天津港某碼頭超設(shè)計(jì)行駛90t汽車的可行性研究

郭暢鄒君鵬

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 天津市 300456 2.天津港遠(yuǎn)航國際礦石碼頭有限公司 天津市 300450）

1 概述

1.1 前言

天津港某礦石碼頭建成投產(chǎn)已十余年，隨著碼頭裝卸量的提升，大型車輛的裝卸運(yùn)輸也在不斷增加。這些大型車輛運(yùn)輸荷載已超出了設(shè)計(jì)單位提供的碼頭面荷載限值，然而設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)中往往考慮了較大的安全系數(shù)，如果嚴(yán)格按照其限值進(jìn)行管理，往往導(dǎo)致實(shí)際作業(yè)捉襟見肘。針對碼頭大型車輛運(yùn)輸中存在的這一問題，本文特對90t汽車在該碼頭上行駛的可行性進(jìn)行研究。該研究對提高老碼頭的使用功能，保障碼頭結(jié)構(gòu)安全性和提高碼頭運(yùn)輸效率，增加經(jīng)濟(jì)效益都有積極意義。

1.2 研究目標(biāo)

旨在通過分析計(jì)算，提出需驗(yàn)算的車型在該碼頭上作業(yè)的范圍和要求，有待解決的問題概括：

（1）確定待驗(yàn)算汽車荷載能否進(jìn)入碼頭承臺區(qū)；

（2）若荷載在最不利位置時(shí)驗(yàn)算構(gòu)件承載力不滿足要求，能否規(guī)劃路徑盡量避免荷載出現(xiàn)在最不利位置，使構(gòu)件承載力滿足要求。

1.4 研究路線

依據(jù)《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS-151 2011），對碼頭面板、基樁進(jìn)行承載力和正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算。

采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA和豐海結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件驗(yàn)算車型通過碼頭面時(shí)在構(gòu)件中產(chǎn)生的荷載效應(yīng)，并將極限承載力與荷載效應(yīng)進(jìn)行比較，從而判斷構(gòu)件的安全性。

若不滿足安全性要求，規(guī)劃合理路徑盡量避免荷載出現(xiàn)在最不利位置，使構(gòu)件承載力能力滿足要求。

2 碼頭結(jié)構(gòu)簡介與荷載作用

2.1 碼頭結(jié)構(gòu)簡介

碼頭岸線總長為375m，碼頭前沿水底高程近期為-20.8m，碼頭面高程為6.0m。碼頭承臺總寬90.5m，前方承臺寬35.0m，后方承臺寬55.5m，碼頭前方承臺共分7個(gè)結(jié)構(gòu)段，第一至第六結(jié)構(gòu)段排架間距為6.5m，基樁為φ1000mm和φ1200mm鋼管樁，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制安裝預(yù)應(yīng)力橫梁，軌道梁，連系梁，面板和鋼筋混凝土靠船構(gòu)件的結(jié)構(gòu)型式。第七結(jié)構(gòu)段排架間距為6.9m，基樁為φ1200mm鋼管樁，上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆墩臺的結(jié)構(gòu)型式，后方承臺的基樁采用650×650mm預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁和φ800mm與φ900mm的灌注樁，排架間距為6.5m，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制安裝預(yù)應(yīng)力簡直梁的結(jié)構(gòu)形式，碼頭后方承臺與電纜溝兼擋土墻之間通過預(yù)應(yīng)力混凝土渡板相連。

2.2 荷載作用

2.2.1 永久作用

碼頭結(jié)構(gòu)自重力：鋼筋混凝土容重25kN/m3，混凝土容重24kN/m3，鋼材容重78.5kN/m3。

2.2.2 可變作用（見表1、圖1）

（1）堆貨荷載：

表1 汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值及平面尺寸

圖1 汽車的平面尺寸

后方承臺堆貨荷載為50kPa。

（2）汽車荷載

3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算說明和依據(jù)

本次驗(yàn)算主要目的為碼頭因?qū)嶋H工作需要，在設(shè)計(jì)汽車荷載為60t，實(shí)際汽車荷載為90t情況下，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)安全性是否滿足規(guī)范規(guī)定要求。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查，碼頭上汽車流動荷載主要作用在后方承臺結(jié)構(gòu)面上，汽車類型主要為重型翻斗車，因此在此次驗(yàn)算中驗(yàn)算后方承臺碼頭和接岸結(jié)構(gòu)在90t汽車荷載作用下是否滿足規(guī)范規(guī)定要求。

