卸荷板對方塊碼頭基床應力影響的研究

王志瑜，張 峰

（1.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222；2.威海市雙島灣開發投資有限公司，山東 威海 264200）

引 言

重力式方塊碼頭，由于其混凝土結構自重較大，加之后方回填材料、使用荷載對方塊主體產生的土壓力和波吸力的作用，使墻底應力分布不均勻，導致海側應力增大，陸側應力減小，甚至出現應力為零的點，為了使應力分布更為合理，卸荷板的作用顯得尤為突出。

本文結合葫蘆島港綏中港區某通用泊位工程研究卸荷板懸臂高程和長度在正常使用狀況和地震狀況對基床應力的影響規律。

圖1 碼頭結構斷面

1 工程概況

葫蘆島港綏中港區某通用泊位工程為兩個 5萬t級通用散貨泊位，碼頭結構按照10萬t設計。碼頭前沿底高程-16.2 m（以當地理論最低潮面算起，下同），碼頭頂面高程4.0 m，碼頭主體結構高20.2 m，基床厚度3.5 m（即底高程-19.7 m），碼頭區域-19.7 m高程以下為圓礫和卵石，是重力式方塊碼頭的良好持力層。該碼頭標準結構段長21.74 m，主體結構由4層混凝土方塊、卸荷板和現澆胸墻組成。碼頭結構斷面如圖1所示。

2 計算分析

2.1 計算方法及變量選取

基床應力采用重力式理正軟件對碼頭結構進行計算。鑒于當地的水位條件（保證胸墻底面在施工水位以上）以及以往類似工程的設計經驗分別選取卸荷板外伸長度L=2.0 m、2.5 m、2.9 m（卸荷板長度不宜太長，超過3.0 m卸荷板配筋很難算夠，小于 1 m 卸荷功能不明顯），卸荷板底高程H=-1.0 m、-1.2 m、-1.5 m、-1.7 m、-2.0 m的情況進行計算。

2.2 結果與分析

通過計算得到了持久組合狀況下基床應力的計算結果，如圖2（a）～（h）所示。

圖2 持久組合狀況下基床應力計算結果

圖2中（a）、（b）、（c）分別為卸荷板懸臂長度不變，通過改變卸荷板底高程得到碼頭前趾應力的變化規律，從圖中可以看出當卸荷板懸臂長度不變，改變卸荷板底高程對碼頭前趾應力影響很小，前趾應力變化基本上是隨著卸荷板底高程的降低而減少，這是降低卸荷板底高程導致碼頭重心后移帶來的變化。但是圖（a）中當卸荷板底高程降低至-2.0 m時碼頭前趾應力突然由變小的趨勢變為增大，這是由于降低卸荷板高程雖然將碼頭重心后移，但同時也增加了整個碼頭結構的自重，且由于自重增加的前趾應力大于重心后移降低的前趾應力。總體來說對于持久狀況，通過改變卸荷板高程來降低基床應力的效果不明顯。

圖2 中（d）、（e）、（f）、（g）、（h）分別為卸荷板底高程不變，通過改變卸荷板懸臂長度得到的碼頭前趾應力變化規律，從圖中可以看出當卸荷板底高程不變時，碼頭前趾應力隨著卸荷板懸臂長度的增大而減少，且變化趨勢明顯。

地震組合得到結果如圖3所示。

圖3 地震組合結果

圖3中（a）、（b）、（c）分別為卸荷板懸臂長度不變，通過改變卸荷板底高程得到碼頭前趾應力的變化規律，從圖中可以看出當卸荷板懸臂長度不變，前趾應力變化基本上是隨著卸荷板底高程的降低而增大，這是隨著卸荷板底高程降低導致碼頭主體結構自重增大，豎向地震慣性力增大造成的，圖中可以看出卸荷板長度為2.5 m和2.0 m時，前趾應力雖然隨著卸荷板底高程的降低而增大，但是變化幅度有限，但是當卸荷板懸臂長度為2.9 m時，前趾應力變化明顯，這同樣是卸荷板加長導致碼頭主體結構自重增大造成的。所以當地震加速度為0.1g，只有在卸荷板懸臂長度較大情況下通過調節卸荷板底高程對應力影響較大。

