湖區游艇碼頭聯系橋結構探討及設計優化

魏志民，楊玉勤

（1.湖北省交通規劃設計院股份有限公司，湖北武漢 430051；2.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北武漢 430060）

引言

在新的國際形勢及新冠疫情影響下，中國特色社會主義進入新時代，社會主要矛盾已經轉化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發展之間的矛盾。同時我國經濟發展也進入新常態，已由高速增長階段轉向高質量發展階段，以供給側結構性改革為主線，堅持擴大內需戰略。在此背景下，往常以沿海項目為主的游艇碼頭，目前也加速了在內河、湖泊中的布局，現有運營多年的游艇碼頭也面臨更新改造。

經過文獻調查，目前相關文獻多為針對游艇碼頭規劃方案、平面布置以及定位樁的研究，尚未檢索到研究聯系橋結構的相關論文。對于游艇碼頭聯系橋，目前設計常參考現有市場成熟產品，采用鋁合金結構進行設計，長度通常為10～24 m。本文以游艇碼頭聯系橋為討論對象，分別探討不同材質的強度特點、適宜尺度以及應用于聯系橋的優缺點，同時針對湖區特點提出一種具有實用價值的聯系橋結構優化方案，以便為類似設計提供參考。

1 聯系橋功能

現行規范未對聯系橋進行功能定義，根據國外資料，“鉸接式聯系橋是最廣泛使用的從陸地或固定碼頭進入浮碼頭或船舶的方式。市場上有各種材料的聯系橋，包括樹脂、玻璃纖維、碳纖維、木材、鋁、鋼或這些材料的組合。海洋級別的鋁是最普遍的，因為它表現出有利的強度-重量比和耐腐蝕性?！盵1]通常聯系橋一側鉸接在岸上結構，另一側通過滾輪（或導軌）和搭板連接浮橋側，其上布置有水電管線以及防腐木走道板、欄桿扶手等附屬設施。規范[2]中還對聯系橋的寬度、坡度、高程和所受荷載進行了詳細規定。

2 不同材料強度指標

經查閱相關資料，玻璃纖維復合材[3]、碳纖維復合材[4]、膠合木[4]、鋁合金[5-6]及鋼材[7]的密度及強度指標見表1。

表1 不同材料密度及強度指標

3 不同材料聯系橋尺度

3.1 采用玻璃纖維、碳纖維復合材或混合材料

此種聯系橋（搭板）一般采用混雜纖維復合材料，通過兩種及以上的纖維匹配來均衡它們的力學性能，改善單一纖維復合材料的沖擊韌性、斷裂應變以及疲勞強度等[8]，還能夠在滿足使用荷載的前提下，大幅降低材料的成本[9]。結合表1 分析，玻璃纖維復合材、碳纖維復合材的優缺點如下[10]：

1）玻璃纖維復合材。優點：拉伸強度高、伸長率小、彈性系數高、不易燃燒、絕緣性好、耐化學性佳、吸水性小、耐熱性好、便于加工成復雜異型構件、透明、表面處理劑成熟、價格便宜可實現量產。缺點：性能不如碳纖維、耐磨性差、透波率高、電磁屏蔽性能差。

2）碳纖維復合材。優點：比重小、比強度高、比模量高、耐超高溫、耐疲勞性好、溫差變化或者長時間作業無蠕變、熱膨脹系數小且具有各向異性、導電導熱性能良好、電磁屏蔽性好、可設計性強、耐蝕性突出。缺點：定制性較強、量產較難、價格較高、抗剪強度低、屬脆性材料、損壞后無法修復、二次回收困難、重復利用率差。

將以上幾種材料進行適當組合，就能夠生產出滿足市場需求的成熟產品，但考慮到材料本身強度的極限、脆性以及成本因素，此種聯系橋（搭板）長度一般為2～3 m，寬度一般約為0.39 m，重量約8 kg，最大承載約300 kg，常用于游艇直接與浮橋或岸邊的搭接。

圖1 一種混雜纖維復合材料聯系橋（搭板）

3.2 木材

通過分析表1 可知，木材能有效地抗壓、抗彎和抗拉，且具有很好的塑性，其容重小、強度-容重比高、加工簡便、原材料較易獲得。但木材的彈性模量低，其長期強度明顯低于短期強度且存在各向異性，其木節、斜紋和裂縫等天然缺陷對木材的力學性能也有較大影響，在使用過程中還需注意防蛀、防腐、防火和防高溫等影響材料性能和安全的問題。故在游艇碼頭中，若使用木材作為聯系橋的主材，則會具有很多的局限性。

目前市場上，對于不帶側向主桁架結構的木質聯系橋，其尺度、功能和適用范圍與混雜纖維復合材料聯系橋（搭板）相當，對于帶側向主桁架結構的木質聯系橋，其寬度一般為1.2～1.8 m，長度一般為3～6 m。

3.3 鋁合金

目前市場上聯系橋常用的材質即鋁合金，通過表1 可知，鋁合金強度與鋼材相近，但密度約為鋼材的1/3，強度-容重比高。同時鋁合金熔點很低，生產商可以通過擠壓成型工藝迅速、經濟地將鋁合金加工成各種復雜截面，這對于埋設水電管線具有很大的便利性。在空氣中，鋁合金表面能迅速形成高度抗氧化膜，具有很好的耐腐蝕性。同時在較低溫度下，鋁合金仍能保持較高的強度。但是鋁合金彈性模量也只有鋼材的1/3，易發生屈曲破壞，在焊接區的強度也會發生強度折減。考慮到游艇碼頭特殊的景觀要求，聯系橋的高度及桿件截面不宜做太大，故鋁合金聯系橋所能設計的長度較鋼結構橋要短，一般不超過30 m，常見為10～20 m。

