門(mén)機(jī)水平力在高樁梁板碼頭計(jì)算中的取值分析

姚　迪（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071）

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門(mén)機(jī)水平力在高樁梁板碼頭計(jì)算中的取值分析

姚迪
（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071）

門(mén)機(jī)水平力產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜，其取值在現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中尚不明確，通過(guò)工程實(shí)例，分別建立空間模型和平面模型進(jìn)行計(jì)算，分析比較不同方向、不同大小的門(mén)機(jī)水平力在不同模型中對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，為今后高樁梁板碼頭的設(shè)計(jì)提供參考，并建議提出相關(guān)課題進(jìn)行深入研究。

高樁梁板碼頭；門(mén)機(jī)水平力；空間模型；平面模型

引　言

許多學(xué)者和設(shè)計(jì)人員已對(duì)船舶系纜力和撞擊力做了相關(guān)研究，但是關(guān)于門(mén)機(jī)水平力的研究［1］較少，隨著碼頭專(zhuān)業(yè)化程度提高、規(guī)模不斷擴(kuò)大，碼頭上使用的門(mén)機(jī)的輪壓和水平力也越來(lái)越大，對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力起控制作用，如何把門(mén)機(jī)豎向和水平荷載較為精確地作用在碼頭排架上變得十分重要。

1　門(mén)機(jī)水平力產(chǎn)生原因及取值

1.1門(mén)機(jī)水平力產(chǎn)生原因

門(mén)座式起重機(jī)的水平荷載是起重機(jī)偏斜運(yùn)行時(shí)車(chē)輪和軌道間的摩擦力或者是車(chē)輪輪緣與軌道接觸而產(chǎn)生的垂直于軌道的水平力，造成門(mén)機(jī)發(fā)生偏斜運(yùn)行的主要因素有以下幾點(diǎn)：

1）由于電機(jī)轉(zhuǎn)速的細(xì)微差別和減速器齒輪間的嚙合間隙，車(chē)輪的磨損造成車(chē)輪直徑的不同，使得兩條軌道上的車(chē)輪在行走時(shí)速度不一樣，造成起重機(jī)的偏斜運(yùn)行。

2）門(mén)機(jī)在碼頭上進(jìn)行作業(yè)沿軌道梁運(yùn)行時(shí)，其吊臂在負(fù)重情況下會(huì)伸出門(mén)機(jī)的前后軌范圍，使門(mén)機(jī)發(fā)生偏斜運(yùn)行。

3）門(mén)機(jī)構(gòu)件的總迎風(fēng)面較大，風(fēng)力較大時(shí)，會(huì)使門(mén)機(jī)發(fā)生偏斜運(yùn)行。

1.2門(mén)機(jī)水平力取值

門(mén)機(jī)水平力的大小與門(mén)機(jī)的豎向輪壓有關(guān)。98版規(guī)范中規(guī)定門(mén)座式起重機(jī)在風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的水平荷載應(yīng)通過(guò)計(jì)算確定，但是沒(méi)有說(shuō)明水平荷載的計(jì)算方法；新版《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010）僅在附錄C中規(guī)定垂直和平行于軌道方向的水平力標(biāo)準(zhǔn)值可按輪壓標(biāo)準(zhǔn)值的 1/10估算。兩版荷載規(guī)范對(duì)門(mén)機(jī)水平力的取值規(guī)定都較為含糊，且碼頭上的門(mén)座式起重機(jī)種類(lèi)較多，若都參照新版規(guī)范按標(biāo)準(zhǔn)輪壓的1/10取值，計(jì)算出的碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力可能偏于保守。

圖1　水平側(cè)向荷載系數(shù)

《港口起重設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定起重機(jī)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的垂直于車(chē)輪輪緣或作用于水平向輪上的水平側(cè)向荷載 Ps的近似計(jì)算公式為：Ps=λ∑P/2；λ為水平側(cè)向荷載系數(shù)，與軌距L和基距B的比值有關(guān)，見(jiàn)圖1；∑P為起重機(jī)產(chǎn)生側(cè)向荷載一側(cè)經(jīng)常出現(xiàn)的最大運(yùn)行輪壓之和。在多輪的起重機(jī)中，用有效軸距代替起重機(jī)的基距B，有效軸距的確定原則為：一側(cè)軌道上裝有兩個(gè)或4個(gè)車(chē)輪時(shí)，有效軸距取兩端最外邊車(chē)輪軸的間距；一側(cè)軌道上的車(chē)輪不超過(guò)8個(gè)時(shí)，有效軸距取兩端最外邊兩個(gè)車(chē)輪中心的間距；一側(cè)軌道上的車(chē)輪超過(guò)8個(gè)車(chē)輪時(shí)，有效軸距取最外邊三個(gè)車(chē)輪中心的間距；裝有水平導(dǎo)向輪時(shí)，有效軸距取最外邊兩對(duì)導(dǎo)向輪的間距。

