市區(qū)河段客運(yùn)浮碼頭鋼引橋設(shè)計(jì)與分析

李婷 蔣國(guó)棟

摘 要：為進(jìn)一步探究市區(qū)河段客運(yùn)浮碼頭對(duì)其重要構(gòu)件鋼引橋的綜合需求，本文以廣州水上巴士碼頭為例，應(yīng)用Midas civil建模，對(duì)平行弦桁架、實(shí)腹板梁兩種鋼引橋結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行驗(yàn)算，基于豎向位移、橫向位移、應(yīng)力、用鋼量等指標(biāo)開(kāi)展比對(duì)分析。在保障結(jié)構(gòu)安全性的基礎(chǔ)上，兼顧工程實(shí)際應(yīng)用，綜合使用與景觀(guān)功效進(jìn)行比選，為后續(xù)的市區(qū)河段客運(yùn)浮碼頭設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼引橋;客運(yùn)浮碼頭;市區(qū)河段;景觀(guān)

中圖分類(lèi)號(hào)：U65 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2020）08-0069-03

1 引言

廣州地處珠江三角洲北緣，中國(guó)的第三大河——珠江以多航道從市中心穿流而過(guò)，為發(fā)展水上交通提供了得天獨(dú)厚的優(yōu)越條件。水上客運(yùn)有著綠色、舒適、經(jīng)濟(jì)、快速等現(xiàn)代交通出行方式特征，是公共交通的重要組成部分。2007年廣州開(kāi)通首條水上巴士航線(xiàn)，并在2010年廣州亞運(yùn)會(huì)開(kāi)辦后，將水上客運(yùn)的建設(shè)運(yùn)營(yíng)發(fā)展到高速階段，形成了集通勤、觀(guān)光、休閑為一體的珠江客運(yùn)體系。同時(shí)，一江兩岸風(fēng)景帶持續(xù)建設(shè)，以彰顯嶺南文化和珠江特色為主的珠江游成為了廣州城市旅游新名片。

廣州市區(qū)河段的客運(yùn)碼頭以浮碼頭為主，能夠更好地適應(yīng)水位差變化，有效滿(mǎn)足防洪要求。而且，相較于實(shí)體結(jié)構(gòu)，浮式結(jié)構(gòu)更能實(shí)現(xiàn)輕盈通透的視覺(jué)觀(guān)感，較好地融合周邊環(huán)境。鋼引橋是客運(yùn)浮碼頭躉船與陸域的重要連接設(shè)施，也是乘客上下碼頭過(guò)程中體驗(yàn)最多的結(jié)構(gòu)部件，其自身體量的大小直接影響整座浮碼頭的景觀(guān)效果。本文以廣州水上巴士幾處客運(yùn)浮碼頭鋼引橋?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)平行弦桁架、實(shí)腹板梁兩種結(jié)構(gòu)形式開(kāi)展綜合分析。

2 工程實(shí)例

2.1平面布置與尺度

考察廣州市區(qū)河段已建成并運(yùn)營(yíng)的客運(yùn)浮碼頭，大部分碼頭為活動(dòng)鋼引橋直接接岸，即鋼引橋與躉船、堤岸線(xiàn)垂直。少數(shù)碼頭建有轉(zhuǎn)接平臺(tái)，平臺(tái)直接接岸，或者由固定鋼引橋接岸，由活動(dòng)鋼引橋?qū)⑵脚_(tái)與躉船連接，活動(dòng)鋼引橋與躉船、堤岸線(xiàn)平行。

以水上巴士黃沙碼頭、西堤碼頭、廣州塔碼頭，會(huì)展中心碼頭、海心沙碼頭等為例，鋼引橋平面尺寸與結(jié)構(gòu)形式對(duì)比如下表：

2.2鋼引橋結(jié)構(gòu)形式

《水運(yùn)工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS12-2012）中提出鋼引橋宜選用普通桁架式或空腹拱桁式結(jié)構(gòu)，亦可采用實(shí)腹板梁式結(jié)構(gòu)。實(shí)際使用中，空腹拱桁式結(jié)構(gòu)多用于大跨度鋼引橋。

上文列舉的工程實(shí)例以普通桁架（平行弦桁架）和實(shí)腹板梁為主。

平行弦桁架結(jié)構(gòu)，由于受橋面高程及放坡限制，常采用下承式結(jié)構(gòu)，且由于空間高度有限，上部一般不設(shè)聯(lián)系桿，即采用開(kāi)口下承式，其橫截面為U形，在水平荷載作用下易變形。為減小水平位移，常需增加鋼材用量，如加大橋面鋼板厚度，且鋼板與下弦桿、橫梁剛接，以達(dá)到增強(qiáng)側(cè)向穩(wěn)定性的作用。

