撞擊力作用下拱式縱梁碼頭排架受力特性分析

翟秋，魯子愛，朱峰

（河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098）

0 引言

近年來我國水運事業蓬勃發展，船舶大型化發展趨勢日益明顯，迫切需要加快大型深水港口的建設[1]。外海深水碼頭所處的環境條件比較惡劣，碼頭結構剛度高、施工難度大，對碼頭工程設計提出了更高的要求。文獻 [2-3]基于桁架拱橋結構，提出了拱式縱梁的新型碼頭結構形式。這種新型結構采用拱式縱梁代替傳統梁板式高樁碼頭中的倒T形縱梁，利用拱結構良好的跨越能力和鋼筋混凝土的抗壓性能，使碼頭的排架間距增加到28 m，減少水下工程量，進而降低工程造價。

前期對拱式縱梁結構的研究多停留在結構形式層面，荷載對結構的影響也只是考慮了自重、堆貨荷載、軌道荷載等豎向荷載，對由于船舶靠泊引起的水平撞擊力涉及較少，也為結構的推廣帶來了一定的限制。

船舶靠泊引起的水平撞擊力是高樁碼頭承受的主要荷載之一。橫向排架上橫向分力的取值對結構計算結果影響較大，目前在高樁碼頭設計中，橫向分力在各排架的分配按彈性支承剛性梁法計算，這種方法應用簡便，一般情況下可查表確定。現有研究成果[4-6]表明，排架數量和排架間距的變化，都會影響水平力的分配系數。

與梁板式高樁碼頭結構相比，拱式縱梁碼頭結構排架間距大幅增加，橫向分力在排架上是如何分配的？這種分配方式對結構本身有何影響？本文對結構的橫向承載性能進行分析，對結構的推廣應用具有重要意義。

1 拱式縱梁碼頭結構簡介

借鑒橋梁中的桁架拱橋，根據碼頭結構的用途、功能、結構形式、使用荷載、施工作業等情況，提出的拱式縱梁的新型碼頭結構，以預制鋼筋混凝土拱式縱梁代替一般縱梁。

圖1 拱式縱梁碼頭結構示意圖（單位：m）

預制鋼筋混凝土拱式縱梁由拱圈梁、上弦桿、腹桿、拉桿和吊桿等構件組成。拱式縱梁縱向擱置在樁基墩臺上，縱梁之間增設預制橫向水平撐，橫向水平撐擱置在拱式縱梁的牛腿上，與之構成梁格；面板擱置在橫向水平撐上。樁基墩臺現澆，橫梁也采用現澆結構，與拱式縱梁等高布置。面板采用技術成熟的迭合板，上設現澆層和磨耗層。縱梁、橫梁、橫向水平撐、面板之間整體連接，與樁基墩臺之間現澆成整體，形成了整體性好、剛度大的上部結構。在拱圈梁下端設拉桿承擔拱推力（圖1）。

作用在拱式縱梁碼頭結構上的荷載通過樁基墩臺傳給基樁。基樁采用全直樁式的大直徑鋼管樁結構，樁的數量根據上部結構荷載作用下的樁基承載能力確定。墩臺與橫梁均現澆，考慮到拱式縱梁與墩臺相交位置處的施工問題，墩臺采用實體式。

2 拱式縱梁結構橫向受力分析

該結構的設計目的在于停靠大型船舶，靠船構件直接設置在橫梁上。作用在結構上的船舶撞擊力由橫梁和橫向水平撐組成的橫向聯系承擔，橫梁與現澆樁基墩臺一起設置在基樁之上；橫向水平撐安放在腹桿的正上方。作為一個整體空間結構，拱式縱梁碼頭在承受由于船舶靠泊所產生的水平撞擊力作用時，主要受排架及橫向水平撐的橫向剛度、縱向連接剛度、排架間距和排架數量等因素的影響。

