高樁梁板碼頭結構設計分析

徐旭東 楊巖松 中設科欣設計集團有限公司

1.高樁梁板碼頭的類型

1.1 平面布置

梁板式高樁碼頭根據不同的平面布置方式可以分成不同的類型，如連片式、引橋式、墩式、滿堂式等[1]。其中，連片式就是在平面結構中平臺之間連成了一片，引橋式就是在平面結構中可以看到碼頭的平臺與岸邊之間是通過橋梁的連接來完成的，墩式就是在平面布置中碼頭前沿下面設置有船蹲，然后再用橋連起來，滿堂式是在平面布置中碼頭與岸直接相連。

1.2 樁臺的寬度及擋土結構

梁板式高樁碼頭根據不同的寬度以及不同的擋土結構可以進行不同的分類。有寬樁臺和窄樁臺兩種。寬樁臺的樁臺是寬的，用到更多的結構，擋土結構的具體設置也與碼頭相連接，與碼頭形成一個整體，但可以分開運作[2]。較強的承受能力要求寬樁臺高樁碼頭在構建中考慮復雜的受力情況，以及用叉樁實現寬樁臺高樁碼頭的整體建設。窄樁臺的碼頭就不需要使用叉樁，較為簡單。

1.3 上部結構

梁板式高樁碼頭根據上部結構的不同可以分為不同的類型。有梁板式和桁架式這兩種類型。在梁板式這種類型中，碼頭的結構包括橫梁、縱梁、樁帽、面板等，是這些構件的綜合組成[3]。梁板式碼頭的受力能力較強，能夠適應復雜環境下的受力，同時還具有較快的施工速度，可以快速完成。在桁架式碼頭這種類型中，碼頭的結構是固定的，只有三個部分，即：面板、縱梁、桁架。這使得桁架式碼頭具有良好的整體性，能夠使碼頭承受更多的力量。

2.案例工程概況

浙江騰云物流有限公司將投資建設一個可以承載3000噸貨物的運輸碼頭工程。該工程位于臺州市椒江區海門港區。這個工程的范圍在牛頭頸作業區東部，椒江口南岸椒江二橋以東與萬昌船廠以西。地理位置坐標121°28′27"E，28°40′43"N（具體見圖1）。工程建設的內容包括一座3000噸級別碼頭、一個3000噸級泊位，以及防撞墩共計4座、橡膠護舷、連接錨鏈等。該工程占用的海岸線長度共計132米。工程建成后預計年吞吐量可以達到218萬噸。

圖1 具體工程位置圖

3.案例工程高樁梁板碼頭整體結構設計方案

3.1 總平面布置設計

本工程要建成的碼頭將具備3000噸級的泊位，總長132米。該碼頭的建設基地處的河床基本平坦，碼頭的前沿放置于-3米的等深線處，方向平行于水流的方向。碼頭建設的平臺使用的是高樁平臺與靠船平臺相結合的方式，同時設立引橋裝置，其中，高樁平臺和引橋裝置采用的是高樁梁板式結構，靠船平臺采用的是高樁蹲式結構。高樁平臺、靠船平臺、引橋的尺寸分別為125x21m、7x21m、135.35m x10m。該碼頭建筑的平臺前面繼續停泊水域和橢圓形回旋水域的布置，尺寸分別為33.2m和270x162m。進港路線與碼頭的東側平臺相連接，然后進入碼頭。設計的進港路線有兩個方向，有163m寬，底標高為-5.30m。對于船舶乘潮進入港區是可以實現的。在碼頭設置的水域范圍內的上游布置防撞墩共計4座，從南向北的編號依次為1#～4#，之間的距離為30m，一字排開，總長度有128m。1#～3#防撞墩的平面尺寸為9mx8m，4#防撞墩的平面尺寸為11mx8m。1#～3#防撞墩的設防航速為2.5節，4#防撞墩的設防航速為3節。在防撞墩的正面還設置了橡膠護舷，是拱形的，每兩個防撞墩之間還設置了阻攔錨鏈。1#防撞墩與碼頭的前沿線齊平，1#防撞墩與椒江二橋橋墩齊平。

