海港浮碼頭臺損分析及應(yīng)對措施

夏運強，李賀青

（海軍工程設(shè)計研究院，北京 100070）

1 概述

浮碼頭具有結(jié)構(gòu)簡單、主體質(zhì)量宜控、布設(shè)和拆移容易、水位變化適應(yīng)性好、造價低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于我國內(nèi)河和東南沿海潮差較大且風浪掩護條件好的港口內(nèi)。浮碼頭也是軍港中一種重要的碼頭結(jié)構(gòu)形式。

圖1 典型浮碼頭組成示意圖（兩躉一橋）Fig.1 Composition of the typical floating wharf（two barge onebridge）

常見的海港浮碼頭通常由躉船、錨系系統(tǒng)（錨鏈及錨體）、支撐和聯(lián)接系統(tǒng)（引橋、撐桿、撐墩和聯(lián)橋）組成，典型的有撐兩躉一橋順岸式浮碼頭組成示意圖見圖1。現(xiàn)有浮碼頭多用于靠泊DWT在2 000 t以下的中小型船舶。

根據(jù)躉船的材質(zhì)不同，可將浮碼頭分為鋼筋混凝土浮碼頭和鋼結(jié)構(gòu)浮碼頭兩類。相對鋼結(jié)構(gòu)浮碼頭來說，鋼筋混凝土浮碼頭具有耐腐蝕、維護量小及投資少等優(yōu)點，但存在抗沖擊性差和修復(fù)困難問題[1]。

海港浮碼頭與內(nèi)河浮碼頭的主要區(qū)別在于使用環(huán)境不同，前者使用環(huán)境惡劣，受風浪影響大。而浮碼頭最大的缺點是整體抗風浪性能差，這對海港浮碼頭表現(xiàn)尤為明顯，特別是在風浪較大的沿海易受臺風襲擊而遭破壞。本文討論現(xiàn)行海港浮碼頭工作狀態(tài)和設(shè)計標準，介紹9608和0205號臺風中某港浮碼頭的破壞案例，分析臺損原因并提出應(yīng)對措施，并對如何較大幅度提高浮碼頭防風能力進行初步探討。

2 浮碼頭工作狀態(tài)和設(shè)計標準

2.1 浮碼頭工作狀態(tài)劃分

同常規(guī)碼頭一樣，浮碼頭工作狀態(tài)可分為正常工作狀態(tài)和防風浪狀態(tài)。正常工作狀態(tài)時，船舶靠泊浮碼頭進行正常的裝卸等作業(yè)，此時對作業(yè)海況要求較高。防風浪狀態(tài)又稱生存狀態(tài)，一般發(fā)生在臺風期間，此時靠泊船舶離開浮碼頭，浮碼頭單獨承受風浪作用。通常情況下，防風浪狀態(tài)是浮碼頭主體結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制狀態(tài)。

浮碼頭系統(tǒng)組成相對復(fù)雜，既有柔性結(jié)構(gòu)又有剛性結(jié)構(gòu)，風浪流作用時整體作復(fù)雜的六自由度運動，各組成部分運動和受力相關(guān)聯(lián)，外界條件、內(nèi)部組成等影響因素眾多，很難精確計算。現(xiàn)有計算方法多采用靜力分析法，例如波浪對躉船作用力采用干涉波法、錨鏈系統(tǒng)采用懸鏈線法等[2]。靜力計算方法簡單易用，較適用于浮碼頭的正常工作狀態(tài)，對于防風浪狀態(tài)，波浪荷載較大，躉船及錨鏈系統(tǒng)偏移和動張力較大時，應(yīng)該采用動力分析法，以較好地解決沖擊荷載問題。

對于圖1典型浮碼頭防風浪狀態(tài)，躉船、引橋、撐桿和撐墩等結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載主要來自波峰波壓力作用，主副錨鏈及耳環(huán)鏈（保險鏈）設(shè)計主要由波谷波吸力作用控制。

2.2 浮碼頭設(shè)計標準

海港浮碼頭有一定的適用條件，歐美日等國的港工規(guī)范[3-5]和我國JTJ 294—98《斜坡碼頭及浮碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》[6]強調(diào)浮碼頭適用于掩護條件較好的海域，但未明確具體的海況限制或允許風浪條件。

對于浮碼頭正常工作狀態(tài)，涉及到船舶荷載、風荷載、波浪荷載、水流力、汽車荷載等，各荷載參照JTS144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》[7]計算。JTJ211—99《海港總平面設(shè)計規(guī)范》[8]中規(guī)定了DWT在2 000 t以下的船舶靠泊時，2 a一遇允許波高H4%不超過0.6 m，允許風力不超過6級。軍用浮碼頭正常工作狀態(tài)的標準適當放寬至三級海況（波高0.5~1.25 m，4~5級風）。