碼頭上門(mén)座式起重機(jī)一側(cè)軌道上的車(chē)輪的數(shù)量基本會(huì)超過(guò)8個(gè)，由于高樁梁板碼頭平臺(tái)的寬度有限，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，門(mén)座式起重機(jī)的軌距L和基距B的比值一般不超過(guò)2。由圖1可知水平向側(cè)向系數(shù)λ 為0.05，因此門(mén)機(jī)運(yùn)行時(shí)其水平力的大小可按輪壓標(biāo)準(zhǔn)值的2.5%取值。

基于以上門(mén)機(jī)水平力產(chǎn)生原因和取值分析，本文選取蘇州港常熟港區(qū)某碼頭為工程實(shí)例，探討門(mén)機(jī)水平力取值變化對(duì)高樁梁板碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的影響，并采用平面建模和空間三維建模的方式進(jìn)行對(duì)比，為方便比較，規(guī)定門(mén)機(jī)水平力向港池側(cè)為正、向岸側(cè)為負(fù)，取值大小分別為無(wú)門(mén)機(jī)水平力、±10%輪壓標(biāo)準(zhǔn)值、±2.5%輪壓標(biāo)準(zhǔn)值，希望能夠?qū)﹂T(mén)機(jī)水平力取值的方向和大小在今后的高樁梁板碼頭計(jì)算模型中的選取提供參考。

2　工程案例

2.1工程概況

選取的碼頭結(jié)構(gòu)斷面和樁位如圖 2和圖 3所示。此結(jié)構(gòu)段平臺(tái)長(zhǎng)72m，寬30m，排架間距7m，樁基為Φ800 PHC樁，每榀排架設(shè)1對(duì)叉樁、2根斜樁和4根直樁，共8根。平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)由橫梁、縱向梁系、迭合面板和靠船構(gòu)件組成，第1、4、7、11排架前方設(shè)有750 kN系船柱，每個(gè)排架前沿設(shè)置DA-B500H型橡膠護(hù)舷。

圖2　碼頭結(jié)構(gòu)斷面示意

圖3　碼頭平臺(tái)樁位布置

2.2碼頭荷載條件

1）構(gòu)件自重：碼頭上部各構(gòu)件的自重荷載。

2）碼頭面均布荷載：30 kN/m2，門(mén)機(jī)工作情況下軌道1.5m范圍內(nèi)不考慮堆載。

3）起重運(yùn)輸機(jī)械荷載：45t-30m多用途門(mén)座起重機(jī)，軌距10.5m，基距10.5m，總輪數(shù)32，輪距0.765m，輪壓280 kN；40t-25m岸橋：軌距10.5m，基距16m，總輪數(shù)32，輪距0.765m，輪壓320 kN；考慮兩臺(tái)機(jī)械并機(jī)作業(yè)，最小并機(jī)距離為1.5m。

4）船舶系纜力750 kN，系纜力方向與碼頭水平面之間的夾角為15°，與碼頭前沿線(xiàn)夾角為30°，考慮相鄰兩個(gè)系船柱同時(shí)承受系纜力，系船柱分別布置在第1、4、7、11榀排架前沿。

2.3計(jì)算模型建立

參考新規(guī)范中建議高樁梁板式碼頭按空間結(jié)構(gòu)計(jì)算［3］，使用ROBOT建立計(jì)算模型：1）以計(jì)算樁的內(nèi)力為目的時(shí)，縱梁、橫梁和樁采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行建模，節(jié)點(diǎn)相交為固結(jié)方式，面板采用薄殼單元建模，設(shè)為有限單元類(lèi)型，面板按實(shí)際構(gòu)件考慮，考慮面板的重度和剛度，按有限元法劃分網(wǎng)格并傳遞荷載；2）以計(jì)算橫梁和縱梁的內(nèi)力為目的時(shí)，忽略面板作用，面板采用虛板方式建模，設(shè)為沒(méi)有有限單元類(lèi)型，只考慮面板重度、不考慮面板的剛度，不劃分有限元網(wǎng)格，只起到傳遞荷載的作用；3）采用偏移的方式將縱梁和橫梁的中性軸、面板的中性面按實(shí)際高程考慮，達(dá)到各構(gòu)件按實(shí)際高程的方式建模；4）樁端約束參照平面排架方式采用m法模擬樁入土段的嵌固模型。