排架的橫向剛度與樁基布置及橫梁剛度有關，縱向連接剛度則與縱梁的數量、尺寸及與橫梁的連接情況、以及面板與橫梁的連接情況等因素有關。與梁板式高樁碼頭中布置叉樁不同，該結構中基樁采用全直樁。橫向排架為一個超靜定結構，橫向剛度大，水平位移就小，反之剛度小，水平位移就大。水平位移的大小又直接影響到力的傳遞情況，所以排架的橫向剛度對水平力的分配有一定的影響。

排架間距增大，縱梁跨度也隨之增大，線剛度減小，勁度系數和傳遞系數都產生變化，此時分配力矩、傳遞力矩就會變化，因此排架間距對分配系數有一定的影響。拱式縱梁碼頭水平力由整個碼頭段共同承擔，排架數量多，承擔水平力的排架就多，排架數量少，承擔水平力的排架就少，排架數量也會對分配系數產生影響。

3 空間有限元計算模型

基于有限單元法理論，運用ANSYS結構分析平臺建立拱式縱梁碼頭結構空間計算模型（圖2）。基樁和縱橫梁采用beam188單元進行分析。

圖2 拱式縱梁碼頭結構空間模型（單跨）

根據樁基嵌固點的定義，等效樁長可表示為樁在泥面以上的自由高度與嵌固點深度之和。樁長根據JTJ167-4—2012《港口工程樁基規范》中的m法計算，即彈性長樁的受彎嵌固點以上為模型中樁長，嵌固點采用固端約束。

經研究發現，碼頭面豎向荷載的施加并不明顯影響水平力在排架的橫向受力特性[6]，因此在該模型中只考慮船舶水平撞擊力和碼頭結構自重這兩種荷載的作用效應組合。

4 工程實例分析

4.1 碼頭結構

依托工程為上海港某集裝箱碼頭，設計船型為15萬噸級集裝箱船，船舶控制系泊風力為9級，風速22.6 m/s，設計流速1.80 m/s，系纜力標準值最大值為2 000 kN，撞擊力標準值為2 574 kN。標準段碼頭一個結構段長度84 m，寬度42.5 m，設計高水位4.51 m，設計低水位0.53 m，碼頭頂面高程8.10 m，碼頭前沿設計水深18.0 m。碼頭前沿配備軌距35 m、起重量65 t、外伸距67 m的岸邊集裝箱裝卸橋。

根據設計條件，該碼頭構件尺寸為：樁基墩臺現澆，考慮施工水位的影響，選取拱式縱梁總高度5 m，樁基墩臺的面高程為3.1 m。碼頭前沿至前軌為4 m，集裝箱岸橋軌距為35m，后軌至碼頭后沿為3.5 m，碼頭寬度為42.5 m，在兩個軌道下方分別設置拱式縱梁，即軌道梁，軌道梁之間再設置3個拱式縱梁，即普通縱梁，兩縱梁之間的橫向間距為8.75 m。

長度為84 m的結構段內設置4個排架，排架間距28 m（即拱的跨徑28 m），拱的矢高3.5 m，矢跨比1/8，如圖1所示。碼頭上部結構采用現澆混凝土橫梁、預制鋼筋混凝土拱式縱梁、疊合面板結構形式。橫梁截面尺寸為5.0 m×1.0 m，上弦桿1.5 m×0.8 m，拱圈梁1.5 m×0.8 m，橫向水平撐0.6 m×0.8 m，腹桿0.6 m×0.8 m。兩拱式縱梁的橫向間距為8.75 m，縱梁之間設置的橫向水平撐間距為3.5 m，預制面板每塊長4 m、寬3.2 m、厚度0.4 m、磨耗層厚度為0.05 m。

基樁采用直徑為1 500 mm的鋼管樁，打入深度與實際工程一致，軌道梁下的樁基墩臺邊長5.6 m，高1.5 m，墩臺下布置3根鋼管樁；普通縱梁的樁基墩臺長5.6 m，寬3 m，高1.5 m，墩臺下布置2根鋼管樁。兩種情況下樁的布置形式如圖3所示。

