定機移船碼頭的靠船樁系統計算方法

馮建國,李存興,王君輝

(中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430060)

隨著社會經濟的不斷發展，東南亞等國家對電力的需求越來越大，大量的電廠需要興建。由于該區域潮差不大，懸鏈斗式連續卸船機在該區域廣泛應用。該類型碼頭由固定裝卸平臺上的懸鏈斗卸船機、設置在移船平臺上的移船設備及設置在碼頭前沿的靠船導向系統組成。碼頭作業過程可簡述為以下過程：船舶靠泊完成后，移船平臺上的牽引小車將船舶牽引至合適位置，懸鏈斗開始作業卸煤，當卸煤作業進行到一定程度后，再次啟動牽引小車使船舶沿靠船導向系統移動至適當位置，使懸鏈斗卸煤效率保持最大化，如此反復，直至整船煤全部卸完，船舶離港。該類型碼頭卸煤時船舶移動而卸船設備不動，所以可簡稱為定機移船碼頭。

傳統的“定船移機”碼頭，船舶靠泊后位置是固定的，通過移動裝卸設備來完成裝卸作業，平臺通常為常規的高樁梁板結構或高樁墩式結構，結構受力明確，設計理論成熟。而柔性靠船樁設計規范[1]主要針對護舷在外、靠船樁在內的情形，而且靠船樁系統與碼頭平臺往往是脫離的，其受力模式不適應于定機移船碼頭。而本文所指定機移船碼頭水工結構主要由卸船機基礎墩臺、移船設備行走平臺及設置在二者前沿的靠船樁組成，平臺前沿的靠船導向則由靠泊導向鋼管樁及橡膠護舷兩部分組成。靠泊導向鋼管樁之間設有水平聯系撐，形成樁排，移船時，船舶與鋼管樁直接接觸而不與橡膠護舷接觸，從而避免了橡膠護舷在移船過程中被撕裂的可能，同時移船時船舶與鋼管樁發生摩擦，摩擦系數較小有利于船舶移動。鋼管樁在外側，護舷在中間，碼頭平臺在內側，其受力較為復雜，沒有現成的規范和手冊可供參考，如何確定靠船樁排的尺寸，將關系到整個結構的安全性和經濟性，因此需對其受力特點進行仔細分析和論證。本文主要論述靠船導向樁排的計算方法和特點。

1 靠船導向樁排的工作過程

船舶靠泊時，首先接觸碼頭前沿所設靠船導向樁排，靠船樁自身將發生變形，同時設于樁頂的橡膠護舷也隨之被壓縮，靠船過程結束時，船舶速度降為0，船舶靠泊的動能轉化為靠船樁和護舷系統的勢能。在整個靠泊過程中，靠船樁排起到傳力的功能，并吸收部分能量，最終船舶靠泊能量由護舷和靠船樁共同吸收。

2 靠船樁計算模型簡化

2.1 系統作用過程基本假設

2.1.1靠船墩臺不產生變形吸能的假設

由于墩臺剛度遠遠大于靠船樁，為簡化計算，靠船墩臺簡化為固定支點，忽略船舶靠泊過程中墩臺變形對靠泊能的影響。墩臺自身變形吸能，對整個系統的影響較小，作為安全儲備。

2.1.2船體本身不產生變形吸能的假設

為簡化計算，在靠泊過程中船舶自身變形引起的吸能不計。

定機移船碼頭靠船樁布置見圖1。

2.1.3橡膠護舷的基本假設

根據護舷的變形反力曲線特性，將橡膠護舷的壓縮過程簡化為一個理想彈塑性體，見圖2。

圖2 橡膠護舷變形過程的簡化

護舷變形22.5%之前按照理想彈性體考慮，反力與變形成正比，護舷吸能與變形成平方比關系增加。護舷變形22.5%之后按照理想塑性體考慮，變形增加，反力不變，護舷吸能與變形成線性關系增加。計算后，應核實最終護舷變形量不超過52.5%。

2.1.4樁基計算采用假想嵌固點

樁土作用復雜，張鐵峰等[2]給出了靠船樁入土較短、樁端為鉸接時的簡化計算，當覆蓋層較差、持力層埋深較深、樁基入土長度較長時，樁基受彎長度采用假想嵌固點[3]進行簡化計算。

