貴港市某老舊碼頭靠船墩結構設計方案對比分析

杜 政

(廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

貴港港是國家對外開放一類口岸、全國28個主要內(nèi)河港口之一。近10年，貴港市港口貨物吞吐量年均保持12%以上增幅，2019年貴港港貨物吞吐量突破8 000萬t，2020年吞吐量破億，成為珠江水系首個內(nèi)河億噸大港。貴港市港口在快速發(fā)展的同時，也暴露出一些問題，其中比較突出的一個問題是港口“小散亂”現(xiàn)象比較嚴重，港口現(xiàn)代化程度不高。目前，貴港市登記在冊的港口企業(yè)有87家，老舊碼頭超過70家，占比超過80%，普遍存在碼頭結構安全性不明確，工藝設備簡陋，配套水電、環(huán)保設施不完備，系靠泊設施缺失或者不完善等問題，存在一定的安全隱患。因此，從2019年開始，貴港市港口行政管理部門啟動老碼頭提檔升級改造，尋求港口發(fā)展破局，提速高質(zhì)量發(fā)展。

靠船墩作為老舊碼頭提檔升級中最重要的水工結構之一，其結構的安全性和適用性至關重要，選擇合適的靠船墩結構型式不但可以節(jié)省投資，提高裝卸效率，也為未來貴梧航道向更高級航道提升，停靠更高噸位船舶做好準備。

1 工程實例

1.1 項目背景

本項目位于貴港市平南縣，潯江左岸，所在河段兩岸Ⅰ級階地地面高程27～40 m，岸坡坡度一般為25°～40°。岸坡中上部為黏土或(粉)砂質(zhì)黏土，下部為中厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等，部分河段可見基巖裸露。河床覆蓋層主要為粉質(zhì)黏土及砂卵石，覆蓋層淺，河床基巖為中風化灰?guī)r。根據(jù)相關資料可知，碼頭處河段設計高水位為33.88 m，設計最高運營水位為31.00 m，施工水位為20.00 m，設計低水位為18.74 m，水位落差較大。

本項目碼頭設施簡易，船舶依自然河岸散亂靠泊，缺少符合規(guī)范要求的系、靠船結構和防撞設施，碼頭作業(yè)基本是離岸靠泊，隨意系纜于岸坡樹樁或者臨時鋼筋地牛，布置靠船墩設施迫在眉睫。

1.2 結構選型

碼頭工程中常見的系靠泊結構型式依適應水位落差可分為兩大類，一類是高樁梁板式、墩式、重力式結構為主，常見于海港碼頭和水位落差較小的內(nèi)河地區(qū)；另一類是高樁框架結構、浮式躉船為主，適應于長江流域、西江流域等其他水位落差較大的內(nèi)河山區(qū)河流。本項目位于貴港市平南縣，屬于長洲樞紐庫區(qū)，受上下游樞紐調(diào)控，碼頭洪水期和枯水期水位落差較大，設計高低水位最大落差達15.14 m。因此，本項目靠船結構初步擬定為高樁框架式和浮式躉船。高樁框架式結構靠船墩受力明確，超限撞擊力適應性強，在長江流域，尤其是三峽庫區(qū)中大水位差碼頭建設中應用廣泛[1]。躉船可移動性強，船體可隨著水位浮動，缺點是隨水位變化經(jīng)常移船，移船作業(yè)較麻煩，部分裝卸機械須安裝在躉船上，裝卸效率較低，一般應用于系靠泊中小型船舶，且浮躉船調(diào)動對航道通航安全造成一定隱患[2-3]。

通過分析項目所處的地質(zhì)和水位資料可知，本項目位置屬于典型的淺覆蓋層，大水位差河段，最終靠船墩選擇嵌巖樁基高樁框架結構。

針對常用高樁框架結構，本文采用有限元軟件Midas Civil分別對承臺式和無承臺式結構建立空間模型，計算不同構件在不同工況下的位移和內(nèi)力，并通過安全性、施工難度、工程造價等方面的對比分析，給出推薦方案。

1.2.1 承臺式+鋼筋混凝土樁基框架式靠船墩

靠船墩平面尺寸為6.0 m×7.0 m，分為上下兩層承臺，承臺厚1.5 m，上層承臺頂標高為34.0 m，下層承臺頂標高為22.0 m。上下層承臺之間為框架結構，前沿設置2根靠船立柱，尺寸為1 m×1 m，中部設置4根普通立柱，尺寸為0.8 m×0.8 m。立柱之間由縱橫向聯(lián)系梁連接，斷面尺寸為0.6 m×0.8 m。下層承臺底部設置靠船構件，底標高為19.0 m。承臺及框架部分混凝土強度等級均為C40。承臺下部樁基均采用4根φ1 500mm沖孔灌注樁。混凝土強度等級為C30。

