定機移船碼頭的靠船樁系統(tǒng)計算方法

馮建國,李存興,王君輝

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430060)

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，東南亞等國家對電力的需求越來越大，大量的電廠需要興建。由于該區(qū)域潮差不大，懸鏈斗式連續(xù)卸船機在該區(qū)域廣泛應(yīng)用。該類型碼頭由固定裝卸平臺上的懸鏈斗卸船機、設(shè)置在移船平臺上的移船設(shè)備及設(shè)置在碼頭前沿的靠船導(dǎo)向系統(tǒng)組成。碼頭作業(yè)過程可簡述為以下過程：船舶靠泊完成后，移船平臺上的牽引小車將船舶牽引至合適位置，懸鏈斗開始作業(yè)卸煤，當卸煤作業(yè)進行到一定程度后，再次啟動牽引小車使船舶沿靠船導(dǎo)向系統(tǒng)移動至適當位置，使懸鏈斗卸煤效率保持最大化，如此反復(fù)，直至整船煤全部卸完，船舶離港。該類型碼頭卸煤時船舶移動而卸船設(shè)備不動，所以可簡稱為定機移船碼頭。

傳統(tǒng)的“定船移機”碼頭，船舶靠泊后位置是固定的，通過移動裝卸設(shè)備來完成裝卸作業(yè)，平臺通常為常規(guī)的高樁梁板結(jié)構(gòu)或高樁墩式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)受力明確，設(shè)計理論成熟。而柔性靠船樁設(shè)計規(guī)范[1]主要針對護舷在外、靠船樁在內(nèi)的情形，而且靠船樁系統(tǒng)與碼頭平臺往往是脫離的，其受力模式不適應(yīng)于定機移船碼頭。而本文所指定機移船碼頭水工結(jié)構(gòu)主要由卸船機基礎(chǔ)墩臺、移船設(shè)備行走平臺及設(shè)置在二者前沿的靠船樁組成，平臺前沿的靠船導(dǎo)向則由靠泊導(dǎo)向鋼管樁及橡膠護舷兩部分組成。靠泊導(dǎo)向鋼管樁之間設(shè)有水平聯(lián)系撐，形成樁排，移船時，船舶與鋼管樁直接接觸而不與橡膠護舷接觸，從而避免了橡膠護舷在移船過程中被撕裂的可能，同時移船時船舶與鋼管樁發(fā)生摩擦，摩擦系數(shù)較小有利于船舶移動。鋼管樁在外側(cè)，護舷在中間，碼頭平臺在內(nèi)側(cè)，其受力較為復(fù)雜，沒有現(xiàn)成的規(guī)范和手冊可供參考，如何確定靠船樁排的尺寸，將關(guān)系到整個結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟性，因此需對其受力特點進行仔細分析和論證。本文主要論述靠船導(dǎo)向樁排的計算方法和特點。

1 靠船導(dǎo)向樁排的工作過程

船舶靠泊時，首先接觸碼頭前沿所設(shè)靠船導(dǎo)向樁排，靠船樁自身將發(fā)生變形，同時設(shè)于樁頂?shù)南鹉z護舷也隨之被壓縮，靠船過程結(jié)束時，船舶速度降為0，船舶靠泊的動能轉(zhuǎn)化為靠船樁和護舷系統(tǒng)的勢能。在整個靠泊過程中，靠船樁排起到傳力的功能，并吸收部分能量，最終船舶靠泊能量由護舷和靠船樁共同吸收。

2 靠船樁計算模型簡化

2.1 系統(tǒng)作用過程基本假設(shè)

2.1.1靠船墩臺不產(chǎn)生變形吸能的假設(shè)

由于墩臺剛度遠遠大于靠船樁，為簡化計算，靠船墩臺簡化為固定支點，忽略船舶靠泊過程中墩臺變形對靠泊能的影響。墩臺自身變形吸能，對整個系統(tǒng)的影響較小，作為安全儲備。

2.1.2船體本身不產(chǎn)生變形吸能的假設(shè)

為簡化計算，在靠泊過程中船舶自身變形引起的吸能不計。

定機移船碼頭靠船樁布置見圖1。

2.1.3橡膠護舷的基本假設(shè)

根據(jù)護舷的變形反力曲線特性，將橡膠護舷的壓縮過程簡化為一個理想彈塑性體，見圖2。

圖2 橡膠護舷變形過程的簡化

護舷變形22.5%之前按照理想彈性體考慮，反力與變形成正比，護舷吸能與變形成平方比關(guān)系增加。護舷變形22.5%之后按照理想塑性體考慮，變形增加，反力不變，護舷吸能與變形成線性關(guān)系增加。計算后，應(yīng)核實最終護舷變形量不超過52.5%。

2.1.4樁基計算采用假想嵌固點

樁土作用復(fù)雜，張鐵峰等[2]給出了靠船樁入土較短、樁端為鉸接時的簡化計算，當覆蓋層較差、持力層埋深較深、樁基入土長度較長時，樁基受彎長度采用假想嵌固點[3]進行簡化計算。

2.2 作用過程簡化

靠船樁根據(jù)上述假定，最終簡化為一端固定一端彈性支撐的單跨超靜定梁，見圖3。

圖3 靠泊過程受力計算

靠船過程分為3個階段：

1)第1階段，從船舶接觸靠船樁開始，鋼管樁發(fā)生變形，變形達到安裝縫隙(假定1 cm)，到鋼管樁接觸到護舷，護舷變形為0%(尚未產(chǎn)生彈性變形)。