同時(shí)為了比較門(mén)機(jī)水平力對(duì)碼頭排架的影響在空間計(jì)算與平面計(jì)算中的區(qū)別，使用易工水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)軟件建立平面計(jì)算模型。

基于以上門(mén)機(jī)水平力取值、方向分析和建模方式，門(mén)機(jī)水平力分別采用±10%輪壓標(biāo)準(zhǔn)值、±2.5%輪壓標(biāo)準(zhǔn)值、無(wú)門(mén)機(jī)水平力的方式，進(jìn)行平面模型和空間模型計(jì)算樁基以及橫梁的內(nèi)力，其中空間模型計(jì)算樁基內(nèi)力時(shí)考慮面板作用，計(jì)算橫梁內(nèi)力時(shí)忽略面板作用，且已有相關(guān)研究得出空間模型忽略面板作用計(jì)算的橫梁內(nèi)力偏大［4］，對(duì)工程設(shè)計(jì)偏安全，本文不再比較是否考慮面板作用對(duì)橫梁內(nèi)力的影響。

2.4計(jì)算結(jié)果與對(duì)比分析

1）計(jì)算結(jié)果

計(jì)算工況主要為3種，主導(dǎo)荷載分別為均布荷載、起重運(yùn)輸機(jī)械荷載和系纜力，各模型計(jì)算的樁基和橫梁內(nèi)力極值見(jiàn)表1和表2。

表1　空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型樁基和橫梁內(nèi)力值

表2　平面計(jì)算模型樁基和橫梁內(nèi)力值

2）樁基內(nèi)力對(duì)比分析

從兩種計(jì)算模型的最大樁力值變化趨勢(shì)可以看出，門(mén)機(jī)水平力為+10%輪壓時(shí)最大、+2.5%輪壓時(shí)次大、無(wú)門(mén)機(jī)水平力時(shí)居中、-2.5%輪壓時(shí)次小、-10%輪壓時(shí)最小。因?yàn)楸竟こ逃?jì)算模型中的水平荷載僅考慮系纜力和門(mén)機(jī)水平力，門(mén)機(jī)水平力的方向與系纜力方向相同，同向增加的水平力荷載會(huì)使樁基軸力變大，門(mén)機(jī)水平力的方向與系纜力方向相反，異向增加的水平荷載會(huì)使樁基軸力變小。

平面模型的最大樁力值的變化幅度比空間模型大：空間梁板模型計(jì)算樁基內(nèi)力時(shí)考慮了面板作用，即考慮了面板的剛度，將面板與縱橫梁系連成整體，可以將增加的門(mén)機(jī)水平力分配到碼頭整體結(jié)構(gòu)內(nèi)，整個(gè)模型的樁基軸力變化較小；平面模型中增加的門(mén)機(jī)水平力直接通過(guò)橫梁傳遞到單個(gè)排架的樁基上，對(duì)樁基軸力變化的影響較大。

3）橫梁內(nèi)力對(duì)比分析

從表1可以看出采用空間模型計(jì)算時(shí)，門(mén)機(jī)水平力的方向及大小變化對(duì)橫梁的內(nèi)力值沒(méi)有影響。因?yàn)榭臻g梁板模型計(jì)算橫梁內(nèi)力時(shí)忽略了面板作用，不考慮面板的剛度，沒(méi)有將面板與縱橫梁系連成整體，對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力的分配影響較小，門(mén)機(jī)水平力作為水平荷載直接作用在軌道梁上，傳遞到其它構(gòu)件上的荷載較小，所以門(mén)機(jī)水平力的變化對(duì)橫梁內(nèi)力值基本沒(méi)有影響。