對于浮碼頭防風浪狀態(tài)，主要考慮躉船本身所受風荷載、波浪荷載和水流力。行業(yè)標準并未對其生存海況做出規(guī)定。國家軍用標準[9]中規(guī)定：靠泊船舶噸位1 000 t以下的小型浮碼頭設(shè)計波高取H1/3=3.0 m，周期T=6 s，3 000 t以下的中型浮碼頭設(shè)計波高取3.0 m，周期取7 s。文獻[2]提到“一般來說，浮碼頭設(shè)計波高不宜大于1.5~2.0 m，波高取25 a或50 a的H5%”。軍用浮碼頭標準提高到四至五級海況。需要說明，由于浮碼頭干舷低，水上受風面積小，防風浪狀態(tài)時，風對其影響要小于波浪和水流作用。

3 浮碼頭臺損及原因分析

3.1 9608號臺風浮碼頭破壞情況

1996年8月1日9608號臺風襲擊福建某港，風力達12級以上，持續(xù)時間長，適值天文大潮，港內(nèi)最大風速估計達35 m/s，波高約3.5 m（H1/10），潮流流速約0.65 m/s；港內(nèi)10座浮碼頭有9座遭到不同程度的破壞，損失嚴重。見圖2。

港內(nèi)浮碼頭基本采用圖1的形式，躉船尺寸均為36 m×8 m，其中鋼結(jié)構(gòu)浮碼頭7座，鋼筋混凝土浮碼頭3座。破壞情況如下：1）所有鋼躉船在臺風襲擊時都保持完好，但鋼筋混凝土躉船破壞嚴重，出現(xiàn)破損進水、傾斜、沉沒等現(xiàn)象；2）部分碼頭撐桿脫離撐斗，一端或全部掉入海中，撐桿折斷；3）部分碼頭引橋脫離橋斗掉入海中，引橋變形或折斷；4）部分碼頭聯(lián)橋破損、變形，掉入海中；5）少數(shù)碼頭樁基撐墩破壞；6）少數(shù)碼頭主鏈錨鏈拉斷；7）部分碼頭橋斗、撐斗毀壞。

3.2 0205號臺風浮碼頭破壞情況

2002年6月28日，0205號威馬遜（Ramasun）臺風襲擊舟山地區(qū)，中心風速50 m/s，造成某港內(nèi)1座鋼筋混凝土浮碼頭嚴重破壞。該碼頭采用1節(jié)36 m×8 m×2.5 m躉船，躉船中間布置引橋1座，撐桿2座，對稱布置于引橋兩側(cè)。臺風造成引橋和撐桿折斷，并導致躉船進水傾斜。見圖3。

圖2 9608號臺風浮碼頭破壞情況Fig.2 Damage condition of floating wharf during No.9608 typhoon

圖3 0205號臺風浮碼頭破壞情況Fig.3 Damage condition of floating wharf during No.0205 typhoon

3.3 破壞原因分析

破壞最主要的原因是臺風期港內(nèi)風浪條件超過浮碼頭防風浪狀態(tài)的設(shè)計標準。進一步分析該類浮碼頭的破壞細節(jié)，可找到防風浪狀態(tài)下的薄弱環(huán)節(jié)。控制改善這些薄弱環(huán)節(jié)，可以比較有效地提高其整體防風能力，并為今后類似浮碼頭的建設(shè)提供良好的借鑒。

整個浮碼頭系統(tǒng)組成中，支撐和聯(lián)接系統(tǒng)破壞最嚴重。9608臺風中，引橋與聯(lián)橋破壞數(shù)量約占全部數(shù)量的42%，撐桿破壞占全部數(shù)量的28%。其受損的主要原因：1）端部耳環(huán)或耳環(huán)鏈直徑φ32~34 mm過小，在受拉狀態(tài)時斷裂，致使引橋或聯(lián)橋脫落；2）部分引橋、聯(lián)橋和撐桿在通過躉船的波浪間接沖擊力作用下超出其設(shè)計承壓荷載而彎折；3）部分鋼結(jié)構(gòu)主體和連接件銹蝕較為嚴重，設(shè)計強度有所降低。

躉船破壞主要是脫落的撐桿、聯(lián)橋或引橋端部對其側(cè)面的撞擊破損，也有相鄰躉船的撞擊損壞。9608號臺風中躉船受損占18%，且均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而鋼結(jié)構(gòu)躉船則基本完好。這得益于鋼材較鋼筋混凝土材料具有較好的延性，能有效地吸收撞擊能量。

錨系系統(tǒng)中，錨體和主鏈（φ46~56 mm）基本完好，副鏈拉斷較多，約占全部錨鏈的10%，這種情況也是發(fā)生在支撐和聯(lián)接系統(tǒng)的耳鏈或耳環(huán)斷裂后，躉船運動和受力完全由錨系系統(tǒng)承擔時發(fā)生的。由于副鏈較細（φ32~36 mm），且垂度小（1.5 m），先受力張緊至破斷，而主鏈由于鏈徑粗且有較長的拖地段，緩沖吸能效果明顯，因此基本完好。

