天津港某碼頭超設計行駛90t汽車的可行性研究

郭暢鄒君鵬

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 天津市 300456 2.天津港遠航國際礦石碼頭有限公司 天津市 300450）

1 概述

1.1 前言

天津港某礦石碼頭建成投產已十余年，隨著碼頭裝卸量的提升，大型車輛的裝卸運輸也在不斷增加。這些大型車輛運輸荷載已超出了設計單位提供的碼頭面荷載限值，然而設計單位在設計中往往考慮了較大的安全系數，如果嚴格按照其限值進行管理，往往導致實際作業捉襟見肘。針對碼頭大型車輛運輸中存在的這一問題，本文特對90t汽車在該碼頭上行駛的可行性進行研究。該研究對提高老碼頭的使用功能，保障碼頭結構安全性和提高碼頭運輸效率，增加經濟效益都有積極意義。

1.2 研究目標

旨在通過分析計算，提出需驗算的車型在該碼頭上作業的范圍和要求，有待解決的問題概括：

（1）確定待驗算汽車荷載能否進入碼頭承臺區；

（2）若荷載在最不利位置時驗算構件承載力不滿足要求，能否規劃路徑盡量避免荷載出現在最不利位置，使構件承載力滿足要求。

1.4 研究路線

依據《水運工程混凝土結構設計規范》（JTS-151 2011），對碼頭面板、基樁進行承載力和正常使用極限狀態驗算。

采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA和豐海結構設計軟件驗算車型通過碼頭面時在構件中產生的荷載效應，并將極限承載力與荷載效應進行比較，從而判斷構件的安全性。

若不滿足安全性要求，規劃合理路徑盡量避免荷載出現在最不利位置，使構件承載力能力滿足要求。

2 碼頭結構簡介與荷載作用

2.1 碼頭結構簡介

碼頭岸線總長為375m，碼頭前沿水底高程近期為-20.8m，碼頭面高程為6.0m。碼頭承臺總寬90.5m，前方承臺寬35.0m，后方承臺寬55.5m，碼頭前方承臺共分7個結構段，第一至第六結構段排架間距為6.5m，基樁為φ1000mm和φ1200mm鋼管樁，上部結構為預制安裝預應力橫梁，軌道梁，連系梁，面板和鋼筋混凝土靠船構件的結構型式。第七結構段排架間距為6.9m，基樁為φ1200mm鋼管樁，上部結構為現澆墩臺的結構型式，后方承臺的基樁采用650×650mm預應力混凝土空心方樁和φ800mm與φ900mm的灌注樁，排架間距為6.5m，上部結構為預制安裝預應力簡直梁的結構形式，碼頭后方承臺與電纜溝兼擋土墻之間通過預應力混凝土渡板相連。

2.2 荷載作用

2.2.1 永久作用

碼頭結構自重力：鋼筋混凝土容重25kN/m3，混凝土容重24kN/m3，鋼材容重78.5kN/m3。

2.2.2 可變作用（見表1、圖1）

（1）堆貨荷載：

表1 汽車荷載標準值及平面尺寸

圖1 汽車的平面尺寸

后方承臺堆貨荷載為50kPa。

（2）汽車荷載

3 結構驗算說明和依據

本次驗算主要目的為碼頭因實際工作需要，在設計汽車荷載為60t，實際汽車荷載為90t情況下，驗算結構安全性是否滿足規范規定要求。經現場實地調查，碼頭上汽車流動荷載主要作用在后方承臺結構面上，汽車類型主要為重型翻斗車，因此在此次驗算中驗算后方承臺碼頭和接岸結構在90t汽車荷載作用下是否滿足規范規定要求。

本次驗算取最不利荷載組合進行后方承臺構件結構承載能力極限狀態、正常使用極限狀態以及接岸擋土墻穩定性驗算。主要對以下三種情況對結構進行驗算：

（1）承載能力極限狀態計算：根據《水運工程混凝土結構設計規范》（JTS 151-2011）進行承載能力極限狀態作用效應組合，對后方承臺碼頭空心板進行承載能力極限狀態的驗算。

（2）正常使用極限狀態計算：根據《水運工程混凝土結構設計規范》（JTS 151-2011）進行正常使用極限狀態作用效應組合，對后方承臺空心板進行抗裂和撓度驗算。

（3）擋土墻穩定性計算：根據《水運工程混凝土結構設計規范》（JTS 151-2011）進行承載能力極限狀態作用效應組合，依據根據《水工擋土墻設計規范》（SL379-2007）對接岸擋土墻進行抗滑穩定性和抗傾覆穩定性驗算。

由于堆貨荷載與汽車荷載不能同時存在，此次計算時主要考慮以下六種荷載的組合（如表2）。

表2 荷載組合表

4 碼頭結構分析驗算及解決方案

4.1 后方承臺承載能力極限狀態驗算

選取后方承臺碼頭標準段排架，采用豐海軟件對預應力空心板進行結構內力計算，其中汽車荷載按《港口工程荷載規范》（JTS 144-1-2010）規定進行兩排布置最不利布置在第六跨上，跨徑為4.1m。

4.1.1 正截面受彎承載力

自重、堆貨荷載和汽車荷載作用下預應力空心板的彎矩通過豐海結構軟件計算得到，然后按表2中承載能力極限狀態進行荷載組合，預應力空心板的彎矩設計值和極限承載力如表3所示。

