大水位差架空直立式框架結(jié)構(gòu)型式碼頭在淮河某碼頭上的應(yīng)用

沈浩

摘 要：以淮河某大水位差架空直立式框架結(jié)構(gòu)碼頭為研究對(duì)象，本文認(rèn)為大水位差架空直立式框架結(jié)構(gòu)型式碼頭具有結(jié)構(gòu)高度大、整體剛度大、受力合理、能夠適應(yīng)不同水位條件下船舶系泊的需要等優(yōu)點(diǎn)，適合在水位變幅較大的河流推廣運(yùn)用;并認(rèn)為該類型碼頭結(jié)構(gòu)具有典型的空間特征，應(yīng)按空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，遂采用有限元方法，將其離散成整體的空間剛架及板殼模型進(jìn)行空間受力分析。

關(guān)鍵詞：大水位差;直立式框架結(jié)構(gòu);整體剛度;有限元方法

中圖分類號(hào)：U656.1+1? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）01-0095-04

1工程概述

該工程位于河南省淮濱縣，淮河主航道左岸，碼頭作業(yè)平臺(tái)位于淮河大堤外側(cè)，港區(qū)后方陸域位于淮河大堤內(nèi)側(cè)，該工程共建設(shè)12個(gè)500噸級(jí)泊位，其中8個(gè)散貨泊位，4個(gè)多用途泊位，碼頭水工結(jié)構(gòu)均按靠泊1000噸級(jí)船舶設(shè)計(jì)，由于該工程處設(shè)計(jì)高低水位相差近13m，形成了大水位差，碼頭結(jié)構(gòu)采用了架空直立式框架結(jié)構(gòu)，為了適應(yīng)不同水位條件下船舶系靠泊裝卸，設(shè)置了上、中、下三層系纜。

2主要設(shè)計(jì)條件

2.1水文條件

本工程碼頭位于淮河主航道左岸，該段航道所屬淮河河南省淮濱段，該段航道位于平原地帶，水位呈現(xiàn)陡漲陡落，每年6～9月份進(jìn)入汛期，水位隨降雨量變化而變化，變化幅度可達(dá)13m左右，其它時(shí)間為枯水期，枯水期歷時(shí)較長(zhǎng)。

本工程碼頭依托淮河主航道所屬淮河河南省淮濱段，該段航道規(guī)劃為Ⅳ級(jí)，目前該段航道已達(dá)到規(guī)劃Ⅳ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)，可通航500噸級(jí)船舶。工程河段處于淮濱水文站和王家壩水文站之間，上游淮濱水文站和下游王家壩水文站特征水位見(jiàn)表1。

工程河段距離上游淮濱水文站約3.3km，距離下游王家壩水文站約16.9km，采用均勻比降插入法求得本工程河段設(shè)計(jì)最低通航水位為19.09m，設(shè)計(jì)最高通航水位為31.99m，多年平均水位 21.25m。

根據(jù)《河港工程總體設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ212-2006）確定本碼頭工程設(shè)計(jì)水位值如下：

設(shè)計(jì)高水位（同航道設(shè)計(jì)最高通航水位）：31.99m（10年一遇）;

設(shè)計(jì)低水位（同航道設(shè)計(jì)最低通航水位）：19.09m（多年歷時(shí)保證率95%）;

多年平均水位：21.25m;

該工程碼頭設(shè)計(jì)高低水位相差12.9m，形成了大水位差。

2.2地質(zhì)條件

根據(jù)該處碼頭工程地質(zhì)勘探，依據(jù)土體的地質(zhì)時(shí)代、成因、巖性、分布規(guī)律和物理力學(xué)性質(zhì)，將場(chǎng)地勘探深度內(nèi)的土體劃分為5個(gè)工程地質(zhì)層，各工程地質(zhì)層如下：1-1粉質(zhì)黏土、1-2粉土、1-3粉質(zhì)黏土、2-1粉細(xì)砂、2-2中砂、2-3粗礫砂、3-1粉質(zhì)黏土、3-2粉土、4粉質(zhì)黏土、5粉土。