3.2 高樁梁板碼頭結構設計

本案例工程設計的高樁梁板碼頭這個平臺的長和寬分別為132m和21m，一共分3段進行設計與構建，在1985國家高程基準中，平臺頂部的高程為5.00m。每一段結構的尺寸分別為66mx21m、59mx21m、間距7m，下設有6根PHC管樁，半徑為800mm，型號為PHC800B110，3斜3直。上部結構采用現澆橫梁、管溝梁、軌道梁、預制縱梁、250mm預制面板、120mm 厚現澆層和30mm～55mm厚磨耗層。具體設計圖如圖2所示。在軌道梁的上面安裝有QU80鋼軌、頂升裝置、車擋等。碼頭的前面部分設置有可以進行靠船的裝置，裝有橡膠護舷，也稱為橡膠舷梯，型號采用的是DA-A400H，頂部設置有系船柱，采用的型號是550kN。結構段采用的平面尺寸設計的是7mx21m，上部采用現澆墩臺，前沿進行靠船構件的設計。每一排都設置6跟基樁，采用的型號為PHC800B110，其中有3根是斜的，傾斜比例為6：1，3根為直的，樁端進入持力層，而且每一個基樁都建立在比基樁的直徑大于1倍的圓礫層上面。在漁船或者是貨船進入碼頭的過程中，難免會對基樁產生碰撞，為了防止這種碰撞現象的出現，在碼頭的東面和后面部分設置了可以進行靠船的結構，同時在碼頭的東面設置一個橡膠護舷，但是在碼頭的后面不進行該裝置的設置。設計引橋實現碼頭與陸地的連接，設計的引橋長13535m，寬10m，采用的結構是高樁梁板式。引橋下面的排架之間的距離為12m，每一排都采用管樁或鉆孔灌注樁。引橋的上部結構則是由帽梁、600mm厚空心板、120mm厚現澆層和20mm～40mm 厚磨耗層組成。

圖2 碼頭斷面設計圖

3.3 設計船型與兼顧船型

根據《海港總體設計規范》(JTS165-2013)和目前椒（靈）江實際運營的船舶情況，確定本工程設計船型尺度見表1。

表1 設計代表船型主尺度表

3.4 荷載設計

根據《港口工程荷載規范》（JTS144-1-2010）有關規定，各種荷載確定如下：

船舶荷載：（1）船舶系纜力標準值：按水流力和風速22.0m/s共同影響計算，并結合《港口工程荷載規范》(JTS144-1-2010)第10.2節表10.2.5-2中規定，經計算，5000 噸級貨船系纜力計算結果為524kN，設計選用550kN系船柱。（2）船舶撞擊力標準值：首先是船舶對碼頭撞擊力。根據《港口工程荷載規范》（JTS144-1-2010）第10.2節規定，能夠放下5000 噸級別貨物的碼頭在船靠岸的過程中共需要105.08kJ能量，因此本工程的護舷采用的是500H 拱形橡膠護舷，在該型號的性能曲線中查到本工程采用的500H拱形橡膠護舷對應的反力為802.8kN[4]，本工程撞擊力標準值為802.8kN。在船舶與防撞結構的碰撞過程中，會發生非常復雜的力的作用，風浪、水流等環境因素以及船舶的大小、行進的速度、裝載的貨物的重量、船體的結構、船體的材料、船體的強度、船體的剛度等因素都會使力發生非常復雜的變化。同時，這與防撞結構的材質、結構的設計，駕駛員的反應速度等都息息相關，因此，想要實現撞擊力的具體確定是非常困難的。該工程設計中參考系列規范進行撞擊力的計算，結果為5900kN/3節航速、3980kN/2.5節航速。

