淺談非標準底座系船柱在碼頭改造中的應(yīng)用

金泰賽

摘 要：以廣州南沙海事工作船碼頭改造項目為依托，基于《碼頭附屬設(shè)施技術(shù)規(guī)范》（JTJ297-2001）的規(guī)定和彈性地基板理論進行假設(shè)，采用midas-civil有限元軟件模擬非標準底座系船柱在系纜力作用下錨栓和基礎(chǔ)塊體的受力情況，通過與常規(guī)改造方案對比，提出更經(jīng)濟合理的方案，供類似工程設(shè)計參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：碼頭改造 系船柱 彈性理論 有限元

港口作為國家經(jīng)濟的命脈，是交通運輸網(wǎng)絡(luò)的樞紐，近年來，隨著船舶的大型化，沿海很多碼頭已不能滿足運輸生產(chǎn)的需要，迫需對原碼頭進行升級改造或者拆除重建。廣州南沙海事工作船碼頭于2013年建成投入使用，碼頭結(jié)構(gòu)新，施工質(zhì)量好，但原設(shè)計靠泊船型較小，碼頭設(shè)備不能滿足大型海巡船靠泊要求，需對原碼頭系船柱進行技術(shù)改造，本文主要結(jié)合工程實例，淺談對系船柱改造的心得。

1.項目概況

廣州南沙海事工作船碼頭， 位于廣州番禺東南部廣深珠高速公路交匯地南沙，處于珠江干流之上廣東省的中部，虎門水道西側(cè)。碼頭結(jié)構(gòu)長194m，共分為3個結(jié)構(gòu)段，單個結(jié)構(gòu)長約65m。碼頭選用φ700mmPHC管樁，共9個排架，排架間距為7m，樁間距為4 m，原系船柱規(guī)格為250kN，間距21m布置。原設(shè)計靠泊船型為海標32船、 60米級海巡船和海巡1515船，共3個泊位，隨著海洋執(zhí)法船的大型化，今應(yīng)靠泊船型的改變，需對碼頭進行改造設(shè)計，改造設(shè)計船型為海巡31船，型長112.6m，型寬13.8m，型深6.5m，滿足吃水4.6m。

2.改造內(nèi)容及方案

2.1改造內(nèi)容

改造設(shè)計船型海巡31船滿載排水量為3000噸，碼頭原設(shè)計最大船型海標32船滿載排水量為1000噸，由于船舶噸位增加，需對原碼頭附屬設(shè)施、梁板結(jié)構(gòu)、樁基礎(chǔ)等需進行復核驗算，并提出技術(shù)改造方案。

經(jīng)核算，碼頭主體樁基、梁板等結(jié)構(gòu)均能適應(yīng)海巡31船的靠泊需求；船舶荷載按《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010）有關(guān)公式計算，取設(shè)計風速V=22m/s，流速V=1.51m/ s，計算得海巡31船的船舶系纜力計算值300.82kN，應(yīng)選用350kN系船柱作為系纜設(shè)備。故需對海巡31船泊位長度142.7m范圍內(nèi)的系船柱進行升級改造，由原250kN升級到350kN。

2.2改造方案

采購標準規(guī)格的系船柱更換是常規(guī)的改造方案，本工程上橫梁寬900mm，標準350kN系船柱底座尺度900mm×900mm，采用植入錨栓的后錨固方法不能滿足《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》（JGJ145-2013）的最小邊距的要求，所以必須拆除碼頭部分面板，然后對系船柱安裝位置處的上橫梁進行局部加寬，通過植入化學錨栓+預埋錨栓形式進行安裝，如采用此方案不僅達不到投資方的工期目標，且碼頭結(jié)構(gòu)破損范圍大，后期修復量大，工程投資高。

結(jié)合工程實際情況考慮，基于減少改造對原碼頭結(jié)構(gòu)破損的原則，擬在原有250kN系船柱的基礎(chǔ)上安裝定制的350kN非標準底座系船柱，由于250kN系船柱和350kN系船柱均采用相同規(guī)格的φ30mm錨栓，故僅需拆除原有250kN系船柱柱體，保留原系船柱基礎(chǔ)塊體和原錨栓，對原碼頭結(jié)構(gòu)幾乎沒有破損，較常規(guī)的改造方案具有改造工程量小，施工速度快，工程投資少等多方面優(yōu)點。考慮到系纜力增大，而定制的350kN系船柱底座尺度與原250kN系船柱的一致（700mm×700mm），其抗力力臂小，故增設(shè)4根錨栓，確保錨栓抗拉能力滿足要求，采用植入化學錨栓方式安裝。

