某港門機后軌道梁的優化設計探討

盧少彥，王婷婷，沈迪洲

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

隨著現代化施工工藝的發展，為滿足機械設備日益大型化，碼頭沉箱結構亦越做越大，很多軌距較小的門機后軌道梁，基本就落在沉箱的后壁上。通常，在設計中為了滿足前后軌沉降一致，會把門機后軌道梁與沉箱后壁連接在一起，圖1、圖2是典型的兩種處理方式。

圖1 設計方案一

圖2 設計方案二

設計方案一通常用于沉箱頂距離碼頭面較大時，為了降低軌道梁高度以及改善結構的受力，通常在軌道梁下設置一塊板或小梁與胸墻連接成整體；設計方案二通常用于沉箱頂與碼頭面之間距離較小時，通過對沉箱后壁局部加大來與上部軌道梁連接在一起。這樣的設計可以保證前后軌道梁位移沉降一致，解決了以往設計中后軌道梁采用軌枕道碴、前軌設置在剛性胸墻上（見圖3），極易形成位移差，而導致經常維修、影響作業等弊端[1-2]。

圖3 設計方案三

但若潮差較大、碼頭面高度又較高時，門機后軌道梁落在沉箱后壁上與沉箱后壁連接在一起的處理方法，就會產生兩個問題，一是后軌道梁高度過高，不利于軌道梁自身受力和沉箱后壁的受力；二是為了滿足受力要求，必須加大軌道梁斷面而產生較高的工程造價。若采用設計方案一中所述方式處理，則后軌道下的混凝土板或梁會較高，工程量顯著增加。因此，須針對這種工況提出優化設計方案。

1 工程實例

廣東省某港建設一個5萬噸級散貨泊位（結構按遠期10萬噸級預留），泊位總長551 m，碼頭前沿配備普通門機，門機軌距10.5 m，門機最大輪壓為300 kN/輪，門機后軌位于沉箱后壁處，碼頭面高度6.5m，沉箱后壁高程2.0m，高差4.5m。見圖4。

圖4 某港口工程示意簡圖

本工程中為了滿足地基承載力的要求，沉箱海側倉格采用不填滿處理方式，且沉箱前倉格的壁板抬高到3.5 m標高，以減小胸墻的高度，若采用在軌道梁下設置混凝土板的辦法（如圖1），則混凝土板無法與胸墻連接成一個有效整體，達不到原來的受力標準；若為了使混凝土板可以與胸墻有效連接，則需要降低胸墻底標高，使得混凝土板可以與胸墻連接在一起（因為沉箱壁板為薄壁結構，且里面為空腔，混凝土板無法與其有效牢固地連接），這樣，不但加大了工程量（兩個泊位增加4 000多m3混凝土），且增加了基床應力，對地基承載力不利[3]。

若直接按圖2中方式來設計本工程的軌道梁，不但對整個沉箱后壁的受力不利，且截面較大，增加了工程量（相對優化后的斷面，增加混凝土量650 m3左右），軌道梁自身的穩定性并不是最優的，在頂升或者防風拉索作用的時候，對軌道梁的穩定性有影響（通常在頂升、防風錨碇的地方局部截面需要加大，而下面與沉箱壁板連接的支撐范圍是不變的）。

若抬高沉箱后壁板以及隔墻的壁板高度，來縮小軌道梁的高度（見圖2的處理方式），則沉箱高度增加，自重增加（單個沉箱混凝土增加重量740 kN左右重量），對基床應力和地基承載力有不利的影響[1]，因本工程基礎持力層為標準貫入擊數為20擊左右的黏性土，為了滿足地基承載力的要求，沉箱海側倉格未填滿，若上部結構增加重量或者荷載，對地基承載力影響敏感[3]。

據此，根據扶壁結構的原理提出了以下的優化方案，見圖5、圖6。

圖5 軌道梁斷面示意圖

圖6 軌道梁平面示意圖

在沉箱后隔墻、側壁上設置同隔墻與側壁同寬的支撐肋板，沉箱后壁上設置0.5 m寬度的壁板，其上設置軌道梁，沉箱后壁、側壁及隔墻相應范圍需伸出鋼筋與支撐肋板等連接。

1.1 受力分析

根據優化后軌道梁的結構，可分為兩部分進行受力計算，上部為等截面矩形截面梁，下部為支撐結構，見圖5。

1.1.1 上部軌道梁受力分析

軌道梁受力可以按等截面多跨連續梁進行計算，工作狀態時2臺門機在上面移動，計算簡圖如圖7。

圖7 工作狀態計算簡圖

同理可計算非工作狀態下的情況，最后得出頂升作用時軌道梁跨中彎矩最大，見表1中括號內的值。

表1 主要計算結果

1.1.2 軌道梁支撐受力分析

支撐肋板采用ANSYS空間結構分析計算。

通過對這種結構型式受力模式的分析，得出支撐肋板的最不利情況是受拉狀態。

通過對工作狀態與非工作狀態的分析，發現腹板最不利受力狀態是在受水平力與防風拉索的上拔力組合作用時，其主要結果如下：支撐板最大拉力設計值為586.27 kN（在防風拉索作用時產生），最大壓力設計值為564.676 kN（為頂升作用時產生）。經過計算，每延米配置9根直徑16 mm的受拉鋼筋[4]可滿足要求。要求沉箱隔墻、側壁以及后壁板的鋼筋伸入到支撐板中，以形成可靠的連接。

支撐肋板也可以按T型截面懸臂梁計算[2]，梁長3.85 m，翼緣寬為3.475 m。

1.2 設計優缺點分析

優點： 在達到相同效果的前提下，混凝土量減少（與加高沉箱后倉格壁板相比，混凝土量減少4 000多m3），在提倡節能環保的現今，是非常有效的。

缺點： 此種處理方式適用有一定的限制，通常用于輪壓荷載不大（通常此種類型門機最大輪壓不超過350 kN/輪[5]），且后軌位置處于沉箱后壁的位置。另外，由于設置的支撐肋板等都是薄壁結構，且預留伸出鋼筋較多，施工相對較麻煩。

2 結語

通過以上分析可知，由支撐肋板以及沉箱后壁、隔墻、側壁共同來支撐后軌道梁是合理的，也是可行的。計算中應注意軌道梁在受水平力與上拔力組合作用時，對支撐板和軌道梁下部的壁板是最不利的。優化后的軌道梁設計能夠降低工程費用，節約資源，且能很好地滿足軌道受力要求。雖然對于施工相對增加了一定的難度，計算也相對麻煩，但在節能減排的今天是值得推廣應用的。

[1]張春山.碼頭門機軌道梁基礎處理方法比較[J].水運工程，2006，386（3）：69-71.

[2]張春山，崔偉華.碼頭門機軌道梁施工及維護[J].水運工程，2000，319（8）：120-121.

[3]JTS167-2—2009，重力式碼頭設計與施工規范[S].

[4]JTS151—2011，水運工程混凝土結構設計規范[S].

[5]JTS144-1—2010，港口工程荷載規范[S].