大型集裝箱碼頭方沉箱與大圓筒結構受力特點對比

李春陽，郭夢圓，徐文強

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290)

沉箱和大圓筒結構在大型重力式碼頭中應用廣泛，針對這兩種結構的相關研究也很多。徐烈毅[1]針對沉箱和大圓筒碼頭的造價進行了分析對比，在相同安全度條件下，大圓筒方案較為經濟；楊文[2]針對沉箱結構和大圓筒結構進行了抗滑、抗傾穩定性驗算和造價分析，結果表明大圓筒方案造價上更有優勢，但大圓筒結構的抗滑能力不如沉箱結構；郭夢圓等[3]針對帶有卸荷板的大圓筒碼頭在岸橋荷載、波浪力和土壓力作用下的受力特性進行分析，結果表明岸橋荷載較大時，對大圓筒頂部彎矩影響顯著，但未與沉箱結構進行對比分析。以上論文分別從沉箱結構和大圓筒結構的造價、整體穩定性、受力特性方面進行對比分析，而針對沉箱結構和大圓筒結構前趾應力及胸墻內力特性的對比分析研究很少。本文對欽州港大欖坪港區20萬噸級自動化集裝箱碼頭對沉箱方案和大圓筒方案的前趾應力和胸墻內力特點及分布進行對比分析，可為大型連片式重力式碼頭結構選型提供參考。

1 項目概況

欽州港大欖坪港區大欖坪南作業區9#、10#泊位工程碼頭結構按靠泊20萬噸級集裝箱船設計，泊位總長783 m。碼頭面高程6.6 m，結構底高程-18.0 m，碼頭高差達24.6 m。裝卸設備采用自動化雙小車岸橋，其輪壓和非工作狀態下的岸橋海側軌荷載見表1。項目地點位于欽州灣，屬南亞熱帶海洋性氣候，季風盛行，海域掩護條件較好，波能動力相對較弱，設計波浪條件見表2。

表1 碼頭岸橋海側軌荷載

表2 設計波浪條件

項目地質自上而下分別為：填土層、砂混淤泥、黏性土、中粗砂、全風化巖、強風化巖、中風化巖，其中風化巖又可分為粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、砂巖3個亞層。碼頭區域巖層埋藏較淺，在港池底高程以下地質多為風化泥砂巖，是良好的持力層，適宜修建以天然基巖為基礎的重力式結構，采用方沉箱和薄壁大圓筒進行方案比選。經過抗傾、抗滑穩定計算，大圓筒結構和沉箱結構均滿足規范要求，且安全度相當。

1.1 方沉箱結構方案

本工程碼頭面高程6.6 m，沉箱頂高程3.0 m，沉箱底高程-18.0 m，沉箱高21.0 m，底寬15.8 m(其中外趾長度1.0 m)，長23.92 m，單個沉箱質量約3 510 t，混凝土強度等級C40。沉箱前排倉格回填塊石至-2.5 m高程，中間艙格和后排艙格填滿塊石，沉箱前排艙格上為現澆混凝土胸墻，寬度4.2 m，高度3.6 m，中部設置綜合管溝，系船柱位置局部嵌入沉箱艙格，混凝土強度等級C40。沉箱后回填10～100 kg塊石棱體，沉箱基床為10～100 kg塊石，厚度1.0 m，基礎持力層為中風化泥巖。橡膠護舷、系船柱和門機軌道設施等附屬設施設置在胸墻上。碼頭面上設置2條A150軌道，前軌座落在胸墻上，后軌位于軌道梁上，采用PHC雙樁基礎。沉箱結構斷面見圖1。

圖1 方沉箱碼頭典型斷面(單位：m)

1.2 大圓筒結構方案

該方案中大圓筒外徑19.5 m，壁厚0.4 m，大圓筒底高程-18.0 m，圓筒頂高程3.0 m，圓筒設內、外趾，均懸挑1.0 m。大圓筒基床為10～100 kg塊石，厚1.0 m。基礎持力層為中風化泥巖。大圓筒內回填中粗砂及礫卵石反濾料，中粗砂振沖密實。圓筒兩側設置倒濾腔，腔內填倒濾料。后方回填塊石棱體，棱體分2級回填，第1級塊石棱體回填至-5.5 m，設置倒濾層后回填中粗砂，再回填第2級棱體至0.5 m，表面依次設置二片石墊層、混合倒濾層及土工布2層，然后在其上方回填砂并振沖密實。圓筒上為鋼筋混凝土蓋板和胸墻，蓋板為梁肋式結構，肋梁橫向布置，正交連接胸墻縱向構件，每塊蓋板設2道橫向肋梁，間距11.9 m，梁寬0.8 m，梁高3.3 m。胸墻底高程3.0 m，頂高程6.6 m，胸墻臨水懸寬0.8 m，底高程1.6 m，以供護舷安裝，胸墻內設管溝。碼頭面上設置2條A150軌道，前軌座落在胸墻上，后軌位于軌道梁上，采用PHC雙樁基礎。大圓筒結構斷面見圖2。