3.有限元建模計算

標準規(guī)格的系船柱均按照《系船柱通用圖》制作，其構(gòu)件均按照《系船柱構(gòu)件通用設(shè)計編制說明》（水運規(guī)劃設(shè)計院技術(shù)管理室）的公式進行計算。

本工程采用定制的350kN非標準底座系船柱安裝，其底座尺度與原250kN的一致（700mm×700mm），僅在原基礎(chǔ)塊體上增加4根錨栓，單個系船柱錨栓總數(shù)為11根，《系船柱構(gòu)件通用設(shè)計編制說明》中沒有合適的計算公式可供參考。根據(jù)《碼頭附屬設(shè)施技術(shù)規(guī)范》（JTJ297-2001）的規(guī)定，錨栓最大拉力值應(yīng)按底盤混凝土基礎(chǔ)受拉區(qū)錨栓承受全部拉力，受壓區(qū)混凝土承受全部壓力的原則進行計算。基于上述規(guī)范要求和彈性地基板理論可以假設(shè)：

①系船柱基礎(chǔ)塊體僅受壓，混凝土基礎(chǔ)塊體對系船柱鋼底座的支承為面彈性支承。

②系船柱錨栓僅受拉，按彈性連接考慮。

根據(jù)上述假設(shè)建立midas-civil有限元模型，系船柱柱體用實體單元模擬，由板單元擴展為實體單元，非標準底座采用板單元模擬，柱體的實體單元與底座的板單元節(jié)點必須對應(yīng)連接，系船柱柱體頂部各實體單元節(jié)點采用剛性連接，可保證施加系纜力荷載后，各實體單位不產(chǎn)生局部壓縮變形。各材料參數(shù)如表1。

依據(jù)材料參數(shù)得地基彈性模量3×107k N/m2，彈性連接剛度141372kN/m，在midas-civil軟件中設(shè)置面彈性支承的邊界條件時要注意，輸入材料參數(shù)后需選擇“僅受壓”，同樣設(shè)置彈性連接的邊界條件時要注意，輸入材料參數(shù)后需選擇“僅受拉”，這樣才能保證基礎(chǔ)塊體在系纜力作用下僅受壓力，而錨栓僅受拉力。與上述規(guī)范要求和假設(shè)成立，計算結(jié)果有效可信。

根據(jù)船舶實際系帶纜情況，分別施加3個角度的系纜力進行計算，計算結(jié)果如表2所示。

根據(jù)《水運工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTS151-2011）和《碼頭附屬設(shè)施技術(shù)規(guī)范》（JTJ297-2001）的相關(guān)規(guī)定和公式計算得混凝土基礎(chǔ)塊體允許壓應(yīng)力和系船柱錨栓允許拉力。公式如下：

式中：Am—單根錨桿的螺紋部分橫截面面積（mm2）；

fL—錨桿材料抗拉強度設(shè)計值（N/mm2）；

Rmax—單根錨桿的最大拉力設(shè)計值；

從表3驗算結(jié)果可知，在原250kN系船柱基礎(chǔ)塊體上安裝定制的350kN非標準底座系船柱可滿足受力要求。

4.結(jié)語

本文通過結(jié)合廣州南沙海事碼頭改造工程的實例，基于《碼頭附屬設(shè)施技術(shù)規(guī)范》（JTJ297-2001）的規(guī)定和彈性地基板理論進行假設(shè)，采用midas-civil有限元軟件計算系船柱錨栓和基礎(chǔ)塊體受力，選用最節(jié)省，最方便，施工速度最快的方案對系船柱進行了升級改造，使能滿足海巡31船系靠作業(yè)要求。目前本工程已經(jīng)完成升級改造，所采取的改造方案已在工程實施中得到驗證，不僅達到了短時間內(nèi)完成改造的目標，同時為投資方大大節(jié)省了工程投資。本次升級改造所采用的非標準底座系船柱方案和有限元建模計算方法可作為相關(guān)工程借鑒和參考。

參考文獻：

[1]JTJ297-2001，碼頭附屬設(shè)施技術(shù)規(guī)范.

[2]JTS151-2011，水運工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范.

[3]JGJ145-2013，混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程.

[4]JTS144-1-2010，港口工程荷載規(guī)范.

[5]系船柱構(gòu)件通用設(shè)計編制說明，水運規(guī)劃設(shè)計院技術(shù)管理室，1978.

[6]彈性地基梁及矩形板計算.中國船舶工業(yè)總公司第九設(shè)計研究院，1983.endprint