從表2可以看出采用平面模型計(jì)算時(shí)，門(mén)機(jī)水平力的方向及大小變化對(duì)橫梁的正彎矩和剪力影響較小，對(duì)橫梁的負(fù)彎矩影響較大：當(dāng)門(mén)機(jī)水平力為+10%輪壓時(shí)，橫梁負(fù)彎矩最大值比無(wú)門(mén)機(jī)水平力時(shí)增加了45%左右；當(dāng)門(mén)機(jī)水平力為±2.5%輪壓時(shí)，橫梁負(fù)彎矩最大值變化在±10%左右。因?yàn)槠矫婺Ｐ椭校T(mén)機(jī)荷載直接作用在橫梁上，增加的門(mén)機(jī)水平力會(huì)使橫梁構(gòu)件發(fā)生上拱，特別是排架中存在叉樁，門(mén)機(jī)水平力越大時(shí)，叉樁間的橫梁上拱作用更加明顯，使得橫梁的負(fù)彎矩增加較大。

3　結(jié)　論

1）門(mén)機(jī)水平力產(chǎn)生的主要原因是門(mén)機(jī)發(fā)生了偏斜運(yùn)行，但是門(mén)機(jī)發(fā)生偏斜運(yùn)行的原因比較復(fù)雜，門(mén)機(jī)水平力的大小難以確定，建議通過(guò)進(jìn)行原型觀測(cè)等課題的研究方式，對(duì)門(mén)機(jī)水平力的取值做出明確規(guī)定。

2）現(xiàn)行新規(guī)范中規(guī)定可按輪壓標(biāo)準(zhǔn)值的 1/10估算，對(duì)工程設(shè)計(jì)偏安全，可作為目前碼頭工程的設(shè)計(jì)依據(jù)。

3）門(mén)機(jī)水平力的變化對(duì)空間梁板模型中的樁基和橫梁內(nèi)力影響較小，符合新規(guī)范中高樁梁板式碼頭按空間結(jié)構(gòu)計(jì)算樁基內(nèi)力時(shí)考慮面板作用和計(jì)算橫梁內(nèi)力時(shí)忽略面板作用的規(guī)定。

4）門(mén)機(jī)水平力的變化對(duì)平面模型的樁基內(nèi)力和橫梁的負(fù)彎矩影響較大，特別是使用 98版規(guī)范設(shè)計(jì)的老碼頭，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行技術(shù)改造，使用新規(guī)范對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核時(shí)，門(mén)機(jī)水平力若按輪壓標(biāo)準(zhǔn)值的1/10取值，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)原碼頭的結(jié)構(gòu)內(nèi)力不滿(mǎn)足新規(guī)范要求的現(xiàn)象，建議針對(duì)老碼頭結(jié)構(gòu)技術(shù)改造工程項(xiàng)目，可參考《港口起重設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)起重機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生水平側(cè)向荷載的規(guī)定進(jìn)行取值，從而進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5）門(mén)機(jī)水平力的變化，對(duì)不同模型、不同樁基布置型式碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果相差較大，如何能更加準(zhǔn)確的分析門(mén)機(jī)水平力的方向和取值變化對(duì)高樁梁板碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，需待進(jìn)一步研究。

［1］吳志良.高樁梁板碼頭按平面橫向排架計(jì)算時(shí)門(mén)機(jī)荷載作用取值［J］.水運(yùn)工程，2007（4）：35-42.

［2］JTS167-1-2010 高樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范［S］.

［3］楊錫鎏，陳振民.高樁梁板式碼頭空間結(jié)構(gòu)計(jì)算中忽略面板作用的方法［J］.水運(yùn)工程，2012（9）：93-99.

Value Analysis of Carne's Horizontal Force in Calculation of Beam-slab Wharf Supported on Piles

Yao Di
（CCCC Second Harbor Consultants Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430071，China）

The cause for crane's horizontal force is more complex，and its value is not definitely stipulated in current design standard.A project is based on to build a space model and a plane model respectively in order to calculate and analyze the impact of crane's horizontal force on internal force of the wharf structure under the condition of different directions，different values and different models.The analysis results serve as a reference for the design of beam-slab wharf supported on piles in the future.It is also suggested to carry out relevant subject study.

beam-slab wharf supported on piles； crane's horizontal force； space model； plane model

U656.1+13

A

1004-9592（2016）04-0044-04

10.16403/j.cnki.ggjs20160411

2016-03-08

姚迪（1982-），男，工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。