圖3 中（d）、（e）、（f）、（g）、（h）分別為卸荷板底高程不變，通過改變卸荷板懸臂長度得到的碼頭前趾應力變化規律，從圖中可以看出當卸荷板底高程不變時，碼頭前趾應力隨著卸荷板懸臂長度的增大而減少，且除了（h）之外均降低明顯，說明在卸荷板底高程過低時，通過加長卸荷板的長度對碼頭前趾應力影響有限。

根據以上計算結果我們可以看到，不論在地震組合還是持久組合卸荷板的懸臂長度對本工程的基床應力的影響遠大于卸荷板底高程的影響，合理的選擇卸荷板長度成為本工程碼頭結構設計的重點。根據上述計算結果并結合當地的工程實際本工程選擇的卸荷板懸臂長度為2.9 m，底高程-1.5 m。

3 拓展研究

圖4 基床應力影響規律計算結果

由于綏中地區地震烈度為7度，地震加速度為0.1g，根據以往的成果，0.1g的地震加速對碼頭結構影響很小，故這里不做計算，但是當地震加速度為0.2g時地震對碼頭的影響就非常顯著了，由于方塊碼頭的整體性較差，當地震加速度大于0.2g時就不適合采用重力式方塊結構了，所以這里僅對地震加速度為0.2g的情況進行拓展研究。計算還是采用以上的工況，分別研究卸荷板懸臂長度和底高程對基床應力的影響規律，計算結果如圖4所示。

圖4（a）、（b）、（c）分別為卸荷板懸臂長度不變，通過改變卸荷板底高程得到碼頭前趾應力的變化規律，從圖中可以看出當卸荷板懸臂長度不變，前趾應力變化基本上是隨著卸荷板底高程的降低而增大，正好與持久狀況相反，這是由于降低卸荷板底高程增加了上部結構自重導致整個結構頭重腳輕，結構上部地震慣性力大增，使得傾覆力矩增大的緣故，且當懸臂長度較大時，這種變化趨勢尤為明顯，通過對比（a）和（c）看出，當懸臂長度為2.0 m時雖然隨著懸臂底高程的降低而變大但是變化幅度很小，當懸臂長度為2.9 m時，在卸荷板底高程由-1.5 m調整到-1.7 m時幾乎發生了突變，這是傾覆力矩變大導致基頂應力重分布造成的結果。所以對已地震狀況，卸荷板底高程的選取非常重要，應該盡量選擇一個偏高的高程以減小上部結構的自重，達到減小地震慣性力的目的。

圖4（d）、（e）、（f）、（g）、（h）分別為卸荷板底高程不變，通過改變卸荷板懸臂長度得到的碼頭前趾應力變化規律，從圖中可以看出當卸荷板底高程不變，改變卸荷板懸臂長度時得到的圖形除圖（f）之外基本都是V字型，說明這四種情況卸荷板最優的懸臂長度均在2～2.9 m之間；對于底高程為-1.5 m的情況，最優懸臂長度應該大于 2.9 m，但是方塊碼頭的卸荷板一般不宜做到3 m以上。當地震加速度為0.2g時卸荷板長度應在2.0～2.9 m之間選取，卸荷板底高程盡量抬高。

4 結 語

1）對于持久狀況卸荷板底高程的選取對基床應力影響很小，而卸荷板懸臂長度是控制因素，可以通過增加卸荷板懸臂長度來降低基床應力。

2）當地震計算加速度為0.1g時，卸荷板底高程的選取不能過低，然后卸荷板懸臂長度來降低基床應力。

3）對于地震計算加速度為0.2g的地區，卸荷板底高程應盡量選擇的高一些，以減少卸荷板上擔土的重量，同時卸荷板懸臂長度盡量控制在2.5 m左右，以減少碼頭主體結構的重量。

卸荷板底高程和懸臂長度對重力式方塊碼頭基床應力有著極為重要的影響，但不是影響基床應力的惟一因素，底層方塊寬度對基應力的影響也極為明顯，本文是在底層方塊寬度一定的前提下研究的卸荷板底高程和懸臂長度對重力式方塊碼頭基床應力影響，但在實際工程中還應綜合考慮方塊寬度對碼頭結構的影響。