高樁碼頭新型分段縫結(jié)構(gòu)研究

黃珊珊，陳 達(dá)，張曉晨，歐陽峰

(河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098）

高樁碼頭新型分段縫結(jié)構(gòu)研究

黃珊珊，陳 達(dá)，張曉晨，歐陽峰

(河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098）

針對現(xiàn)有高樁碼頭分段縫結(jié)構(gòu)的不足和工程需要，論文提出了主要由帶U形槽的分段橫梁和碼頭結(jié)構(gòu)段端部縱梁組成的新型分段縫結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)介紹了該結(jié)構(gòu)的構(gòu)造、特點和技術(shù)設(shè)計方法。結(jié)果表明，提出的新型分段縫結(jié)構(gòu)不但滿足相鄰結(jié)構(gòu)段的自由伸縮要求和不均勻沉降要求，而且可以有效控制相鄰結(jié)構(gòu)段之間的橫向相對位移，具有受力明確、經(jīng)濟性好、設(shè)計施工方便等優(yōu)點，值得推廣應(yīng)用。

分段縫結(jié)構(gòu)；端部縱梁；分段橫梁；U形槽；橫向相對位移

高樁碼頭結(jié)構(gòu)憑借其良好的適用性，在港口工程中得到了廣泛的應(yīng)用。為減少高樁碼頭上部結(jié)構(gòu)受溫差和不均勻沉降的影響，一般采用設(shè)置分段縫的方法將上部結(jié)構(gòu)分成若干結(jié)構(gòu)段，使相鄰結(jié)構(gòu)段之間可以產(chǎn)生相對變位，從而釋放附加應(yīng)力。分段縫的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造型式直接影響到碼頭分段之間傳遞水平力的性質(zhì)［1］，目前常用的主要有懸臂式分段縫結(jié)構(gòu)（圖1）和簡支式分段縫結(jié)構(gòu)（圖2）。

懸臂式分段縫結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可將分段縫處面板做成凹凸形，防止碼頭相鄰結(jié)構(gòu)段由于橫向（即，垂直碼頭長度方向）位移不一致而造成的軌道錯牙，缺點是凹凸縫的制作較復(fù)雜，且設(shè)置分段縫一跨的跨度小，橫向排架數(shù)量多。簡支式分段縫結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是橫向排架數(shù)量少，缺點是抵抗橫向水平

力以及控制碼頭分段橫向相對位移的能力差，而且簡支結(jié)構(gòu)的支座構(gòu)造復(fù)雜，必須采取適當(dāng)措施以保證簡支梁的梁端能自由滑動和轉(zhuǎn)動。

圖1 懸臂式分段縫結(jié)構(gòu)Fig.1 Cantilever segmented joints structure

圖2 簡支式分段縫結(jié)構(gòu)Fig.2 Simply supported segmented joints structure

碼頭結(jié)構(gòu)所受到的橫向水平荷載主要有船舶荷載、門機水平分荷載、風(fēng)荷載、水流力等，相鄰分段受到的水平荷載差異會導(dǎo)致分段橫向相對位移。為此，《高樁碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》（JTS167-1-2010）［2］中提出：“當(dāng)碼頭采用有軌裝卸設(shè)備時，應(yīng)防止碼頭相鄰兩段水平位移差異影響有軌裝卸機械行駛，分段處可采用懸臂結(jié)構(gòu)。懸臂分縫處宜做成凹凸縫?！鄙鲜黾夹g(shù)實質(zhì)上是利用懸臂處的面板來控制碼頭分段橫向相對位移。然而面板較薄，其在凹凸縫處通常按照構(gòu)造要求配置加強鋼筋和加強斜筋。當(dāng)碼頭分段之間的橫向水平力相差較大時，凹凸縫不但不能有效控制橫向相對位移，而且由于相鄰分段在凹凸縫位置存在較大水平接觸力，會導(dǎo)致縫處面板遭受不同程度的損壞［3］。在實際工程中，上述問題屢見不鮮。對天津港部分高樁碼頭懸臂式分段縫所進(jìn)行的調(diào)查表明，不少碼頭在分段縫處破壞嚴(yán)重，有問題的分段縫占被調(diào)查分段縫總數(shù)的90%左右［4］。且有文獻(xiàn)［5］表明，高樁碼頭的現(xiàn)澆面層在使用過程中普遍出現(xiàn)裂縫，在此情況下，由凹凸縫造成的面板損壞則會進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)的耐久性。另一方面，隨著碼頭向大型化和深水化方向發(fā)展，我國成功研制了預(yù)應(yīng)力混凝土大直徑管樁，其強大的軸向和側(cè)向承載力使得樁間距及排架間距增大［6］，傳統(tǒng)懸臂式分段縫結(jié)構(gòu)的分段跨跨度小，不能充分發(fā)揮設(shè)置分段縫一跨樁的承載力，造成工程投資增加。

