內河現(xiàn)澆高樁框架碼頭結構設計關鍵技術環(huán)節(jié)

江斌，陳孝建

（江西省港航設計院有限公司，江西 南昌 330008）

在長江中下游地區(qū)內河碼頭設計中，由于高低水位差較大，經常采用高樁框架結構，該結構可以隨著水位的升降實現(xiàn)船舶的多層系靠。高樁框架碼頭結構設計的關鍵性技術環(huán)節(jié)主要有結構段劃分、多層系纜設計、樁基結構設計、結構計算等。這些關鍵環(huán)節(jié)中有些在規(guī)范中有規(guī)定，有些沒有規(guī)定。雖然有些技術環(huán)節(jié)在規(guī)范中有規(guī)定，但在港口工程設計文件或者實際設計考慮中普遍存在疏漏或表達不夠充分的情況，甚至出現(xiàn)誤解或執(zhí)行不力的問題；也有一些在規(guī)范中并沒有明確。為了形成更趨完善、合理的技術環(huán)節(jié)，在正確理解規(guī)范的基礎上，需要建立一套完整、合理的思維體系，并將其運用于設計過程之中。本文對現(xiàn)澆高樁框架碼頭結構設計關鍵技術環(huán)節(jié)進行闡述，對類似設計具有參考意義。

1 結構方案的確定

1.1 結構段的劃分

影響高樁碼頭伸縮縫間距設置的因素較多，如溫差、上部結構形式、樁基剛度、樁基布置等。沉降縫主要考慮荷載和地質狀況，一般與伸縮縫合并處理設置結構縫。《碼頭結構設計規(guī)范（JTS 167-2018）》第5.1.10條規(guī)定[1]：碼頭樁臺應設置伸縮縫和沉降縫。對于高樁梁板碼頭現(xiàn)澆結構不宜大于35m 一段，對于裝配預制高樁梁板碼頭取60—70m 一段。預制結構的結構段一般較現(xiàn)澆結構要長，這是由于預制混凝土構件已基本完成收縮，故伸縮縫的間距可適當加大。

《混凝土結構設計規(guī)范（GB50010-2010）》表8.1.1[2]，對于露天的裝配式排架結構和裝配式框架結構伸縮縫最大間距分別為70m 和50m。此外柱高低于8m 的排架結構伸縮縫間距宜適當減小。這是由于結構剛度的不同而導致的差異，框架結構剛度大，會對混凝土的收縮產生更大的約束應力，從而更容易導致開裂。

設計者應結合規(guī)范，并通過有效的分析或計算慎重考慮各種因素對結構內力和裂縫的影響，確定合理的伸縮縫間距。

1.2 多層系纜分層高度的確定

由于河道水深和航行條件的限制，內河船舶尺度較小，船舶滿載時干舷較低，為了滿足不同水位下船舶系靠泊要求，碼頭結構通常需要布置多層系船柱或浮式靠船設施，分層高度可取為3—4m[3]。設計人員在設計時往往在這個區(qū)間取值確定分層，分層高度的選擇欠考慮，具有隨意性。實際在考慮分層高度時尚需要結合船舶在較低水位靠泊時，船舶干舷與系纜平臺的相對高度以滿足人員上下船的要求，隨意分層可能導致船上人員上下不便，并且需盡可能地減少分層層數(shù)以降低結構造價。

1.3 框架結構中斜撐的設置

在一些高樁框架碼頭中常常設置斜撐來增加結構整體剛度，且一般設置于立柱與縱橫撐節(jié)點處，斜撐的設置導致該處節(jié)點連接較為繁雜，實際施工時較為不便，有些項目施工單位直接請求變更設計申請取消斜撐的設計。

從計算結果比較來看，斜撐的設置對于結構整體剛度有所增加，但是增加不夠明顯，從變形考量會減少10%左右，且不設置斜撐時變形依然可以滿足要求。這主要是由于高樁框架碼頭下部已經設置了多層系纜，且整個結構段框架也設置了縱橫向水平撐，對于結構段的整體剛度已經有了較好保證；并通過具體項目使用參照，高樁框架碼頭中不設置斜撐也能滿足運營使用要求。因此建議高樁框架碼頭結構中盡量不設置斜撐。