表3 承載能力極限狀態持久組合空心板彎矩和設計承載力

根據《港口水工建筑物檢測與技術評估規范》（JTJ 302-2006）9.2.1.3條規定，認定預應力空心板在90t汽車荷載作用下受彎承載力的安全性為D級。

4.1.2 斜截面受剪承載力

自重、堆貨荷載和汽車荷載作用下預應力空心板的剪力通過豐海結構軟件計算得到，然后按表2中承載能力極限狀態進行荷載組合，預應力空心板的剪力設計值和極限承載力如表4所示。

表4 承載能力極限狀態持久組合空心板剪力和極限承載力

根據《港口水工建筑物檢測與技術評估規范》（JTJ 302-2006）9.2.1.3條規定，認定預應力空心板在90t汽車荷載作用下受剪承載力的安全性為B級。

4.1.3 局部承壓承載力

選取后方承臺碼頭標準段排架橫梁上的典型預應力空心板，其尺寸為6.35m×1.97m，施加表1中的汽車荷載計算空心板的局部承壓承載力，其預應力空心板的局部壓力設計值和極限承載力如表5所示。

表5 預應力空心板的局部壓力設計值和極限承載力

根據《港口水工建筑物檢測與技術評估規范》（JTJ 302-2006）9.2.1.3條規定，認定預應力空心板在90t汽車荷載作用下局部承壓承載力的安全性為A級。

4.1.4 單樁垂直承載力

選取后方承臺碼頭標準段排架典型的預應力混凝土空心樁650×650mm和灌注樁φ800mm，按表2中承載能力極限狀態進行荷載組合，其單樁垂直力設計值和極限承載力如表6和7所示。

表6 預應力混凝土空心樁單樁垂直力設計值和極限承載力

表7 混凝土灌注樁單樁垂直力設計值和極限承載力

根據《港口水工建筑物檢測與技術評估規范》（JTJ 302-2006）9.2.1.3條規定，認定預應力混凝土空心樁和混凝土灌注樁在自重、堆貨荷載和汽車荷載作用下單樁垂直承載力的安全性為A級。

4.2 后方承臺正常使用極限狀態驗算

選取后方承臺碼頭標準段排架典型預應力空心板，預應力空心板尺寸為6.35m×1.97m，施加自重、堆貨荷載和汽車荷載，按表2中正常使用極限狀態進行標準組合和準永久組合，其預應力空心板的拉應力和規范限值如表8所示。

表8 預應力空心板的拉應力和規范限值

根據《港口水工建筑物檢測與技術評估規范》（JTJ 302-2006）9.2.1.3條規定，認定預應力空心板在90t汽車荷載作用下的抗裂驗算不滿足規范規定的要求。

4.3 接岸擋土墻穩定性驗算

選取單位長度接岸擋土墻，驗算擋土墻在90t汽車荷載作用下的抗滑和抗傾覆穩定性，其計算結果如表9所示。

表9 接岸擋土墻抗滑和抗傾覆穩定性

根據《水工擋土墻設計規范》（SL379-2007）6.3.4和6.4.1條規定，認定接岸擋土墻在90t汽車荷載作用下的抗滑和抗傾覆穩定性滿足規范規定的要求。

4.4 解決方案

根據本章4.1和4.2節計算可知，預應力空心板在90t汽車荷載作用下正截面受彎承載力、斜截面受剪承載不滿足承載能力極限狀態的要求，預應力空心板在90t汽車荷載作用下抗裂性能不滿足正常使用極限狀態的要求。在此次計算中選取的90t汽車荷載為并排兩輛汽車進行計算，因此在實際工程中規劃路徑，使得每塊預應力空心板只承受一輛90t汽車荷載。采用此方案驗算預應力空心板的承載能力極限狀態和正常使用極限狀態，其計算表格如表10和11所示。

表10 承載能力極限狀態驗算

表11 正常使用極限狀態驗算

通過限定汽車行駛路徑，禁止汽車并排行駛在同一空心板上，預應力空心板在90t汽車荷載作用下的受彎承載力、受剪承載力和抗裂性能滿足《港口水工建筑物檢測與技術評估規范》（JTJ 302-2006）規范的要求。

5 結論

通過對碼頭在90t大型汽車荷載作用下的受力計算和分析，得出如下結論：

（1）并排兩輛90t重型翻斗車在后方承臺任意位置行駛時，后方承臺預應力空心板的局部受壓承載力和撓度評估為A級，受彎承載力評估為D級，受剪承載力評估為B級，抗裂性能不滿足規范規定的要求。

（2）并排兩輛90t重型翻斗車在后方承臺任意位置行駛時，后方承臺預應力混凝土空心樁和混凝土灌注樁的單樁垂直承載力評估為A級。

（3）并排兩輛90t重型翻斗車在后方承臺任意位置行駛時，接岸結構的抗滑和抗傾覆穩定性滿足規范規定的要求。

（4）通過限定汽車行駛路徑，禁止汽車并排行駛在同一空心板上，可以使預應力空心板的受彎承載力、受剪承載力和抗裂性能滿足規范規定的要求。

[1]《高樁碼頭設計與施工規范》（JTS 167-1-2010）.

[2]《水運工程混凝土結構設計規范》（JTS 151-2011）.

[3]《港口工程樁基規范》（JTS 254-98）.

[4]《水工擋土墻設計規范》（SL379-2007）.

[5]《港口工程荷載規范》（JTS 144-1-2010）.

[6]《港口水工建筑物檢測與技術評估規范》（JTJ 302-2006）.