1 新型分段縫的構(gòu)造及特點

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足和實際工程的需要，本文在文獻(xiàn)［7］的基礎(chǔ)上改進(jìn)并提出了一種高樁碼頭新型分段縫結(jié)構(gòu)，其主要由帶U形槽的分段橫梁和碼頭結(jié)構(gòu)段端部縱梁組成。該結(jié)構(gòu)中分段縫一側(cè)的結(jié)構(gòu)段將端部縱梁擱置在分段橫梁所開的U形槽內(nèi)，另一側(cè)縱橫梁的型式和連接方式均與其他跨一致，其示意簡圖如圖3所示。

圖3 新型分段縫結(jié)構(gòu)Fig.3 New joints structure

圖4和圖5分別是分段橫梁與縱梁連接方式俯視圖和正視圖，圖6是其他跨橫梁與縱梁連接方式正視圖。由圖可見，分段橫梁為非對稱結(jié)構(gòu)，其設(shè)置分段縫一側(cè)的下橫梁開設(shè)U形槽，另一側(cè)則與其他跨一致。將相鄰結(jié)構(gòu)段的端部縱梁簡支擱置在U形槽內(nèi)，與上橫梁之間預(yù)留一定寬度的縫隙，滿足相鄰結(jié)構(gòu)段沿著碼頭長度方向的自由伸縮及豎直方向的不均勻沉降的要求，并限制其在垂直碼頭長度方向的位移，從而控制碼頭分段間的橫向相對位移并實現(xiàn)伸縮縫及沉降縫的功能。其中，新型分段縫結(jié)構(gòu)的支座處理方式既可以參照簡支式分段縫結(jié)構(gòu)中簡支梁的梁端，即在U形槽的下表面鋪設(shè)橡膠塊、油毛氈等墊層，利用這些材料比較柔軟又具有一定強度的特性來適應(yīng)梁端比較微小的轉(zhuǎn)動與伸縮變形的要求，并承受支點荷載；也可以在U形槽的下表面及端部縱梁的底面預(yù)埋鋼板，通過鋼板之間的滑動以滿足縱梁梁端自由伸縮及轉(zhuǎn)動，同時也能提高混凝土的耐久性。開U形槽一側(cè)的下橫梁翼緣寬度A′比其他跨下橫梁的翼緣寬度A大，主要考慮相鄰結(jié)構(gòu)段長度在溫度升高時的膨脹需要（c1），以及溫度降低時的收縮（c2）對擱置寬度的影響。此外，開U形槽一側(cè)的下橫梁高度也比其他跨下橫梁的高度B大，增加的高度b即U形槽的高度。該高度需能夠滿足足夠的側(cè)向剛度以及有效地約束縱梁的側(cè)向位移，因此相鄰結(jié)構(gòu)段間橫向水平力差越大，則b也越大。必要時也可增加開U形槽一側(cè)下橫梁的寬度，從而增大U形槽與懸臂縱梁的接觸面積，提高相鄰結(jié)構(gòu)段間橫向相對位移的控制能力。

圖4 分段橫梁與縱梁連接方式俯視圖Fig.4 Vertical view of the connection between lengthways girder and segmented cross beam

圖5 分段橫梁與縱梁連接方式正視圖Fig.5 Front view of the connection between lengthways girder and segmented cross beam

圖6 其他跨橫梁與縱梁連接方式正視圖Fig.6 Front view of the connection between lengthways girder and other cross beams

