遮簾式板樁碼頭前軌道梁的優化設計探討

趙雁飛，張立國，楊攀博

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

遮簾式板樁碼頭前軌道梁的優化設計探討

趙雁飛，張立國，楊攀博

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

本文結合唐山港曹妃甸港區煤碼頭三期工程裝船機軌道梁的設計過程，探討碼頭軌道梁設計的創新方案。在遮簾樁導梁上設置支墩，通過縮短支墩間距減小前軌道梁斷面和配筋，并改善配筋方式，取得了較好的經濟效果，可為類似工程的設計提供借鑒。

遮簾式板樁碼頭；軌道梁；優化設計

引 言

現澆彈性地基梁是目前國內碼頭常用的軌道梁結構型式之一，其施工簡單，工期短，但這種結構型式通長需要較大的接地寬度來減小地基應力，這就導致彈性地基軌道梁斷面往往都比較大，造價也較高，本文結合唐山港曹妃甸港區煤碼頭三期工程裝船機軌道梁的設計，探討遮簾式板樁碼頭前軌道梁設計的優化方案，取得了較好的經濟效果。

1 工程概述

唐山港曹妃甸港區煤碼頭三期工程位于曹妃甸一港池西岸側，南端與已建的曹妃甸煤碼頭二期工程相鄰，北端與曹妃甸港區通用散貨泊位工程相接。共建設1個5萬t級泊位、2個7萬t級泊位及2個10萬t級泊位，堆場位于碼頭后方。本工程設計吞吐量為5 000萬t/a。碼頭采用順岸連續布置型式，碼頭長度為1 417.5 m，碼頭結構均按10萬t級設計。碼頭面高程為4.5 m，前沿設計底高程-15.5 m，為遮簾式板樁結構。

2 優化設計過程及方案

2.1 主要設計工藝荷載

軌道梁設計荷載主要為裝船機荷載，其主要技術參數及荷載如下：

1）工作狀態荷載

裝船機軌距22.0 m，基距16.0 m，主機共4個支腿，海側每個支腿10個輪子，陸側每個支腿8個輪子，尾車共4個支腿，每個支腿3個輪子，以海側軌道為例，輪系布置如圖1所示，主機最大工作輪壓為 348.9 kN/輪，兩機間最小中心間距不小于50 m。

圖1 裝船機海側軌道輪系布置示意

2）非工作狀態荷載

裝船機非工作狀態荷載只在非工作狀態停機位置及陣風錨碇處產生。裝船機頂升荷載：裝船機共設4個頂升角，每個角設2個頂升點，每個頂升點向下的垂直力標準值為1 200 kN。裝船機錨定荷載：裝船機在前、后軌各設2個錨碇點，每個錨碇點的水平力標準值為600 kN。裝船機防風荷載：裝船機共設4個防風系纜點，每個防風系纜點的拉力標準值為300 kN。裝船機車擋荷載：裝船機對單車擋產生的水平撞擊力標準值不大于450 kN，對雙車擋不大于 225 kN，撞擊點到碼頭面的垂直距離為0.725 m。非工作狀態主機最大輪壓為398.7 kN/輪。

2.2 初步設計階段方案

初步設計階段碼頭對比了3種結構型式，推薦采用遮簾式地連墻板樁結構方案。前地連墻厚1.1 m，底高程-31.0 m，墻頂高程為0.0 m。在前地連墻后打設一排遮簾樁，其上澆筑導梁。遮簾樁尺寸為1.0 m×2.0 m，樁底高程為-35.0 m，樁頂高程為0.0 m，前墻與遮簾樁凈距3.5 m，遮簾樁沿碼頭縱向中心距2.4 m，地連墻和遮簾樁間采用鋼拉桿相連，遮簾樁和錨碇墻之間設置鋼拉桿，錨碇墻上澆筑導梁。在前地連墻極端低水位處設置排水孔，并在墻后回填碎石倒濾層。碼頭結構斷面如圖2所示。

圖2 初步設計階段碼頭結構斷面

前軌道梁距碼頭前沿線6.5 m，采用碎石基床上現澆彈性地基梁結構型式，前軌道梁倒T形底寬2.0 m，高1.5 m。后軌道梁采用Φ1 200灌注樁為基礎，灌注樁間距4.8 m，后軌道梁尺寸為1.2 m×1.6 m（寬×高，下同）。初步設計階段，前軌道梁標準段最大彎矩設計值為3 580 kN·m，后軌道梁標準段最大彎矩設計值為2 071 kN·m。

現澆彈性地基梁的優點在于其施工工序簡單，工期很短，但由于本工程前軌道梁下設有拉桿，不能強夯，地基承載力較低，因而前軌道梁需要很大的接地寬度，這就導致前軌道梁斷面非常大，造價也很高，但即使如此仍避免不了后期沉降，維護工作量也很大。針對這種情況，施工圖設計階段結合遮簾樁導梁對前軌道梁斷面進行了優化。