2.2 作用過程簡化

靠船樁根據上述假定，最終簡化為一端固定一端彈性支撐的單跨超靜定梁，見圖3。

圖3 靠泊過程受力計算

靠船過程分為3個階段：

1)第1階段，從船舶接觸靠船樁開始，鋼管樁發生變形，變形達到安裝縫隙(假定1 cm)，到鋼管樁接觸到護舷，護舷變形為0%(尚未產生彈性變形)。

2)第2階段，從鋼管樁接觸到護舷開始，到護舷變形達到22.5%(彈性變形達到峰值)，此時護舷反力已經達到最大。

3)第3階段，從護舷變形達到22.5%開始(進入簡化塑性變形階段，護舷反力不增加)，到船舶靠泊能量全部被吸收為止(護舷變形< 51.5%)。

2.3 計算受力過程分析

假設撞擊點距離嵌固點高度為h，護舷點距離嵌固點高度為H，護舷最大反力為Rx，3個階段護舷點的位移分別為x0、x1、x2，撞擊點在3個階段結束時的反力分別為F0、F1、F2，撞擊點的位移分別為y0、y1、y2。受力計算簡圖見圖3，樁身受力分解見圖4，根據力學基本原理[4-5]可知：

第1階段末，撞擊點反力F0，護舷點反力R=0,撞擊點位移y0和護舷點位移x0分別計算如下：

(1)

(2)

第2階段末，撞擊點反力F1，護舷點反力R=Rx,撞擊點位移y1和護舷點位移x1分別計算如下：

(3)

(4)

第3階段末，撞擊點反力F2，護舷點反力R=Rx,撞擊點位移y2和護舷點位移x2分別計算如下：

(5)

(6)

圖4 靠泊過程樁身受力分解

2.4 系統能量分析

根據能量守恒定律，一個系統的能量變化僅與系統的初始狀態及終止狀態有關，而與過程無關，故計算中可忽略相對復雜的中間過程，而僅討論幾個階段過程的初始狀態和終止狀態。

靠泊過程3個階段外力對應的力-位移關系分析見圖5。其中撞擊點壓力-位移關系，見圖5a)，圖中折線所包含的面積Ec為撞擊外力做功，即船舶靠泊能；護舷點反力-位移關系見圖5b)，圖中折線所包含的面積Er為護舷反力做功，即橡膠護舷吸能。

圖5 靠泊過程力-位移關系

整個過程鋼管樁吸能：

(7)

整個過程橡膠護舷吸能：

(8)

船舶的靠泊能量：

(9)

樁底的最大彎矩：

M=F2h-RxH

(10)

樁身最大應力：

(11)

根據力和位移的對應關系，可以得到船舶撞擊過程的動能，船舶動能等于樁基變形勢能和護舷變形的勢能之和，其中船舶撞擊能量可以計算，也可以寫成下式進行驗算：

Ec=Es+Er

(12)

船舶撞擊能可以通過規范公式計算：

(13)

式中：EI為樁身剛度；W為樁的抗彎模量；vn為船舶靠泊的法向速度。

在式(1)～(11)中，有F0、F1、F2、x2、y0、y1、y2、Es、Er、M、σ共11個未知數，x0假定為1 cm，擬定護舷之后，x1可由護舷高度×22.5%+1 cm計算，護舷最大反力Rx也為已知,Ec=E0。上述過程11個未知數可以11個方程聯合求解。

如果最終結果x2橡膠護舷的變形大于22.5%且不超過51.5%，且鋼管樁變形不超過允許應力，則整個系統設計是可行的。

3 工程實例

為進一步了解該結構形式的結構特點，本文選取4個具有代表性的工程實例做進一步分析闡述。

所選取的4個工程均位于印尼，碼頭裝卸工藝均采用懸鏈斗式連續式卸船工藝，工程的設計基本資料見表1。

按照本文的計算方法計算，計算基本參數見表2。

根據本文所列公式(1)～(11)進行計算求解，結果見表3。

表1 碼頭基本設計參數

表2 計算基本參數

表3 主要計算結果

經復核，對于廖省和塔卡拉項目的大部分工況，選用高強度鋼材強度基本滿足要求。同時護舷點的變位滿足護舷壓縮變位的假設，計算方法是可行的。對東加和風港項目在低水位滿載靠泊時不滿足，如果不考慮鋼橫撐傳遞到其他靠船樁來分擔吸能，也不考慮船舶自身變形的吸能，則需要允許鋼管進入塑性狀態。

4 結語

1)通過工程實例中碼頭結構計算可知，當船舶的靠船速度一定時，撞擊點越靠近嵌固點則樁身內力值越大，吸能比例越大，樁徑和壁厚加大，經濟性差；反之，撞擊點越靠近護舷布置位置，則樁身內力值最小，吸能比例最小，樁徑和壁厚最小，最具經濟性。故實際工程應用中，應注意分析各個有可能的撞擊點，受力范圍過大后，則不具經濟性。

2)靠船排樁可適度擴大船舶撞擊作用點范圍，在強度允許的范圍內，充分利用鋼管樁變位吸能，減小護舷布置范圍，相應減小墩臺所受的護舷反力，從而降低碼頭造價。

3)本文沒有考慮船舶自身變形和碼頭變形對系統吸能的分擔，也沒有考慮其他靠船樁對系統吸能的分擔，計算結果偏保守。如果需要考慮橡膠護舷和鋼管樁之外因素來分擔吸能，則該靠船系統的計算理論有待進一步研究。