目前控制高樁碼頭分段間橫向相對位移的技術(shù)是將分段縫處面板做成凹凸形，利用面板的強度來限制橫向相對位移的發(fā)展。上述高樁碼頭新型分段縫結(jié)構(gòu)則是將端部縱梁擱置在相鄰分段橫梁的U形槽中，利用端部縱梁的水平抗彎能力和U形槽的限制能力來控制碼頭分段間橫向相對位移。當(dāng)分段間存在橫向水平力差時，端部縱梁在與U形槽的接觸處會受到U形槽側(cè)壁施加的橫向水平集中力，從而導(dǎo)致端部縱梁有側(cè)向彎曲變形的趨勢。同時，U形槽側(cè)壁受到的由端部縱梁施加的反作用力也會在一定程度上增加橫梁水平扭轉(zhuǎn)的趨勢，但不足以使橫梁發(fā)生水平扭轉(zhuǎn)破壞，對此可以通過采用將叉樁設(shè)置一定扭角的方式來抵抗橫梁的這一水平扭轉(zhuǎn)趨勢。與傳統(tǒng)面板凹凸縫結(jié)構(gòu)處通過構(gòu)造配筋不同的是，當(dāng)碼頭相鄰結(jié)構(gòu)段所承受的橫向水平力差較大時，可以通過增加端部縱梁側(cè)面的配筋量來提高其水平抗彎能力，也可以通過增加分段橫梁的下橫梁寬度和U形槽高度及配筋量提高其抵抗能力。此外，由于端部縱梁的一端擱置在U形槽中，穩(wěn)定可靠，伸縮自由，其跨越能力與懸臂式分段縫結(jié)構(gòu)相比大大提高，跨度設(shè)計可與其他跨一致。

當(dāng)碼頭相鄰結(jié)構(gòu)段承受的橫向水平力差過大時，可將以上分段縫結(jié)構(gòu)中的分段橫梁改進(jìn)為半工字形分段橫梁（圖7），通過在上下翼緣開設(shè)U形槽共同約束相鄰結(jié)構(gòu)段的端部縱梁，另一側(cè)則與其他跨一致。這種結(jié)構(gòu)不但能夠提高對相鄰結(jié)構(gòu)段間橫向相對位移的控制能力，而且由于上下翼緣U形槽側(cè)壁的共同作用，可以避免端部縱梁僅在下端受到橫向水平集中力作用時而發(fā)生的受扭變形現(xiàn)象。

圖8 分段橫梁結(jié)構(gòu)側(cè)視圖Fig.8 Side view of segmented cross beam

2 新型分段縫結(jié)構(gòu)的技術(shù)設(shè)計

新型分段縫結(jié)構(gòu)的技術(shù)設(shè)計主要體現(xiàn)在U形槽、端部縱梁和分段橫梁。

2.1 U形槽

U形槽的長度A′即下橫梁在該側(cè)的翼緣寬度（圖5），可按式（1）計算。

式中：c1和c2分別為相鄰結(jié)構(gòu)段長度在氣溫達(dá)到該地區(qū)最高和最低溫度時的膨脹量和收縮量；c3為懸臂縱梁的最小擱置寬度，可參考其他縱梁的擱置寬度取值。

U形槽的高度b應(yīng)根據(jù)U形槽側(cè)壁局部受壓強度計算確定（圖8），既要滿足足夠的側(cè)向剛度及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時又要考慮配筋要求。

2.2 端部縱梁

高樁碼頭中的縱梁主要承受自重、面板自重以及碼頭面上的各種豎向荷載，而新型分段縫結(jié)構(gòu)中的懸臂縱梁除承受以上荷載之外，還要承受由于相鄰結(jié)構(gòu)段橫向水平力不一致而在U形槽側(cè)壁引起的橫向水平集中力。因此，端部縱梁要分別進(jìn)行豎向及橫向的抗彎和抗剪設(shè)計。其中，豎向抗彎和抗剪設(shè)計可按照一端固定，一端簡支的梁進(jìn)行計算，豎向荷載取值可參考其他跨處的縱梁。橫向抗彎和抗剪設(shè)計可按照懸臂梁進(jìn)行計算。假設(shè)分段縫兩側(cè)橫向排架承受的橫向水平力差的最大值為F，端部縱梁的長度為l。在F的作用下，U形槽側(cè)壁施加給端部縱梁的橫向水平力可簡化為集中荷載考慮，其取值為F，計算跨度l′可按式（2）計算。