3.4 鋼材

鋼材是水運工程、橋梁工程中的常用材料，具有輕質高強的特點，其材料特性常與鋼筋混凝土進行對比，其結構強度驗算內容與鋁合金結構基本一致[7]，本文不進行贅述。使用鋼材作為聯系橋的主材，可實現的跨度較大，但與鋁合金聯系橋相比，在跨度小于24 m 時，因側向桁架因兼顧欄桿作用需滿足最低高度要求，鋼結構引橋的強度得不到較大發揮。而跨度大于24 m 之后，鋼結構聯系橋自重較大，又會使施工難度增加，同時浮橋側聯系橋支座處浮箱還需進行單獨設計，甚至浮箱設計難以滿足支承和穩定要求，還需考慮結構上的特殊設計方案。另外，鋼結構加工性不如鋁合金結構，水電管線只能用橋架的型式布置，結構不如鋁合金結構美觀，后期維護也較鋁合金結構麻煩。

4 工程應用實例分析

4.1 工程概況及難點

湖北省黃岡市某游艇碼頭位于湖區岸邊，陸域側為已建影視城，水域為湖區（圖2），項目擬建游艇碼頭供游湖使用。碼頭設計高水位20.50 m（85高程，下同）、設計低水位14.95 m，設計湖底高程13.25 m，岸側游客集散中心平臺高程21.00 m，距水域浮橋水平距離約35 m，聯系橋需適應高差為5.55 m。

圖2 游艇碼頭平面布置示意

根據規范[2]要求，“步行坡度不宜陡于1:4，無法滿足時需設置活動踏步”?？紤]活動踏步在使用期較難調整，且市場未見成熟產品，故不考慮設置活動踏步。則做一跨聯系橋時，若按1:4、1:5 或1:6坡度設計，則聯系橋長度約22.2 m、27.75 m、33.3 m，綜合考慮將坡度控制在不陡于1:5。在該長度下，若采用鋁合金結構，則生產廠家較少、結構桿件較粗不美觀、在控制結構高度時活載下撓度大；若采用鋼結構，則鋼結構加工性不如鋁合金結構，水電管線只能用橋架的型式布置，結構不如鋁合金結構美觀，后期維護也較鋁合金結構麻煩。同時考慮陸域影視城的現有道路結構，不能滿足20 m以上鋁合金或鋼結構聯系橋的重件運輸，水域因低水位施工時吃水有限，僅能采用簡易浮箱浮吊進行運輸，其起重能力也有限，故本工程采用一種新的結構型式以解決以上問題。

4.2 結構選型及優化方案

本項目所采取結構方案見圖3、圖4。在浮橋與游客集散中心平臺之間設置一處跳躉及跳躉支架，跳躉支架為4 根通過聯系撐連接的定位樁，其上設置有橡膠護舷，跳躉在支架限位下隨水位浮動。跳躉兩側通過鋁合金聯系橋分別與陸域、浮橋連接，當水位低于17.00 m 后，跳躉擱置在跳躉支架之上，僅浮橋側聯系橋繼續轉動。在此方案下，聯系橋采用鋁合金結構，且長度不超過15 m，其最大坡度為1:5.3～1:6.1，能夠解決以下難點：①因水位差及坡比要求，或為了達到更好舒適性，浮橋與陸域水平距離大于25 m，利用此種結構減少了設計及施工難度；②水域、陸域重件吊裝能力受限，不能滿足20 m 以上長度聯系橋的吊裝，利用此種結構能夠適應絕大多數湖區的施工條件；③聯系橋撓度較小，舒適性較高；④對于聯系橋的坡度進行了分級控制，且無需提升樓結構中額外的機電設備；⑤跳躉支架能有效對跳躉進行水平向限位并保護聯系橋上的鋁合金連接件，同時無需額外設置拋錨設施。

圖3 設計高水位時結構示意

圖4 設計低水位時結構示意

通過以上分析，本項目中所設計的方案能夠解決諸多難點，具有一定的實用價值。

5 結語

本文以游艇碼頭聯系橋的材質為討論對象，分別探討了玻璃纖維復核材料、碳纖維復核材料、膠合木材、鋁合金和鋼材的強度特點、適宜尺度，以及上述材料應用于聯系橋的優缺點。其中玻璃纖維復核材料、碳纖維復核材料聯系橋長度一般為2～3 m，木材聯系橋長度一般為3～6 m，鋁合金聯系橋長度一般為10～24 m，鋼聯系橋長度可大于30 m，但其不能很好滿足游艇碼頭的美觀需求，后期維護較麻煩，且需考慮支撐端的特殊設計。本文提出一種具有實用價值的結構型式，即通過“鋁合金聯系橋+跳躉/跳躉支架+鋁合金聯系橋”的結構型式，解決工程中以下難點：1）因水位差及坡比要求，或為了達到更好舒適性，浮橋與陸域水平距離大于25 m，利用此種結構減少了設計及施工難度；2）水域、陸域重件吊裝能力受限，不能滿足20 m 以上長度聯系橋的吊裝，利用此種結構能夠適應絕大多數湖區的施工條件；3）聯系橋撓度較小，舒適性較高；4）對于聯系橋的坡度進行了分級控制，且無需提升樓結構中額外的機電設備；5）跳躉支架能有效對跳躉進行水平向限位并保護聯系橋上的鋁合金連接件，同時無需額外設置拋錨設施。