撐墩的破壞是因為波峰作用時的躉船撞擊力超過其設(shè)計強度。

4 浮碼頭防臺應(yīng)對措施

4.1 提高既有浮碼頭防風能力的措施

通過對破壞情況的研究，提高既有形式浮碼頭的防風能力的措施有：1）加強耳環(huán)和耳環(huán)鏈，改善浮碼頭最薄弱的環(huán)節(jié)。建議耳環(huán)鏈鏈徑增大到40 mm以上；2）推薦采用抗撞性和抗沉性好的鋼結(jié)構(gòu)躉船；3）在撐桿和引橋的端部設(shè)置吸能塊，例如D30橡膠護舷或橡膠塊，有效減緩剛性碰撞；4）適當增大副鏈鏈徑和安裝垂度，建議鏈徑不低于40 mm，垂度不低于2.0 m。臺風過后兩港浮碼頭修復(fù)基本采用上述措施，經(jīng)后續(xù)臺風考驗證明改善效果比較明顯。此外，有條件時可采取工程措施如防波堤等改善港內(nèi)掩護條件。

4.2 防風浮碼頭形式的探討

浮碼頭在正常工作狀態(tài)要求其位移盡可能小，這意味著約束要盡可能多，但防風浪狀態(tài)浮碼頭最好能處于約束盡量少的自由飄浮狀態(tài)，以避免或有效減小各種沖擊荷載，提高其生存能力。二者存在一定的矛盾。

海港工程中目前普遍采用的這種有撐順岸碼頭形式源于內(nèi)河或湖泊，該類浮碼頭有較好的正常工作狀態(tài)，但防風能力差，實際上不太適合在風浪條件差的海域環(huán)境中使用，盡管可以采用前述措施，但只能有限度地提高其抗風浪能力。為能較大幅度提高其生存能力，可嘗試改變現(xiàn)有浮碼頭在臺風中易損壞的支撐和聯(lián)接系統(tǒng)形式，減少活動組件，例如，取消撐桿，將引橋和聯(lián)橋搭接在躉船甲板上；或在引橋的接岸處設(shè)置滑槽，在臺風期可解除約束使其在滑槽內(nèi)自由運動；或者采取臺風期起吊引橋方案。上述無撐結(jié)構(gòu)形式可通過在主錨鏈上加掛重錘以保證其正常工作狀態(tài)的使用。另外可加大躉船規(guī)格，取消聯(lián)橋，相應(yīng)提高錨系系統(tǒng)標準等。

5 結(jié)語

海港浮碼頭的工作狀態(tài)分正常工作狀態(tài)和防風浪狀態(tài)，現(xiàn)有中小型浮碼頭正常工作狀態(tài)適用海況不超過三級，防風浪狀態(tài)不超過五級的海況。臺損案例分析及修復(fù)經(jīng)驗表明，加強耳環(huán)和耳環(huán)鏈、使用鋼結(jié)構(gòu)躉船、引橋等支撐和聯(lián)接結(jié)構(gòu)端部設(shè)置吸能塊等可以有限度地提高浮碼頭的防臺風能力。

適用更高海況的防風浮碼頭，應(yīng)遵循躉船在防風狀態(tài)允許有較大自由度以便有效緩沖吸能的原則，需要改變現(xiàn)有支撐和聯(lián)接系統(tǒng)形式，盡可能減少活動組件，可考慮無撐結(jié)構(gòu)和引橋搭接等方案。建議有條件時可開展相關(guān)的試驗研究工作，解決關(guān)鍵技術(shù)問題并推廣應(yīng)用，以充分發(fā)揮浮碼頭的優(yōu)勢。

[1]高承德.斜坡碼頭及浮碼頭設(shè)計與施工規(guī)范修編簡況[J].水運工程，1998（10）：85-88.GAOCheng-de.Revision profiles of the code for design and construction of sloping wharf and floating wharf[J].Port&Waterway Engineering,1998(10):85-88.

[2]交通部第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院.海港工程設(shè)計手冊：中冊[M].北京：人民交通出版社，1994.CCCC First Harbor Consultants Co.,Ltd.Handbook for design of sea harbor：medium volume[M].Beijing：China Communications Press,1994.

[3] Technical standardsand commentariesfor port and harbor facilities in Japan[S].Japan：The Overseas Coastal Area Development Instituteof Japan,2002.

[4]Coastal engineering manual[M].Washington D C：U.S.Army Corps of Engineers,2003.

[5] BS 6349：Part 6,British standard code of practice for maritime structures[S].British Standard Institution,2000.

[6]JTJ294—98，斜坡碼頭及浮碼頭設(shè)計與施工規(guī)范[S].JTJ 294—98,Code for design and construction of sloping wharf and floatingwharf[S].

[7]JTS144-1—2010，港口工程荷載規(guī)范[S].JTS144-1—2010,Load codefor harbour engineering[S].

[8]JTJ211—99，海港總平面設(shè)計規(guī)范[S].JTJ211—99,Design codeof general layout for seaport[S].

[9]GJB 6050—2007，軍港浮碼頭技術(shù)條件[S].GJB 6050—2007,Specification for floatingwharf of naval port[S].