圖3 樁基布置形式（單位：m）

4.2 計算結果分析

計算時采用工程中的設計荷載。由于碼頭面的豎向荷載并不明顯影響水平力在排架中的分配，因此在進行拱式縱梁結構橫向承載性能分析時，只考慮船舶水平撞擊力和碼頭結構自重這兩種荷載的作用效應組合。主要考慮的荷載包括：恒載，即建筑物結構自重；船舶撞擊力，標準值2 574 kN。經計算本文算例條件下嵌固點距離泥面深度10 m。

以4個連續排架為例，排架間縱梁的編號從端部左起依次為縱梁1、縱梁2、縱梁3，作用力位置取橫梁處的靠船構件中點，依次記為排架1、排架2、排架3、排架4，排架、縱梁、墩臺編號見圖4。

圖4 排架、縱梁、墩臺位置示意圖

船舶撞擊力分別作用于不同位置時，對碼頭結構的橫向承載特性進行研究。整體結構具有對稱性，力分別作用于排架3、4等效于分別作用在排架2、1。將排架上各墩臺處基樁嵌固點的反力值之和與施加的2 574 kN水平撞擊力相除即可得到水平力的分配系數，見表1、表2。

表1 船舶撞擊力作用于排架靠船構件時基樁內力及墩臺位移

表2 船舶撞擊力作用于排架時水平力分配系數

由于計算誤差，作用于排架1時各橫梁所受基樁反力和的計算值為2 577.20 kN，與水平撞擊力2 574 kN基本一致，用于計算分配系數認為可行；作用于排架2時，各橫梁所受基樁反力和的計算值為2 574.05 kN，與水平撞擊力2 574 kN幾乎一致，用于計算分配系數認為可行。

從上述分析結果可以看出，船舶撞擊力作用于排架時，承受荷載處的排架承擔的水平力分配系數較大，而其它排架承擔的分配系數很小。這與結構的特殊性有關：結構中拱式縱梁縱向擱置在樁基墩臺上，拱式縱梁認為是一簡支結構，縱梁之間雖設置橫向水平撐，但其剛度仍較小。可從拱式縱梁的縱向聯接角度進行提高，以增強整個結構的剛度，從而提升整個結構的水平承載能力。

5 結語

由本文結合工程實例對該拱式縱梁結構在水平荷載作用下的橫向承載能力進行的研究分析可見，橫向荷載作用于排架時，由于結構的縱向聯接問題，周邊排架對作用點排架幫助很小，僅能承受10%左右的橫向荷載。因此從結構角度來說，可適當增強縱向聯接，如將縱梁與墩臺、橫梁固接，以增大橫向剛度，提升整個結構的水平承載能力。在縱梁簡支條件下，直接作用在碼頭排架上的橫向荷載可認為直接由受力橫梁承擔，在結構計算過程中可以簡化為平面問題計算，而不一定按空間問題計算。

[1]張志明.我國沿海深水港口建設技術進展和面臨的重大技術問題[J].水運工程，2006（10）：31-37.

[2]翟秋，魯子愛.一種拱式縱梁碼頭結構：中國專利，CN 202157300U[P].2012-03-07.

[3] ZHAI Q，LU Z A.Study on Structure of Arched Longitudinal Beams of Deep-water Wharf[J].China Ocean Engineering，2008，22（4）：705-711.

[4] 鐘小帥，魯子愛，沈錦林.水平力在高樁碼頭排架中的分配系數研究[J].水運工程，2011（7）：76-82.

[5] 陳明關.高樁碼頭橫向分力在各排架的分配[J].水運工程，2010（12）：68-71.

[6] 趙沖久，熊洪峰，劉現鵬.船舶撞擊力在高樁碼頭排架中的分配研究[J].水道港口，2010（4）：132-137.