本次驗(yàn)算取最不利荷載組合進(jìn)行后方承臺構(gòu)件結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)以及接岸擋土墻穩(wěn)定性驗(yàn)算。主要對以下三種情況對結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算：

（1）承載能力極限狀態(tài)計(jì)算：根據(jù)《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 151-2011）進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)作用效應(yīng)組合，對后方承臺碼頭空心板進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)的驗(yàn)算。

（2）正常使用極限狀態(tài)計(jì)算：根據(jù)《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 151-2011）進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)作用效應(yīng)組合，對后方承臺空心板進(jìn)行抗裂和撓度驗(yàn)算。

（3）擋土墻穩(wěn)定性計(jì)算：根據(jù)《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 151-2011）進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)作用效應(yīng)組合，依據(jù)根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL379-2007）對接岸擋土墻進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算。

由于堆貨荷載與汽車荷載不能同時(shí)存在，此次計(jì)算時(shí)主要考慮以下六種荷載的組合（如表2）。

表2 荷載組合表

4 碼頭結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)算及解決方案

4.1 后方承臺承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

選取后方承臺碼頭標(biāo)準(zhǔn)段排架，采用豐海軟件對預(yù)應(yīng)力空心板進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算，其中汽車荷載按《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 144-1-2010）規(guī)定進(jìn)行兩排布置最不利布置在第六跨上，跨徑為4.1m。

4.1.1 正截面受彎承載力

自重、堆貨荷載和汽車荷載作用下預(yù)應(yīng)力空心板的彎矩通過豐海結(jié)構(gòu)軟件計(jì)算得到，然后按表2中承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行荷載組合，預(yù)應(yīng)力空心板的彎矩設(shè)計(jì)值和極限承載力如表3所示。

表3 承載能力極限狀態(tài)持久組合空心板彎矩和設(shè)計(jì)承載力

根據(jù)《港口水工建筑物檢測與技術(shù)評估規(guī)范》（JTJ 302-2006）9.2.1.3條規(guī)定，認(rèn)定預(yù)應(yīng)力空心板在90t汽車荷載作用下受彎承載力的安全性為D級。

4.1.2 斜截面受剪承載力

自重、堆貨荷載和汽車荷載作用下預(yù)應(yīng)力空心板的剪力通過豐海結(jié)構(gòu)軟件計(jì)算得到，然后按表2中承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行荷載組合，預(yù)應(yīng)力空心板的剪力設(shè)計(jì)值和極限承載力如表4所示。

表4 承載能力極限狀態(tài)持久組合空心板剪力和極限承載力

根據(jù)《港口水工建筑物檢測與技術(shù)評估規(guī)范》（JTJ 302-2006）9.2.1.3條規(guī)定，認(rèn)定預(yù)應(yīng)力空心板在90t汽車荷載作用下受剪承載力的安全性為B級。

4.1.3 局部承壓承載力

選取后方承臺碼頭標(biāo)準(zhǔn)段排架橫梁上的典型預(yù)應(yīng)力空心板，其尺寸為6.35m×1.97m，施加表1中的汽車荷載計(jì)算空心板的局部承壓承載力，其預(yù)應(yīng)力空心板的局部壓力設(shè)計(jì)值和極限承載力如表5所示。

表5 預(yù)應(yīng)力空心板的局部壓力設(shè)計(jì)值和極限承載力

根據(jù)《港口水工建筑物檢測與技術(shù)評估規(guī)范》（JTJ 302-2006）9.2.1.3條規(guī)定，認(rèn)定預(yù)應(yīng)力空心板在90t汽車荷載作用下局部承壓承載力的安全性為A級。

4.1.4 單樁垂直承載力

選取后方承臺碼頭標(biāo)準(zhǔn)段排架典型的預(yù)應(yīng)力混凝土空心樁650×650mm和灌注樁φ800mm，按表2中承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行荷載組合，其單樁垂直力設(shè)計(jì)值和極限承載力如表6和7所示。

表6 預(yù)應(yīng)力混凝土空心樁單樁垂直力設(shè)計(jì)值和極限承載力

表7 混凝土灌注樁單樁垂直力設(shè)計(jì)值和極限承載力

根據(jù)《港口水工建筑物檢測與技術(shù)評估規(guī)范》（JTJ 302-2006）9.2.1.3條規(guī)定，認(rèn)定預(yù)應(yīng)力混凝土空心樁和混凝土灌注樁在自重、堆貨荷載和汽車荷載作用下單樁垂直承載力的安全性為A級。

