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河億噸大港。貴港市港口在快速發展的同時，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”現象比較嚴重，港口現代化程度不高。目前，貴港市登記在冊的港口企業有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，尋求港口發展破局，提速高質量發展。

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)砂質黏土，下部為中厚層狀灰巖、白云質灰巖等，部分河段可見基巖裸露。河床覆蓋層主要為粉質黏土及砂卵石，覆蓋層淺，河床基巖為中風化灰巖。根據相關資料可知，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，缺少符合規范要求的系、靠船結構和防撞設施，碼頭作業基本是離岸靠泊，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河地區；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河山區河流。本項目位于貴港市平南縣，屬于長洲樞紐庫區，受上下游樞紐調控，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常移船，移船作業較麻煩，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層縱橫向聯系梁連接，斷面尺寸為0.8m×1.2m。承臺及聯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量對比說明見表1。

表1 結構主要構件對比說明表

1.3 內力計算

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力分析。碼頭樁基、柱和聯系梁均采用梁單元，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

樁基內力和聯系梁內力計算結果如表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。

兩個方案內力主要差別在于靠船墩聯系梁部分，承載能力極限狀態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、聯系梁、靠船立柱所受內力相差不大，未出現大的內力突變。無承臺式結構構件少，受力明確，但橫向聯系梁部分承擔較大的內力，應引起特別注意。尤其是底層橫向聯系梁，設計時應加大在該處的截面尺寸，特別關注橫向聯系梁與樁基連接處的破壞。綜合兩個方案優缺點(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 樁基內力計算成果表

表3 聯系梁內力計算成果表

表4 方案優缺點對比表

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，應特別關注橫向聯系梁的監測。

(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河大水位差、淺覆蓋層地區，具有受力均勻、造價相對較低、施工相對簡單等優點，可為貴港市其他類似老舊碼頭靠船墩提檔升級提供參考。