根據(jù)懸臂梁相應(yīng)公式計算得到梁中的彎矩和剪力分布后，可依據(jù)相關(guān)規(guī)范［9］對其進(jìn)行鋼筋的配置。

2.3 分段橫梁

分段橫梁作為重要的受力構(gòu)件，不僅要承受橫向水平力，還要承受碼頭上部結(jié)構(gòu)傳來的豎向力。由于端部縱梁擱置在分段橫梁下橫梁所開的U形槽內(nèi)，導(dǎo)致下橫梁翼緣承受的橫向荷載和豎向荷載也相應(yīng)增加。為確保下翼緣與整個橫梁共同受力，避免沿翼緣與腹板交線的剪切破壞，同時也為了防止下翼緣與端部縱梁的接觸面上發(fā)生混凝土的局部受壓破壞，需對下橫梁進(jìn)行抗剪以及局部承壓設(shè)計。其中，分段橫梁的下翼緣在端部縱梁施加的集中荷載作用下的抗剪設(shè)計方法，由剪跨比λ的大小來決定。根據(jù)λ的大小判斷下橫梁翼緣的破壞形態(tài)，再依據(jù)相關(guān)規(guī)范［8］對其進(jìn)行橫向箍筋的配置。下橫梁翼緣擱置縱梁的混凝土接觸面局部壓應(yīng)力應(yīng)滿足式（3）。

式中：σc為接觸面局部壓應(yīng)力；Fvk為作用于翼緣上按荷載標(biāo)準(zhǔn)組合計算的豎向集中力值；A為局部受壓面積；fc為混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值。若不滿足局部承壓要求，則需另外配置鋼筋網(wǎng)片或螺旋筋等間接鋼筋予以加強。

同樣地，也需要保證下橫梁上的U形槽側(cè)壁在受橫向集中力時的局部承壓能力，因此也先按照式（3）進(jìn)行初步驗算，若滿足要求，則不需配置間接鋼筋；若不滿足，則也要另外配置鋼筋網(wǎng)片或螺旋筋等間接鋼筋，并進(jìn)行驗算。

3 結(jié)論

本文提出的高樁碼頭新型分段縫結(jié)構(gòu)主要由帶U形槽的分段橫梁和碼頭結(jié)構(gòu)段端部縱梁組成，通過在分段橫梁設(shè)置U形槽，將相鄰結(jié)構(gòu)段的端部縱梁擱置其中，從而實現(xiàn)分段結(jié)構(gòu)在溫度作用下沿著碼頭長度方向的自由伸縮，克服分段結(jié)構(gòu)沉降不均勻的影響，而且達(dá)到有效控制相鄰結(jié)構(gòu)段間橫向相對位移的目的。該結(jié)構(gòu)克服了傳統(tǒng)懸臂式分段縫結(jié)構(gòu)抵抗橫向水平力和控制碼頭分段橫向相對位移能力差，橫向排架數(shù)量多，凹凸形面板制作復(fù)雜且易損壞等缺點，具有以下優(yōu)點：（1）受力明確，可根據(jù)碼頭實際橫向水平受力特點進(jìn)行計算，滿足橫向相對位移的設(shè)計要求；（2）經(jīng)濟性好，設(shè)置分段縫一跨無需減小跨度，降低工程投資；（3）施工方便，除了U形槽局部構(gòu)造有所特殊以外，其他部分均與正?？缣幰恢隆Ｒ虼?，本文提出的新型分段縫結(jié)構(gòu)可以普遍用于高樁碼頭分段設(shè)計，值得推廣應(yīng)用。

［1］張志明，白景濤.全直樁碼頭伸縮縫（沉降縫）構(gòu)造的特殊處理方法及其傳遞水平力的分析［J］.水運工程，2002（3）：25-29. ZHANG Z M，BAI J T.Special Treament Method for the Expansion Jionts（Settlement Jionts）of All?Vertical?Piled Wharf and Anal?ysis to Horizontal Force Transmission［J］.Port&Waterway Engineering，2002（3）：25-29.

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Research on new joints structure of high?piled wharf

HUANG Shan?shan,CHEN Da,ZHANG Xiao?chen,OUYANG Feng
（College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China）

Aiming at the shortcomings of the existing high?piled wharf joints structure and engineering need, new joints structure consisting of segmented beam with U?shaped slot and end girder were proposed in this paper. Characteristics and technology design method of the structure were introduced in details.Results show that the pro?posed new joints structure can not only satisfy the requirement of free expansion and uneven settlement between ad?jacent structures,but the transverse relative displacement between adjacent ones can also be controlled.It has sev?eral advantages of clear force,good economy,convenient design and construction and so on.

joints structure;end girder;segmented cross beam;U?shaped slot;transverse relative displace?ment

U 656.1+13

A

1005-8443（2016）03-0284-04

2015-11-05；

2016-01-18

黃珊珊（1992-），女，江蘇省南通人，碩士研究生，主要從事港口海岸及近海工程方面的研究。

Biography：HUANG Shan?shan（1992-），female，master student.