圖2 大圓筒碼頭典型斷面(單位：m)

2 前趾應力計算及對比分析

大圓筒結構由于受力較復雜，基床頂面應力一般采取等效矩形法計算，但該方法無法反映前趾局部應力，宜采用有限元軟件對其進行模擬[4]，因此本文采用巖土有限元軟件進行模擬。根據工程最不利工況，考慮風、浪、流、堆載及裝卸工藝荷載等組合作用，對結構進行整體受力分析。為便于對比，方沉箱結構也采用有限元模型進行分析。利用PLAXIS 3D有限元軟件分別建立方沉箱碼頭和大圓筒實體模型，見圖3。土體采用硬化土本構模型，混凝土結構采用線彈性模型，混凝土結構與土體之間設置界面單元，界面強度折減因子取0.67。按施工順序進行分步加載，并考慮不同工況組合。

圖3 整體有限元模型

最不利工況下(門機非工作工況+波吸力)方沉箱結構基床應力分布結果見圖4，方沉箱基床應力分布較為均勻，最大應力為684 kN/m2，位于前趾外邊沿，基床頂面應力從沉箱前趾至沉箱后沿逐漸降低，呈線性分布，該數值及分布規律與規范平面算法基本一致。

圖4 方沉箱結構基床應力分布

最不利工況下(門機非工作工況+波吸力)大圓筒結構基床頂面應力分布結果見圖5，基床頂面應力呈環狀分布，以倒濾腔結構為界，陸側半圓環應力較小，海側半圓環應力較大。大圓筒基床出現明顯的應力集中現象，最大應力區域集中在海側30°圓弧區域，前趾最大應力值達到1 077 kN/m2，遠大于常規基床極限應力不大于800 kN/m2的限值[5]，且基床應力分布不均勻。大圓筒結構設置了內外趾，但其內部回填土體不能與圓筒結構形成整體受力，因此基床應力較大值出現在了圓筒內外趾寬度范圍內，圓筒內部回填料下方的基床頂面應力較小。

圖5 大圓筒方案基床應力分布

3 胸墻內力計算及對比分析

對于大圓筒碼頭結構，為滿足穩定性要求，將上部胸墻(兼做前軌道梁)、卸荷板及肋梁連接成一個整體，結構較復雜，難以采用常規簡化方法進行計算，宜采用數值方法建模分析。為便于分析對比，胸墻內力統一采用空間有限元軟件分別對方沉箱碼頭和大圓筒碼頭上部結構建立空間模型進行計算，考慮自重、系纜力、岸橋荷載作用，并進行荷載組合。方沉箱碼頭胸墻和大圓筒碼頭上部結構的有限元模型見圖6。碼頭胸墻內力計算結果對比見表3。

圖6 上部結構有限元模型

表3 碼頭胸墻內力計算結果對比

由表3可知，方沉箱碼頭和大圓筒碼頭胸墻的最大剪力差別較小，分別為6.371 MN和6.818 MN。方沉箱碼頭和大圓筒碼頭胸墻跨中彎矩最大值分別為2.942、10.327 MN·m，支座彎矩最大值分別為5.159、13.600 MN·m；大圓筒碼頭胸墻的跨中彎矩和支座彎矩分別為方沉箱碼頭的3.5、2.6倍。由圖7、8可知，大圓筒碼頭胸墻的最大跨中彎矩位于每段軌道梁正中間，向端部迅速減小；而方沉箱碼頭胸墻最大跨中彎矩位于艙格正中間，且整體分布較均勻。這是由于方沉箱結構中，沉箱艙格起到支撐作用，胸墻跨度僅為4.3 m，而大圓筒結構中，胸墻最大跨度為12.5 m，兩端懸臂結構最大懸臂約5.0 m，導致其跨中和支座彎矩顯著增大。

圖7 方沉箱結構胸墻彎矩

圖8 大圓筒結構胸墻彎矩

綜上，對于大噸級的連片式碼頭，大圓筒結構胸墻跨度大、懸臂長，當上部荷載較大時，胸墻彎矩顯著增大。而方沉箱結構胸墻跨度小、無懸臂，其彎矩整體分布更均勻。

4 結語

1)在碼頭噸級較大時，大圓筒結構前趾應力大，且存在明顯的應力集中現象，基床頂面應力較大值主要集中在碼頭前沿30°圓弧左右對應的圓筒結構內外趾下方區域，其局部最大應力遠大于沉箱方案的最大前趾應力。

2)大圓筒結構上部胸墻跨度大、兩端懸臂長，當使用荷載較大時，跨中彎矩和支座彎矩顯著增大，大圓筒碼頭胸墻的跨中彎矩和支座彎矩分別為方沉箱碼頭的3.5、2.6倍。而方沉箱結構胸墻跨度小、且無懸臂，跨中彎矩和支座彎矩小，且總體分布較均勻。

3)對于大型重力式集裝箱碼頭而言，方沉箱結構相比大圓筒結構受力具有明顯優勢。碼頭結構選型應考慮工程造價、施工工藝、工期及結構受力等因素綜合比選確定。