2)第2階段，從鋼管樁接觸到護舷開始，到護舷變形達到22.5%(彈性變形達到峰值)，此時護舷反力已經(jīng)達到最大。

3)第3階段，從護舷變形達到22.5%開始(進入簡化塑性變形階段，護舷反力不增加)，到船舶靠泊能量全部被吸收為止(護舷變形< 51.5%)。

2.3 計算受力過程分析

假設(shè)撞擊點距離嵌固點高度為h，護舷點距離嵌固點高度為H，護舷最大反力為Rx，3個階段護舷點的位移分別為x0、x1、x2，撞擊點在3個階段結(jié)束時的反力分別為F0、F1、F2，撞擊點的位移分別為y0、y1、y2。受力計算簡圖見圖3，樁身受力分解見圖4，根據(jù)力學(xué)基本原理[4-5]可知：

第1階段末，撞擊點反力F0，護舷點反力R=0,撞擊點位移y0和護舷點位移x0分別計算如下：

(1)

(2)

第2階段末，撞擊點反力F1，護舷點反力R=Rx,撞擊點位移y1和護舷點位移x1分別計算如下：

(3)

(4)

第3階段末，撞擊點反力F2，護舷點反力R=Rx,撞擊點位移y2和護舷點位移x2分別計算如下：

(5)

(6)

圖4 靠泊過程樁身受力分解

2.4 系統(tǒng)能量分析

根據(jù)能量守恒定律，一個系統(tǒng)的能量變化僅與系統(tǒng)的初始狀態(tài)及終止狀態(tài)有關(guān)，而與過程無關(guān)，故計算中可忽略相對復(fù)雜的中間過程，而僅討論幾個階段過程的初始狀態(tài)和終止狀態(tài)。

靠泊過程3個階段外力對應(yīng)的力-位移關(guān)系分析見圖5。其中撞擊點壓力-位移關(guān)系，見圖5a)，圖中折線所包含的面積Ec為撞擊外力做功，即船舶靠泊能；護舷點反力-位移關(guān)系見圖5b)，圖中折線所包含的面積Er為護舷反力做功，即橡膠護舷吸能。

圖5 靠泊過程力-位移關(guān)系

整個過程鋼管樁吸能：

(7)

整個過程橡膠護舷吸能：

(8)

船舶的靠泊能量：

(9)

樁底的最大彎矩：

M=F2h-RxH

(10)

樁身最大應(yīng)力：

(11)

根據(jù)力和位移的對應(yīng)關(guān)系，可以得到船舶撞擊過程的動能，船舶動能等于樁基變形勢能和護舷變形的勢能之和，其中船舶撞擊能量可以計算，也可以寫成下式進行驗算：

Ec=Es+Er

(12)

船舶撞擊能可以通過規(guī)范公式計算：

(13)

式中：EI為樁身剛度；W為樁的抗彎模量；vn為船舶靠泊的法向速度。

在式(1)～(11)中，有F0、F1、F2、x2、y0、y1、y2、Es、Er、M、σ共11個未知數(shù)，x0假定為1 cm，擬定護舷之后，x1可由護舷高度×22.5%+1 cm計算，護舷最大反力Rx也為已知,Ec=E0。上述過程11個未知數(shù)可以11個方程聯(lián)合求解。

如果最終結(jié)果x2橡膠護舷的變形大于22.5%且不超過51.5%，且鋼管樁變形不超過允許應(yīng)力，則整個系統(tǒng)設(shè)計是可行的。

3 工程實例

為進一步了解該結(jié)構(gòu)形式的結(jié)構(gòu)特點，本文選取4個具有代表性的工程實例做進一步分析闡述。

所選取的4個工程均位于印尼，碼頭裝卸工藝均采用懸鏈斗式連續(xù)式卸船工藝，工程的設(shè)計基本資料見表1。

按照本文的計算方法計算，計算基本參數(shù)見表2。

根據(jù)本文所列公式(1)～(11)進行計算求解，結(jié)果見表3。

表1 碼頭基本設(shè)計參數(shù)

表2 計算基本參數(shù)

表3 主要計算結(jié)果

經(jīng)復(fù)核，對于廖省和塔卡拉項目的大部分工況，選用高強度鋼材強度基本滿足要求。同時護舷點的變位滿足護舷壓縮變位的假設(shè)，計算方法是可行的。對東加和風(fēng)港項目在低水位滿載靠泊時不滿足，如果不考慮鋼橫撐傳遞到其他靠船樁來分擔(dān)吸能，也不考慮船舶自身變形的吸能，則需要允許鋼管進入塑性狀態(tài)。

4 結(jié)語

1)通過工程實例中碼頭結(jié)構(gòu)計算可知，當船舶的靠船速度一定時，撞擊點越靠近嵌固點則樁身內(nèi)力值越大，吸能比例越大，樁徑和壁厚加大，經(jīng)濟性差；反之，撞擊點越靠近護舷布置位置，則樁身內(nèi)力值最小，吸能比例最小，樁徑和壁厚最小，最具經(jīng)濟性。故實際工程應(yīng)用中，應(yīng)注意分析各個有可能的撞擊點，受力范圍過大后，則不具經(jīng)濟性。

2)靠船排樁可適度擴大船舶撞擊作用點范圍，在強度允許的范圍內(nèi)，充分利用鋼管樁變位吸能，減小護舷布置范圍，相應(yīng)減小墩臺所受的護舷反力，從而降低碼頭造價。

3)本文沒有考慮船舶自身變形和碼頭變形對系統(tǒng)吸能的分擔(dān)，也沒有考慮其他靠船樁對系統(tǒng)吸能的分擔(dān)，計算結(jié)果偏保守。如果需要考慮橡膠護舷和鋼管樁之外因素來分擔(dān)吸能，則該靠船系統(tǒng)的計算理論有待進一步研究。