2.3荷載條件

2.3.1碼頭面荷載

（1）散貨及多用途泊位：碼頭作業(yè)面荷載20kPa，靠近軌道中心線左右1.5m范圍內(nèi)無(wú)堆貨荷載。

（2）人群荷載：3kPa。

2.3.2裝卸機(jī)械荷載

（1）散貨泊位。固定式裝船機(jī)：底座中心距碼頭前沿3.5m，基礎(chǔ)正壓力為767kN，水平力為50kN，傾覆力矩為3750kN·m;固定式起重機(jī)：底座中心距碼頭前沿3.5m，基礎(chǔ)正壓力為767kN，水平力為50kN，傾覆力矩為3750kN·m。

（2）多用途泊位。16t門機(jī)：軌距10.5m，基距10.5m，最大輪壓250kN，輪數(shù)24個(gè)，輪距0.765m;集裝箱裝卸橋：軌距10.5m，基距17.4m，最大輪壓250kN，輪數(shù)24個(gè)，輪距0.765m。

2.3.3流動(dòng)機(jī)械荷載

（1）散貨裝卸：30t汽車。

（2）件雜貨裝卸：Q40牽引車+40t平板車。

（3）集裝箱裝卸：集裝箱拖掛車。

3碼頭結(jié)構(gòu)方案

由于該工程處設(shè)計(jì)高低水位相差近13m，水位變幅范圍較大，從而導(dǎo)致該碼頭的結(jié)構(gòu)高度大，為了滿足各種裝卸設(shè)備荷載、船舶荷載及水流荷載等荷載作用下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形要求，碼頭結(jié)構(gòu)需具有足夠的整體剛度，需將各空間層次和方向的相關(guān)構(gòu)件連接起來(lái)，共同承擔(dān)各種外部荷載的作用。

大水位差架空直立式框架結(jié)構(gòu)型式碼頭由于其結(jié)構(gòu)的整體高度大且受施工條件的限制，國(guó)內(nèi)一般采用整體現(xiàn)澆的框架結(jié)構(gòu)，碼頭上部結(jié)構(gòu)一般由現(xiàn)澆橫梁、縱向梁系及面板等組成，通過(guò)立柱、縱橫向聯(lián)系梁及撐桿將碼頭上部所受各種荷載傳遞至碼頭樁基部分。

大水位差架空直立式框架結(jié)構(gòu)型式碼頭通常在碼頭前沿豎向連續(xù)布置橡膠護(hù)舷，以滿足船舶靠泊的要求，同時(shí)根據(jù)水位及設(shè)計(jì)船型特點(diǎn)，在碼頭面下每間隔3～5m分級(jí)設(shè)置系靠船平臺(tái)及設(shè)施，通過(guò)設(shè)置爬梯上下各系靠船平臺(tái)及碼頭面。

3.1散貨泊位碼頭

3.1.1碼頭結(jié)構(gòu)方案

該散貨泊位碼頭平臺(tái)寬15m。碼頭結(jié)構(gòu)型式采用架空直立式框架結(jié)構(gòu)，排架間距7m。每榀排架設(shè)4根φ1000mm的鉆孔灌注樁;灌注樁間通過(guò)現(xiàn)澆縱向、橫向連系梁連接以增強(qiáng)碼頭結(jié)構(gòu)的整體剛度。灌注樁上現(xiàn)澆樁帽，樁帽上現(xiàn)澆立柱，立柱上現(xiàn)澆倒T形橫梁，橫梁上現(xiàn)澆縱梁，梁上現(xiàn)澆面板，最后現(xiàn)澆碼頭面層和磨耗層。由于設(shè)計(jì)高水位與設(shè)計(jì)低水位相差12.9m，為了適應(yīng)不同水位條件下船舶系靠泊裝卸，碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)置了上、中、下三層系纜，碼頭面層與中間系靠船平臺(tái)高差5m，中間系靠船平臺(tái)與下層系靠船平臺(tái)高差4.7m，通過(guò)設(shè)置爬梯上下各系靠船平臺(tái)及碼頭面。碼頭平臺(tái)前方及系靠船平臺(tái)上設(shè)有150kN系船柱，碼頭排架前沿豎向布置SA300H×2000L型橡膠護(hù)舷。碼頭典型斷面如圖1和圖2所示。