2 結構計算中的相關考慮

2.1 計算模型選擇

2.1.1 空間特性

《碼頭結構設計規(guī)范（JTS 167-2018）》在第5.2.4條闡述了可根據(jù)碼頭梁系、樁基的布置和結構的整體性等，選擇按平面結構計算或者空間結構計算結構內力。但是在高樁碼頭設計當中，設計人員往往從簡單快捷的角度出發(fā)，按照簡化的二維平面排架結構進行計算，而忽視對碼頭空間特性的分析。二維平面排架結構的計算方法，雖然大多在偏安全的范圍內，但是也帶來了工程造價的增加。

對于現(xiàn)澆高樁框架碼頭，碼頭分段長度（不宜大于35m）與平臺寬度相差較小，且由于下部縱橫聯(lián)系梁的設置，碼頭縱橫向剛度比較接近。根據(jù)有關研究成果表明當碼頭縱橫向剛度比較接近，空間特征較為明顯時，高樁結構應按空間計算取值更為合理。

2.1.2 水平集中力在高樁碼頭排架中的分配系數(shù)

二維平面排架結構計算方法需要考慮水平集中力的橫向分力在各排架中的分配，在《碼頭結構設計規(guī)范（JTS 167-2018）》附錄F 中給出了5 跨～10 跨結構段水平集中力的橫向分力在高樁碼頭排架中的分配系數(shù)。但是在實際工作中，因為內河大水位差碼頭經常采用整體現(xiàn)澆上部結構，而《碼頭結構設計規(guī)范（JTS 167-2018）》5.1.12 條規(guī)定：上部結構為整體澆筑混凝土時，不宜大于35m。因此進行碼頭結構設計時經常會遇到四跨的情況，而規(guī)范中卻沒有給出可供參考的數(shù)值。此外，高樁框架碼頭所受水平集中力作用高程的不同也會對分配系數(shù)造成影響[4]，而規(guī)范未對此做出區(qū)分。因此，規(guī)范給出的分配系數(shù)對于高樁框架碼頭并不適用。

鑒于以上兩點分析，對于現(xiàn)澆高樁框架碼頭應優(yōu)先采用三維空間結構進行計算。

2.2 系纜力施加

在采用三維空間結構進行碼頭計算時，往往選擇一個最不利的結構段進行計算。在對模型施加系纜力時設計人員往往欠考慮，會直接在計算結構段的兩端分別施加一個系纜力，這樣施加的系纜力導致忽略了單個系纜力對結構段所產生的扭轉影響，并且與系纜力計算情況不符。依據(jù)《九江港總體規(guī)劃（修訂）》[5]，內河船舶總長一般不會超過150m。依據(jù)《港口工程荷載規(guī)范（JTS 144-1-2010）》10.2.2 條[6]：船舶總長≤100m 時，受力系船柱為2 個；101m ≤船舶總長≤150m 時，受力系船柱為3 個。在系纜力計算時會根據(jù)該條款確定同時受力的系船柱個數(shù)。由于一個結構段的長度宜在35m以內，因此對于一艘內河船舶的靠泊結構段一般在兩個以上。因此按照計算受力系纜系船柱的個數(shù)和靠泊的結構段數(shù)量，在一個計算結構段內只需施加一個系纜力即可，這也與系纜力計算時保持了一致性。

2.3 撞擊力施加

內河高樁框架碼頭設計水位差有時高達十幾米。為了滿足不同水位的靠泊需求，橡膠護舷一般在每個排架整個水位變化范圍內都有布置。在計算時，設計人員有的在模型端排架上施加一個點的撞擊力，有的施加兩個。但是對于為什么施加一個或者兩個點的撞擊力并不知其緣由，施加的撞擊力可能會與實際靠泊情況相差甚遠。

在進行撞擊力計算時，先計算船舶靠泊時的有效撞擊能量，然后根據(jù)有效撞擊能量去選擇滿足吸能量的護舷。下面以內河5000 噸級散貨船為例，闡述推算施加撞擊點的個數(shù)和撞擊力大小的思路，供設計參考。船型主尺度如下表所示。

表1 5000 噸級散貨船主尺度

按照規(guī)范計算得到5000 噸級散貨船有效撞擊能量為80kJ，選用SA-A500H×1500 的標準反力橡膠護舷時，單個護舷變形52.5%時可滿足吸能要求，此時反力為516kN。此外，有一點設計人員比較容易忽略，就是在選用橡膠護舷時需要考慮10%的性能公差，即偏保守時橡膠護舷的吸能需要乘以90%進行選用。綜合考慮船舶型深和靠泊角度因素，假定船舶靠泊時有3m 高的舷側板與橡膠護舷接觸，則靠泊時會接觸兩個所配置護舷。下圖給出了橡膠護舷反力與吸能關系曲線。