2.3 施工圖設計階段方案優化

2.3.1 第一階段優化

前軌道梁距離碼頭前沿 6.5 m，遮簾樁導梁中心距碼頭前沿6.0 m，施工圖階段將遮簾樁導梁中心調整到與前軌道梁一致，并在遮簾樁導梁上設置支墩，從而使前軌道梁受力模式變為多跨連續梁。最初設計方案，支墩間距與后軌道梁樁距相同，均為4.8 m，尺寸為0.8 m×0.8 m，高1.4 m，前后軌道梁標準段尺寸均為1.0 m×1.6 m，碼頭結構斷面如圖3所示。部分軌道梁結構段需設置裝船機檢修和防風抗臺裝置預埋件，斷面加寬為2.4 m×1.6 m，其下支墩尺寸為1.7 m×1.7 m。

圖3 第一階段優化后碼頭結構斷面

軌道梁受力按多跨連續梁進行計算，優化后前軌道梁主要內力計算結果見表1。

表1 第一階段優化后主要內力計算結果

優化后前軌道梁標準段斷面面積由2.0 m2縮小至1.49 m2，混凝土用量節省約26 %。此時前后軌道梁斷面一致，跨度也一致，均為4.8 m。

2.3.2 第二階段優化

在第一階段優化的基礎上，我們結合碼頭結構的實際情況，充分利用遮簾樁的豎向支撐作用，提出了將前軌道梁遮簾樁導梁上支墩間距由4.8 m減小為2.4 m，與遮簾樁間距相同。由于跨度大幅減小，前軌道梁斷面標準段尺寸減小為1.0 m×1.3 m，加寬段減小為2.4 m×1.3 m。再次優化后前軌道梁主要內力計算結果見表2。

表2 第二階段優化后主要內力計算結果

優化后，前軌道梁斷面面積為1.24 m2，相比首次優化后的斷面混凝土用量節省約17 %，配筋用量節省約65 %。雖然支墩個數增加為之前的2倍，但由于支座反力減小，支墩斷面也相應縮小。標準段支墩尺寸優化為0.8 m×0.6 m，加寬段支墩尺寸優化為2.0 m×0.6 m，支墩混凝土總用量并未增加。

圖4 前軌道梁標準段優化前后斷面及配筋

優化后前軌道梁計算跨度與截面高度的比值符合l0/h≤2.5，按深梁進行配筋，中間支座截面的縱向受拉鋼筋的高度范圍和配筋比例參照《水運工程混凝土結構設計規范》均勻布置在相應高度范圍內。圖4顯示了優化前后前軌道梁標準段斷面及配筋。加寬段優化后的斷面及配筋方式與標準段類似，但受力鋼筋直徑要更小一些。可以看出在滿足軌道梁承載能力要求的前提下，優化后的斷面與優化前相比斷面變小，受力鋼筋直徑變小，鋼筋分布更均勻，這種配筋方式對于減少混凝土劈裂，縮小裂縫寬度也更加有利。

3 結 論

1）本工程裝船機前軌道梁通過在遮簾樁導梁上設置支墩，并大幅度縮短支墩間距從而減小軌道梁斷面和配筋，優化后的設計方案較傳統彈性地基梁設計方案相比，在達到相同功能的前提下，混凝土用量減少約35 %，大幅降低了工程費用。

2）本次前軌道梁優化設計突破了常規碼頭門機軌道梁設計的跨度范圍，創新采用了2.4 m的小跨度連續梁結構，有效降低了截面內力。

3）本工程碼頭結構為10萬t級，軌道梁受力筋創新采用18mm、16mm、14mm等小直徑鋼筋，細而密的配筋模式使得應力在截面上更均勻，減少了混凝土劈裂的可能性，也更有利于裂縫寬度的控制。

4）此種軌道梁處理方式在適用性上有一定的限制，本工程碼頭為遮簾式板樁結構，遮簾樁為前軌道梁提供了有力的豎向支撐，在其他可提供連續豎向支撐的碼頭結構如重力式沉箱碼頭等的軌道梁設計中，這種優化設計方式也是很值得推廣應用的。

［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］盧少彥，王婷婷，沈迪洲.某港門機后軌道梁的優化設計探討［J］.中國港灣建設，2013，185（2）：38-40.

［3］JTS 144-1-2010港口工程荷載規范［S］.北京：人民交通出版社，2010.

［4］JTS 151-2011水運工程混凝土結構設計規范［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［5］JTS 167-3-2009板樁碼頭設計與施工規范［S］.北京：人民交通出版社，2009.

Optimum Design of Front Rail Bearer on Curtained Sheet Pile Wharf

Zhao Yanfei，Zhang Liguo，Yang Panbo
（CCCC First Harbor Consultants Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China）

Based on Tangshan port Caofeidian harbor coal terminal phase-3 project，the design process of ship-loader’s rail bearer has been researched to discuss an innovative design option of the rail bearer on wharf structure.Better economic effect is achieved by setting supporting piers on the leading girder of curtained sheet pile，reducing the distance between two piers that minimizes the section and reinforcement of the front rail bearer，and improving the way of reinforcement.The research results will provide a reference for similar projects.

curtained sheet pile wharf； rail bearer； optimimum design

U656.1+12

A

1004-9592（2016）05-0057-03

10.16403/j.cnki.ggjs20160514

2016-06-15

趙雁飛（1985-），女，工程師，主要從事港口工程水工結構設計。