散貨泊位固定吊與裝船機(jī)基礎(chǔ)均采用與后方橫梁現(xiàn)澆成為一體的墩式基礎(chǔ)。

3.1.2碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算

大水位差架空直立式框架結(jié)構(gòu)型式碼頭的結(jié)構(gòu)計(jì)算與傳統(tǒng)的高樁梁板式碼頭相比較，其受力更具復(fù)雜性，通常具有典型的空間特征，應(yīng)按空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)碼頭結(jié)構(gòu)型式及受力特點(diǎn)，一般采用有限元方法，將其離散成整體的空間剛架及板殼模型進(jìn)行空間受力分析。

對(duì)于架空直立式框架結(jié)構(gòu)型式碼頭，根據(jù)其結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，通常將基樁和縱橫梁、立柱、撐桿等長(zhǎng)細(xì)比較大的構(gòu)件離散成三維梁?jiǎn)卧a頭面板離散成殼單元，各構(gòu)件之間均按照整體剛性連接考慮，采用假想嵌固點(diǎn)

法簡(jiǎn)化處理樁底的約束。

根據(jù)可能出現(xiàn)的各種荷載工況分別進(jìn)行有限元計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和組合，得到碼頭各主要構(gòu)件的控制內(nèi)力的最不利作用效應(yīng)組合情況。

根據(jù)以上碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算原則，對(duì)該散貨泊位碼頭平臺(tái)進(jìn)行建模計(jì)算，該散貨泊位碼頭平臺(tái)主要構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算詳見(jiàn)表2。

3.2多用途泊位碼頭

3.2.1碼頭結(jié)構(gòu)方案

該多用途泊位碼頭平臺(tái)寬20m。碼頭結(jié)構(gòu)型式采用直立式框架結(jié)構(gòu)，排架間距7m。每榀排架下設(shè)5根φ1000mm的鉆孔灌注樁。灌注樁間通過(guò)現(xiàn)澆縱向、橫向連系梁連接以增強(qiáng)碼頭結(jié)構(gòu)的整體剛度。灌注樁上現(xiàn)澆樁帽，樁帽上現(xiàn)澆立柱，立柱上現(xiàn)澆倒T形橫梁，橫梁上現(xiàn)澆縱梁，梁上現(xiàn)澆面板，最后現(xiàn)澆碼頭面層和磨耗層。由于設(shè)計(jì)高水位與設(shè)計(jì)低水位相差12.9m，為了適應(yīng)不同水位條件下船舶系靠泊裝卸，碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)置了上、中、下三層系纜，碼頭面層與中間系靠船平臺(tái)高差5m，中間系靠船平臺(tái)與下層系靠船平臺(tái)高差4.7m，通過(guò)設(shè)置爬梯上下各系靠船平臺(tái)及碼頭面。碼頭平臺(tái)前方及系靠船平臺(tái)上設(shè)有150kN系船柱，碼頭排架前沿豎向布置SA300H×2000L型橡膠護(hù)舷。碼頭典型斷面如圖3所示。

3.2.2碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算

通過(guò)對(duì)多用途泊位碼頭平臺(tái)進(jìn)行建模計(jì)算，多用途泊位碼頭平臺(tái)主要構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算詳見(jiàn)表3。

4結(jié)語(yǔ)

大水位差架空直立式框架結(jié)構(gòu)型式碼頭具有結(jié)構(gòu)高度大、整體剛度大、受力合理、能夠適應(yīng)不同水位條件下船舶系泊的需要等優(yōu)點(diǎn)，適合在水位變幅較大的河流推廣運(yùn)用。

大水位差架空直立式框架結(jié)構(gòu)型式碼頭的結(jié)構(gòu)計(jì)算與傳統(tǒng)的高樁梁板式碼頭相比較，其受力更具復(fù)雜性，通常具有典型的空間特征，應(yīng)按空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)碼頭結(jié)構(gòu)型式及受力特點(diǎn)，一般采用有限元方法，將其離散成整體的空間剛架及板殼模型進(jìn)行空間受力分析。

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