從橡膠護舷的吸能反力變形曲線可以看出，橡膠護舷變形在30%時，就已經達到了最大反力(516kN)，而吸能則基本只要有一半（40kJ）。按照以上假定，船舶在靠泊時同時撞擊兩個護舷，則受撞擊的兩個護舷同時達到30%變形時，吸能剛好能滿足船舶撞擊能量，此時兩個護舷均達到了最大反力516kN。因此在這種情況下，在計算模型上施加的撞擊力應該是兩個。

通過以上分析可以看出，撞擊力的施加與船舶靠泊時舷側板撞擊橡膠護舷的情況有關，設計人員在施加撞擊力時不能盲目地施加一個或者是兩個，應該結合設計船型綜合分析，以得到較為準確的施加方式，更要避免錯誤的施加方式而得到偏不安全的計算結果。

2.4 三維空間結構計算時面板作用的影響

在按空間結構計算時，設計人員往往忽視面板的處置，慣性地在計算時面板統(tǒng)一建模考慮。這種慣性思維可能帶來偏不安全的計算結果。

對于樁力的計算，不考慮面板時的計算結果偏大，考慮面板時計算結果略小于平面計算結果，也相對符合實際情況，因此計算樁力時推薦考慮面板的計算模型。

對于縱向梁和橫梁內力計算，空間無面板計算結果一般大于空間有面板的計算結果。從更安全的角度出發(fā)，建議采用空間無面板模型。楊錫鎏等[7]研究認為把面板的彈性模量設置成極小值時忽略面板作用力的可行方法。

2.5 結構整體水平位移控制

對于碼頭結構整體水平位移，規(guī)范規(guī)定按正常使用極限狀態(tài)進行控制。但是在正常使用極限狀態(tài)下存在標準組合、頻遇組合、準永久組合三種，具體選用哪種組合規(guī)范也沒有進行說明。標準組合針對不可逆的正常使用極限狀態(tài)，頻遇組合和準永久組合針對可逆的正常使用極限狀態(tài)和結構的長期性能。在具體設計過程中，對于結構整體水平位移計算的組合選擇，設計人員缺乏統(tǒng)一的認識和選擇標準，造成了計算結果上的差異，進而導致設計的樁基等結構尺度的不同。

針對結構整體水平位移控制，歐洲標準《BS EN 1990 Eurocode — Basis of structural design》[8]做了較為詳細的規(guī)定，指出利用標準組合計算結構位移。

碼頭結構對于水平位移的控制主要出于人員舒適度和裝卸設備使用功能方面的考慮，筆者認為歐洲標準指出按標準組合控制結構水平位移，可以避免碼頭結構在水平力的作用下產生不可逆的永久水平位移，進而影響到裝卸設備的使用功能，同時水平位移的嚴格控制可以減少碼頭面作業(yè)人員的不適感。因此，本文建議在碼頭結構整體水平位移計算時參照歐洲標準按標準組合進行控制。

確定計算荷載組合之后，就需要將計算得到的水平位移與水平位移控制標準進行對比，但是規(guī)范也沒有給出碼頭水平位移控制的標準。同樣結合裝卸設備的使用功能和碼頭面作業(yè)人員的舒適感考慮，根據(jù)經驗一般推薦不大于20mm。

3 結語

通過以上對高樁框架碼頭結構設計關鍵技術環(huán)節(jié)的闡述，本文給出以下幾點建議供參考：

（1）高樁框架碼頭結構段劃分需參照規(guī)范，并通過有效的分析或計算慎重確定；對于高樁框架碼頭現(xiàn)澆結構不宜大于35m 一段，對于裝配預制高樁框架碼頭不宜大于50m 一段。

（2）多層系纜分層高度除需滿足不同水位船舶系靠泊要求外，尚需方便人員上下船，并且盡可能地減少分層層數(shù)以降低結構造價。

（3）高樁框架碼頭結構中盡量不設置斜撐。

（4）高樁框架碼頭應優(yōu)先采用三維空間結構進行計算。

（5）系纜力的施加應結合計算結構段長度、船舶總長和計算受力系船柱個數(shù)綜合確定，以得到較為準確的施加方式。

（6）撞擊力的施加與船舶靠泊時舷側板撞擊橡膠護舷的情況有關，應該結合設計船型綜合分析施加個數(shù)，以得到較為準確的施加方式。

（7）計算樁力時推薦考慮面板的計算模型，計算縱向梁和橫梁內力計算采用空間無面板模型。

（8）碼頭結構整體水平位移計算時按標準組合進行控制，且一般不大于20mm。