某內河浮碼頭躉船定位樁結構受力及位移分析

彭芬 江西省港航設計院有限公司

1.概述

某內河碼頭為湖區(qū)碼頭，采用浮碼頭結構型式，設計船型為2000噸級，水工結構兼顧5000噸級，其結構平面及斷面圖分別見圖1、圖2：

圖1 碼頭平面圖

圖2 碼頭斷面圖

選擇1#樁簇進行分析，據該內河碼頭勘察鉆探揭露，該斷面按其出露順序從上到下，有水、①沖填土、②淤泥、③細砂、⑥強風化板巖、⑦中風化板巖，其各土層有關樁的設計參數見表1。

表1 各土層有關樁的設計參數表

2.計算條件

設計船型：2000t級貨船，長×寬×吃水=90×14.8×2.6m；5000t級貨船，長×寬×型深×吃水=115×18.5×7.5×5.0m；

設計高水位20.77m（20年一遇）；

設計低水位5.65m（通航保證率98%）；

設計高程：設計河底高程2.35m；

靠船樁簇樁頂高程25.3m，樁底高程-11.00m（1#樁簇）；

碼頭前沿泥面高程-0.60m（1#樁簇）；

最大作業(yè)風速：24.4m/s；

最大水流流速：2.0m/s；

躉船尺寸：長×寬×型深×吃水=96×18.0×3.0×1.1m；

1800t/h裝船機：旋轉基座荷載垂直力600KN，傾覆力矩200KN.m。

3.計算模型

根據港口工程荷載規(guī)范(JTS144-1-2010)，計算船舶系纜力最大值為548.87kN，考慮該碼頭湖區(qū)風浪加大，船舶撞擊力為橫浪作用下撞擊力護舷反力為403.8kN/m；躉船風荷載橫向71.93kN、縱向8.98kN，裝卸設備風荷載橫向158kN、縱向115.2kN；φ1300定位樁水流力1.898kN/m，φ1000剛橫撐水流力1.445kN/m。

采用MIDAS2015軟件建模，靠船樁離散為桿件系統(tǒng)，樁土作用采用彈簧模擬，彈簧布置間距0.5m，彈性系數采用m法計算。松散粉細砂m為5000KN/m4。（取全風化30000，強風化50000，中風化80000）

嵌巖鋼管樁尺寸φ1300δ16mm，嵌巖段尺寸φ1150；鋼橫撐尺寸φ1000δ16mm（皆考慮2mm腐蝕預留厚度）；橫撐和鋼管樁均為Q355B鋼。計算模型見圖3。

圖3 1#樁簇計算模型

4.計算工況

（1）工況組合。①船舶風荷載+船舶水流力+躉船荷載+裝卸設備工作荷載+裝卸設備風荷載（工作狀態(tài)）+樁簇水流力；②船舶撞擊力+躉船荷載+裝卸設備工作荷載+裝卸設備風荷載（工作狀態(tài)）+樁簇水流力；③躉船荷載+裝卸設備風荷載（非工作狀態(tài)）+樁簇水流力。

（2）參考《港口工程柔式靠船設施設計與施工技術規(guī)范》（JTJ279-2005）（設計部分），作用效應持久組合分項系數：有船舶撞擊力參與組合時取1.5，其他組合取1.4。

5.計算結果

（1）靠船樁簇樁承載力。靠船樁簇樁承載力按承載能力極限狀態(tài)設計，計算結果見圖4。

圖4 1#樁簇承載能力計算結果

（2）靠船樁簇入土深度。樁的相對剛度系數T=2.0m，1#樁簇樁的入土深度10.4m＞4T=8.0m，為彈性長樁。靠船樁彎矩零點深度為-7.5m，泥面線-0.6m，1#樁簇樁的入土深度10.4m大于1.5倍彎矩零點深度10.35m，滿足規(guī)范要求。

（3）靠船樁簇構件強度。靠船樁簇樁承載力按承載能力極限狀態(tài)設計，計算結果見圖5。

圖5 1#樁簇應力計算結果

Q355B鋼（t≤16mm）抗拉、抗壓和抗彎f=350MPa，抗剪fv=180MPa，構件承載力滿足要求。1#樁簇鋼橫撐最下面一層 如果用φ1000δ16mm（考慮2mm腐蝕預留厚度），計算得到應力為323.5MPa，最大受剪應力46.3MPa，滿足要求；采用φ1300δ16mm（受力厚度16mm），計算得到應力284.6MPa，最大受剪應力76.18MPa，滿足要求。

（4）靠船樁簇水平位移；1#樁簇最大水平位移117mm，滿足使用要求。

6.結構優(yōu)化建議

考慮整個定位樁過大水平位移可能導致躉船卡住，設計過程中在鋼管樁中充填混凝土從而增加樁的抗彎性能，同時設置橡膠護舷時在護舷與定位樁間預留一定的空間以減小躉船卡住風險概率。