實(shí)腹板梁結(jié)構(gòu)，兩側(cè)欄桿不受力，截面為扁平的箱型或者淺U形，為減小橋面結(jié)構(gòu)高度，一般采用中承式結(jié)構(gòu)，兩側(cè)主梁為主要受力構(gòu)件，主梁截面以箱型或者工字型為主，設(shè)加勁肋，水平荷載作用下穩(wěn)定性良好。

兩種結(jié)構(gòu)形式在客運(yùn)浮碼頭的應(yīng)用實(shí)景見(jiàn)下圖1～4。

鋼引橋與堤岸或固定平臺(tái)的搭接以鉸支座為主，與躉船的搭接則一般為滾輪支撐，躉船甲板隨水位高低變化時(shí)，鋼引橋通過(guò)滾輪支撐自動(dòng)調(diào)節(jié)橋面坡度。

3 荷載條件

客運(yùn)浮碼頭的實(shí)際使用中，鋼引橋荷載相對(duì)較小，主要為自重、人群荷載、風(fēng)荷載（一般不考慮防臺(tái)），設(shè)計(jì)強(qiáng)度易滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)構(gòu)方案分析

4.1規(guī)范限制條件

《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS167-2018）中，關(guān)于浮碼頭鋼引橋的尺度有如下要求：鋼引橋的寬度應(yīng)根據(jù)工藝布置和使用要求確定，可按規(guī)范推薦選取，其中中、小客運(yùn)碼頭推薦寬度為3.5m～4.5m。鋼引橋主梁的高跨比，對(duì)于平行弦桁架宜為1/8～1/15，對(duì)于實(shí)腹板梁宜為1/12～1/18。主梁豎向撓度要求，平行弦桁架不應(yīng)超過(guò)跨度的1/800，實(shí)腹板梁不應(yīng)超過(guò)跨度的1/600。

實(shí)際使用中，出于運(yùn)營(yíng)安全考慮，客運(yùn)浮碼頭一般設(shè)多座鋼引橋接岸，上下船乘客分時(shí)分流，并預(yù)留應(yīng)急使用鋼引橋，出于經(jīng)濟(jì)原因，單座鋼引橋?qū)挾瓤杀纫?guī)范推薦值偏小一點(diǎn)，但不應(yīng)小于其跨度的1/20。上文列舉的工程實(shí)例中，鋼引橋?qū)挾榷酁?.5m～3.5m。

客運(yùn)浮碼頭的鋼引橋荷載相對(duì)較小，主梁撓度為截面設(shè)計(jì)為主要控制條件，在滿(mǎn)足規(guī)范上要求的撓度限值下，主梁高跨比可比規(guī)范推薦值偏小一點(diǎn)。

4.2鋼引橋3D模型

利用Midas civil建立平行弦桁架與實(shí)腹板梁這兩種鋼引橋結(jié)構(gòu)的空間模型，對(duì)兩種鋼引橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算。本次驗(yàn)算采用相同的平面尺度，相同的荷載，以鋼引橋的撓度為截面設(shè)計(jì)控制條件，比較不同鋼引橋結(jié)構(gòu)形式的側(cè)向剛度，構(gòu)件應(yīng)力，用鋼量等指標(biāo)。

驗(yàn)算平面尺度：長(zhǎng)度20m，寬度2.5m，節(jié)點(diǎn)間距1m。平行弦桁架高度與實(shí)腹板梁主梁高度按照撓度控制條件試算后確定，初始試算定為平行弦桁架高1.1m，實(shí)腹板梁主梁高0.8m。

驗(yàn)算荷載：人群荷載5kPa，風(fēng)荷載按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）相關(guān)條款計(jì)算得桁架式鋼引橋風(fēng)荷載0.325kPa，實(shí)腹板梁式鋼引橋風(fēng)荷載0.7085kPa。

撓度控制條件：平行弦桁架小于25mm，實(shí)腹板梁小于33.33mm，鋼引橋端部節(jié)點(diǎn)，一側(cè)施加X(jué)YZ三向平動(dòng)約束和YZ兩向轉(zhuǎn)動(dòng)約束，另一側(cè)施加X(jué)Z兩向平動(dòng)約束和YZ兩向轉(zhuǎn)動(dòng)約束。鋼引橋橋面施加5kPa垂直荷載，側(cè)面按分別計(jì)算的風(fēng)荷載施加面荷載。兩種鋼引橋三維有限元模型如下圖所示：

4.3計(jì)算結(jié)果分析

以鋼引橋撓度為控制條件，平行弦桁架式鋼引橋試算豎向位移為24.06mm，對(duì)應(yīng)的橫向位移為5.97mm，構(gòu)件最大應(yīng)力為133N/mm2，用鋼量為11.596t。