此外，對采用的工藝荷載進行計算，包括碼頭的均載、引橋的均載、裝卸運輸設備的均載、流動機械的均載、水流的均載、波浪力的均載等。

4.計算結構的內力

4.1 建立結構計算的模型

在工程中采用ansys做結構的內力分析，在本工程中，所涉及到的模型較大并且結構復雜，因此選用實體建模的方式，單元網格的劃分主要是使用映射網格的劃分方式[5]。該軟件在高樁板梁式碼頭模塊中能夠實現多種載荷的處理、多種力的作用效應的計算、具體某個截面的承載力的計算與驗算、單個樁能承受的極限力計算、碰樁的驗算等多種類型的計算。該系統包括三個模塊，分別為計算核心模塊、圖形處理模塊、輔助功能模塊。在使用該系統進行計算時采用的步驟是常規步驟，一共分為四步。第一步是進行工程基本參數的輸入，包括結構的重要性系數、樁端的支撐類型、樁基嵌的固點深度、排架間距、設計水位等。文中輸入的上述參數分別為二級、摩擦端承樁、M值、7m、高低水位等。第二步是進行第一步輸入的數據進行結構模型的建立，包括縱橫梁的結構模型、面板的結構模型、靠船構件的結構模型、水平撐的結構模型、樁基的結構模型等。第三步進行載荷組合，即根據不同的條件設計不同的載荷方式，并進行相應載荷方式的參數輸入。第四步根據第二步的模型和第三步輸入的數據進行內力、位移等的計算。

4.2 計算位移

在位移的計算過程中參考該碼頭所采用的設計施工規范，進行碼頭的水平位移的計算。在計算水平位移的過程中考慮的主要是船舶在受到外部撞擊力的時候產生的位移，包括船舶即將靠岸和船舶已經靠岸的形式。在船舶靠岸的過程中，需要考慮一個護舷吸收能量，其吸收能為E=801Kj，對應的反力為P=1140kN；在船舶已經靠岸的過程中，需要計算三個護舷吸收能量，其中單個的護舷吸收能為E=100Kj，對應的反力為 P=800kN。

4.3 計算樁基內力

在本工程中設計采用的樁基包括預應力高強混凝土樁和鉆孔灌注樁兩種。因此，這種設計決定了需要在計算中考慮到海水的腐蝕性對樁基的影響，因此，計算樁基內力分為兩個階段[5]。第一階段計算的是鋼筋和樁芯混凝土的樁基內力，第二階段計算的是鋼筋完全腐蝕之后剩余的樁芯混凝土的樁基內力。文中計算第一階段的樁基內力時要計算三個部分，包括極限狀態、正常狀態、地震狀態下的計算。計算第二階段的樁基內力時要計算兩個部分，一個是極限狀態一個是正常狀態，不需要進行地震狀態下的計算，但是在極限狀態中的計算應將樁基內力按照抗彎剛度成比例分配。

4.4 計算結構配筋

在案例碼頭中，碼頭的上部結構采用的是一種雙向預應力整體式箱板結構，并將這種結構沿著碼頭縱軸的方向進行安裝。在碼頭橫軸方向采用后張無粘結預應力，在碼頭縱軸方向采用后張有粘結預應力。因此，這種組合的方式會使得該碼頭大大降低雙向預應力簡對其影響，這種影響甚至可以忽略不計，所以在進行結構配筋的計算時，將其忽略。在進行縱向的預應力配筋計算的時候，要將碼頭上部結構的縱向拼接考慮進去，在拼接處的承載力比不在拼接處的承載力低，在拼接處會有次應力影響。因此，在計算過程中內力的值要進行相應的放大，論文取1.2倍放大值，以增加結構安全性。采用的配筋方案具體為：在結構拼裝之前橫向預應力已經存在，拼裝后才會有縱向預應力的存在，因此橫向預應力為直線配筋，面板中心的縱向預應力為曲線配筋，肋梁為直線配筋。這樣可以使面板中心的截面有抗裂功能。方案中采用的預應力筋都為15.2鋼絞線，橫向無黏結處的線束張拉控制應力為0.75fptk，縱向有黏結處的線束張拉控制應力為0.7fptk。

5.結語

碼頭作為重要的海事運輸場所，可以為我國的海事發展提供基礎平臺。高樁碼頭結構作為碼頭最常使用的結構之一，其重要性可見一斑。本文結合浙江騰云物流有限公司建設的3000噸級貨運碼頭這項案例，進行了具體的總體設計、碼頭結構設計、載荷設計及具體的內力計算。通過分析高樁梁板碼頭的設計要素以及其具體的載荷限度，看到高樁梁板碼頭降低工程造價的意義。文章結論可供相似項目進行參考。