1.2.2 無承臺式+鋼筋混凝土樁基框架式靠船墩

靠船墩平面尺寸為6.0m×7.0m，頂標高為34.0m，承臺厚1.5m，混凝土強度等級為C30。承臺下部4根樁基均采用φ1 500mm沖孔灌注樁，混凝土強度等級為C30。立柱之間由2層縱橫向聯(lián)系梁連接，斷面尺寸為0.8m×1.2m。承臺及聯(lián)系梁混凝土強度等級均為C30，前排灌注樁至碼頭前沿設置靠船構件，靠船構件截面尺寸為1.5m×1.0m，底標高為19.0m。

兩個方案主要構件型式和數(shù)量對比說明見表1。

表1 結構主要構件對比說明表

1.3 內(nèi)力計算

靠船墩是主要承受水平向荷載的群樁基礎，目前靠船墩內(nèi)力計算方法有M法、P～Y曲線法、N-L法和布盧姆法等[4]，這些方法都屬于平面內(nèi)力分析方法。對于框架結構，這些方法都有其局限性，均未考慮聯(lián)系梁的傳力作用。因此，本文采用有限元法建立三維空間模型，不僅可全面考慮聯(lián)系梁的傳力作用，而且可同時考慮水流力的作用。

1.3.1 模型建立

采用有限元分析軟件Midas對其進行三維結構內(nèi)力分析。碼頭樁基、柱和聯(lián)系梁均采用梁單元，面板采用板單元，樁底固結。有限元模型分別如圖1和圖2所示。

圖1 承臺式有限元模型圖

圖2 無承臺式有限元模型圖

1.3.2 作用荷載和效應組合

靠船墩的永久作用包括結構自重。可變作用包括船舶系纜力、撞擊力、水流力以及人群荷載。本文主要分析在設計高水位靠船墩受撞擊力和水流力作用下的內(nèi)力分析。具體荷載如下：

(1)人群荷載：5kPa。

(2)船舶荷載

系纜力：450kN船舶撞擊力。

船舶撞擊力標準值：P=539kN(采用DA-A400H×2 000L標準反力型橡膠護舷[5]。船舶靠泊時護舷反力為船舶撞擊力，其標準值取為539kN)。

(3)荷載組合

工況一(承載力極限狀態(tài)下的持久組合)：

1.2×恒載+1.5×撞擊力+1.4×水流力(2.0m/s)+1.0×人群荷載。

工況二(正常使用極限狀態(tài)下的標準組合)：

1.0×恒載+1.0×撞擊力+1.0×水流力(2.0m/s)+1.0×人群荷載。

本文中列出的彎矩和剪力值均為Y和Z方向的合力作用：

1.4 計算結果分析

樁基內(nèi)力和聯(lián)系梁內(nèi)力計算結果如表2和表3所示。由表2～3可知，在不同工況下，承臺式碼頭結構樁基軸力和剪力較無承臺式稍小，上下層承臺約束作用，提高了靠船墩整體剛度，承臺式結構墩頂位移較無承臺式小3.8mm，減少約11.9%。考慮到靠船墩與陸域堆場通過鋼棧橋連接，應控制墩頂橫向位移。

兩個方案內(nèi)力主要差別在于靠船墩聯(lián)系梁部分，承載能力極限狀態(tài)工況下的彎矩值和剪力值，承臺式分別偏小79.65%和73.61%；正常使用極限狀態(tài)工況下的彎矩值和剪力值，承臺式分別偏小79.96%和72.45%。可以明顯看出承臺對橫撐剪力的削減作用。承臺式結構構件多，受力相對復雜，但整體受力均勻，立柱、聯(lián)系梁、靠船立柱所受內(nèi)力相差不大，未出現(xiàn)大的內(nèi)力突變。無承臺式結構構件少，受力明確，但橫向聯(lián)系梁部分承擔較大的內(nèi)力，應引起特別注意。尤其是底層橫向聯(lián)系梁，設計時應加大在該處的截面尺寸，特別關注橫向聯(lián)系梁與樁基連接處的破壞。綜合兩個方案優(yōu)缺點(如表4所示)，建議推選承臺式鋼筋混凝土樁基框架式靠船墩。

表2 樁基內(nèi)力計算成果表

表3 聯(lián)系梁內(nèi)力計算成果表

表4 方案優(yōu)缺點對比表

2 結語

(1)承臺式鋼筋混凝土嵌巖樁框架結構靠船墩整體受力均勻，承臺結構增加了整體剛度，減少了墩頂位移；無承臺式鋼筋混凝土嵌巖樁框架結構靠船墩橫向聯(lián)系梁處受力明顯較大，實際使用中對于超限撞擊能力適應性相對較差，應特別關注橫向聯(lián)系梁的監(jiān)測。

(2)承臺式結構靠船墩構件型式較多，受力相對復雜，但構件澆筑施工難度較低；無承臺式結構靠船墩構件型式少，受力簡單明確，但采用圓形立柱與方形聯(lián)系梁連接需另外定做模板，增加施工難度。

(3)總體來看，采用承臺式鋼筋混凝土嵌巖樁框架結構靠船墩能較好地適應內(nèi)河大水位差、淺覆蓋層地區(qū)，具有受力均勻、造價相對較低、施工相對簡單等優(yōu)點，可為貴港市其他類似老舊碼頭靠船墩提檔升級提供參考。