實(shí)腹板梁式鋼引橋試算豎向位移為32.24mm，對(duì)應(yīng)的橫向位移為0.042mm，構(gòu)件最大應(yīng)力為154N/mm2，用鋼量為11.789t。

由此可得，在相同的荷載條件與平面尺度條件下，兩種結(jié)構(gòu)形式鋼引橋試算豎向位移接近相應(yīng)結(jié)構(gòu)的撓度限值時(shí)，構(gòu)件應(yīng)力差別不大，用鋼量也接近，但實(shí)腹板梁式鋼引橋側(cè)向剛度明顯優(yōu)于平行弦桁架式鋼引橋。

5 使用功能與景觀(guān)效果分析

5.1欄桿

桁架式鋼引橋一般為兩側(cè)桁架兼作欄桿使用。為了有效保障乘客及行李物品安全，需額外安裝扶手，并在桁架節(jié)點(diǎn)間隙安裝隔離網(wǎng)片，視覺(jué)觀(guān)感略為笨重，與周邊自然景觀(guān)的融入效果有限。實(shí)腹板梁式鋼引橋一般為兩側(cè)主梁上焊接鋼欄桿，或者直接安裝成品欄桿，可隨意造型，例如會(huì)展中心碼頭鋼引橋欄桿立面采用了波浪形，視覺(jué)觀(guān)感更為輕盈活潑，裝飾效果更好，與堤岸后方的售票候船區(qū)建筑造型交相輝映。

市區(qū)河段客運(yùn)碼頭作為公共交通場(chǎng)所，景觀(guān)功能的重要性日漸凸顯。本文的工程實(shí)例中，后期修建的客運(yùn)碼頭更為注重鋼引橋欄桿的裝飾功效，如欄桿弦桿上掛設(shè)花籃，欄桿立柱上安裝燈飾等，使客運(yùn)碼頭成為一江兩岸風(fēng)景帶的有機(jī)組成部分。

5.2管線(xiàn)

水電管線(xiàn)一般通過(guò)鋼引橋從堤岸引至躉船，基于方便檢修以及使用安全的考慮，管線(xiàn)支架一般焊接在引橋側(cè)面靠近底部位置。桁架式鋼引橋的支架位置相對(duì)明顯，緊挨桁架下弦桿，與橋面齊平。實(shí)腹板梁式鋼引橋的橋面主梁比較高，可以達(dá)到支架“暗裝”的效果，管線(xiàn)及其支架基本在橋面視野之外，乘客上下碼頭視覺(jué)觀(guān)感更加整潔。

5.3風(fēng)雨棚

已建成的市區(qū)河段客運(yùn)浮碼頭鋼引橋長(zhǎng)度大多在20m左右，大部分沒(méi)有安裝風(fēng)雨棚，僅海心沙碼頭鋼引橋安裝了半圓拱形全封閉風(fēng)雨棚，與后方公園建筑風(fēng)格一致。接岸處風(fēng)雨棚范圍擴(kuò)大，安裝空調(diào)后，兼作售票廳與候船廳使用，進(jìn)一步改善乘客候船體驗(yàn)。

考慮到廣州市地處亞熱帶，光熱充足、雨量充沛，鋼引橋安裝風(fēng)雨棚將成為水上巴士碼頭的設(shè)計(jì)建設(shè)趨勢(shì)。若對(duì)現(xiàn)有碼頭的鋼引橋進(jìn)行風(fēng)雨棚加裝，實(shí)腹板梁式鋼引橋的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)受力方式不會(huì)改變，而且實(shí)腹板梁式鋼引橋的欄桿不屬于受力構(gòu)件，易于拆卸，為風(fēng)雨棚安裝節(jié)省空間，整體適應(yīng)性要優(yōu)于桁架式鋼引橋。

5.4后期維護(hù)

桁架式鋼引橋的焊接節(jié)點(diǎn)偏多，桿件數(shù)量偏多。相較于實(shí)腹板梁式鋼引橋，桁架式鋼引橋的施工以及后期維護(hù)更為復(fù)雜。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著水上客運(yùn)的迅速發(fā)展，市區(qū)河段上將會(huì)設(shè)計(jì)建設(shè)更多的客運(yùn)浮碼頭。鋼引橋作為浮碼頭連接躉船和堤岸的構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)、使用功能和景觀(guān)功能設(shè)計(jì)的重要性應(yīng)給予重視。在鋼引橋跨度不大（20m左右）的情況下，實(shí)腹板梁式結(jié)構(gòu)的側(cè)向穩(wěn)定性、使用功能和景觀(guān)功能均優(yōu)于平行舷桁架結(jié)構(gòu)。此結(jié)論同樣適用于游艇碼頭等浮式結(jié)構(gòu)的接岸鋼引橋設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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