jì)算結(jié)果一般大于空間有面板的計(jì)算結(jié)果。從更安全的角度出發(fā)，建議采用空間無(wú)面板模型。楊錫鎏等[7]研究認(rèn)為把面板的彈性模量設(shè)置成極小值時(shí)忽略面板作用力的可行方法。

2.5 結(jié)構(gòu)整體水平位移控制

對(duì)于碼頭結(jié)構(gòu)整體水平位移，規(guī)范規(guī)定按正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行控制。但是在正常使用極限狀態(tài)下存在標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合、準(zhǔn)永久組合三種，具體選用哪種組合規(guī)范也沒有進(jìn)行說(shuō)明。標(biāo)準(zhǔn)組合針對(duì)不可逆的正常使用極限狀態(tài)，頻遇組合和準(zhǔn)永久組合針對(duì)可逆的正常使用極限狀態(tài)和結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期性能。在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于結(jié)構(gòu)整體水平位移計(jì)算的組合選擇，設(shè)計(jì)人員缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)和選擇標(biāo)準(zhǔn)，造成了計(jì)算結(jié)果上的差異，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)計(jì)的樁基等結(jié)構(gòu)尺度的不同。

針對(duì)結(jié)構(gòu)整體水平位移控制，歐洲標(biāo)準(zhǔn)《BS EN 1990 Eurocode — Basis of structural design》[8]做了較為詳細(xì)的規(guī)定，指出利用標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算結(jié)構(gòu)位移。

碼頭結(jié)構(gòu)對(duì)于水平位移的控制主要出于人員舒適度和裝卸設(shè)備使用功能方面的考慮，筆者認(rèn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)指出按標(biāo)準(zhǔn)組合控制結(jié)構(gòu)水平位移，可以避免碼頭結(jié)構(gòu)在水平力的作用下產(chǎn)生不可逆的永久水平位移，進(jìn)而影響到裝卸設(shè)備的使用功能，同時(shí)水平位移的嚴(yán)格控制可以減少碼頭面作業(yè)人員的不適感。因此，本文建議在碼頭結(jié)構(gòu)整體水平位移計(jì)算時(shí)參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)按標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行控制。

確定計(jì)算荷載組合之后，就需要將計(jì)算得到的水平位移與水平位移控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，但是規(guī)范也沒有給出碼頭水平位移控制的標(biāo)準(zhǔn)。同樣結(jié)合裝卸設(shè)備的使用功能和碼頭面作業(yè)人員的舒適感考慮，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般推薦不大于20mm。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的闡述，本文給出以下幾點(diǎn)建議供參考：

（1）高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)段劃分需參照規(guī)范，并通過(guò)有效的分析或計(jì)算慎重確定；對(duì)于高樁框架碼頭現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)不宜大于35m 一段，對(duì)于裝配預(yù)制高樁框架碼頭不宜大于50m 一段。

（2）多層系纜分層高度除需滿足不同水位船舶系靠泊要求外，尚需方便人員上下船，并且盡可能地減少分層層數(shù)以降低結(jié)構(gòu)造價(jià)。

（3）高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)中盡量不設(shè)置斜撐。

（4）高樁框架碼頭應(yīng)優(yōu)先采用三維空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。

（5）系纜力的施加應(yīng)結(jié)合計(jì)算結(jié)構(gòu)段長(zhǎng)度、船舶總長(zhǎng)和計(jì)算受力系船柱個(gè)數(shù)綜合確定，以得到較為準(zhǔn)確的施加方式。

（6）撞擊力的施加與船舶靠泊時(shí)舷側(cè)板撞擊橡膠護(hù)舷的情況有關(guān)，應(yīng)該結(jié)合設(shè)計(jì)船型綜合分析施加個(gè)數(shù)，以得到較為準(zhǔn)確的施加方式。

（7）計(jì)算樁力時(shí)推薦考慮面板的計(jì)算模型，計(jì)算縱向梁和橫梁內(nèi)力計(jì)算采用空間無(wú)面板模型。

（8）碼頭結(jié)構(gòu)整體水平位移計(jì)算時(shí)按標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行控制，且一般不大于20mm。