4.2 后方承臺正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

選取后方承臺碼頭標(biāo)準(zhǔn)段排架典型預(yù)應(yīng)力空心板，預(yù)應(yīng)力空心板尺寸為6.35m×1.97m，施加自重、堆貨荷載和汽車荷載，按表2中正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)組合和準(zhǔn)永久組合，其預(yù)應(yīng)力空心板的拉應(yīng)力和規(guī)范限值如表8所示。

表8 預(yù)應(yīng)力空心板的拉應(yīng)力和規(guī)范限值

根據(jù)《港口水工建筑物檢測與技術(shù)評估規(guī)范》（JTJ 302-2006）9.2.1.3條規(guī)定，認(rèn)定預(yù)應(yīng)力空心板在90t汽車荷載作用下的抗裂驗(yàn)算不滿足規(guī)范規(guī)定的要求。

4.3 接岸擋土墻穩(wěn)定性驗(yàn)算

選取單位長度接岸擋土墻，驗(yàn)算擋土墻在90t汽車荷載作用下的抗滑和抗傾覆穩(wěn)定性，其計(jì)算結(jié)果如表9所示。

表9 接岸擋土墻抗滑和抗傾覆穩(wěn)定性

根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL379-2007）6.3.4和6.4.1條規(guī)定，認(rèn)定接岸擋土墻在90t汽車荷載作用下的抗滑和抗傾覆穩(wěn)定性滿足規(guī)范規(guī)定的要求。

4.4 解決方案

根據(jù)本章4.1和4.2節(jié)計(jì)算可知，預(yù)應(yīng)力空心板在90t汽車荷載作用下正截面受彎承載力、斜截面受剪承載不滿足承載能力極限狀態(tài)的要求，預(yù)應(yīng)力空心板在90t汽車荷載作用下抗裂性能不滿足正常使用極限狀態(tài)的要求。在此次計(jì)算中選取的90t汽車荷載為并排兩輛汽車進(jìn)行計(jì)算，因此在實(shí)際工程中規(guī)劃路徑，使得每塊預(yù)應(yīng)力空心板只承受一輛90t汽車荷載。采用此方案驗(yàn)算預(yù)應(yīng)力空心板的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，其計(jì)算表格如表10和11所示。

表10 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

表11 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

通過限定汽車行駛路徑，禁止汽車并排行駛在同一空心板上，預(yù)應(yīng)力空心板在90t汽車荷載作用下的受彎承載力、受剪承載力和抗裂性能滿足《港口水工建筑物檢測與技術(shù)評估規(guī)范》（JTJ 302-2006）規(guī)范的要求。

5 結(jié)論

通過對碼頭在90t大型汽車荷載作用下的受力計(jì)算和分析，得出如下結(jié)論：

（1）并排兩輛90t重型翻斗車在后方承臺任意位置行駛時(shí)，后方承臺預(yù)應(yīng)力空心板的局部受壓承載力和撓度評估為A級，受彎承載力評估為D級，受剪承載力評估為B級，抗裂性能不滿足規(guī)范規(guī)定的要求。

（2）并排兩輛90t重型翻斗車在后方承臺任意位置行駛時(shí)，后方承臺預(yù)應(yīng)力混凝土空心樁和混凝土灌注樁的單樁垂直承載力評估為A級。

（3）并排兩輛90t重型翻斗車在后方承臺任意位置行駛時(shí)，接岸結(jié)構(gòu)的抗滑和抗傾覆穩(wěn)定性滿足規(guī)范規(guī)定的要求。

（4）通過限定汽車行駛路徑，禁止汽車并排行駛在同一空心板上，可以使預(yù)應(yīng)力空心板的受彎承載力、受剪承載力和抗裂性能滿足規(guī)范規(guī)定的要求。

[1]《高樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTS 167-1-2010）.

[2]《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 151-2011）.

[3]《港口工程樁基規(guī)范》（JTS 254-98）.

[4]《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL379-2007）.

[5]《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 144-1-2010）.

[6]《港口水工建筑物檢測與技術(shù)評估規(guī)范》（JTJ 302-2006）.