貴港市某老舊碼頭靠船墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析

杜 政

(廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

貴港港是國(guó)家對(duì)外開(kāi)放一類口岸、全國(guó)28個(gè)主要內(nèi)河港口之一。近10年，貴港市港口貨物吞吐量年均保持12%以上增幅，2019年貴港港貨物吞吐量突破8 000萬(wàn)t，2020年吞吐量破億，成為珠江水系首個(gè)內(nèi)河億噸大港。貴港市港口在快速發(fā)展的同時(shí)，也暴露出一些問(wèn)題，其中比較突出的一個(gè)問(wèn)題是港口“小散亂”現(xiàn)象比較嚴(yán)重，港口現(xiàn)代化程度不高。目前，貴港市登記在冊(cè)的港口企業(yè)有87家，老舊碼頭超過(guò)70家，占比超過(guò)80%，普遍存在碼頭結(jié)構(gòu)安全性不明確，工藝設(shè)備簡(jiǎn)陋，配套水電、環(huán)保設(shè)施不完備，系靠泊設(shè)施缺失或者不完善等問(wèn)題，存在一定的安全隱患。因此，從2019年開(kāi)始，貴港市港口行政管理部門啟動(dòng)老碼頭提檔升級(jí)改造，尋求港口發(fā)展破局，提速高質(zhì)量發(fā)展。

靠船墩作為老舊碼頭提檔升級(jí)中最重要的水工結(jié)構(gòu)之一，其結(jié)構(gòu)的安全性和適用性至關(guān)重要，選擇合適的靠船墩結(jié)構(gòu)型式不但可以節(jié)省投資，提高裝卸效率，也為未來(lái)貴梧航道向更高級(jí)航道提升，?？扛邍嵨淮白龊脺?zhǔn)備。

1 工程實(shí)例

1.1 項(xiàng)目背景

本項(xiàng)目位于貴港市平南縣，潯江左岸，所在河段兩岸Ⅰ級(jí)階地地面高程27～40 m，岸坡坡度一般為25°～40°。岸坡中上部為黏土或(粉)砂質(zhì)黏土，下部為中厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等，部分河段可見(jiàn)基巖裸露。河床覆蓋層主要為粉質(zhì)黏土及砂卵石，覆蓋層淺，河床基巖為中風(fēng)化灰?guī)r。根據(jù)相關(guān)資料可知，碼頭處河段設(shè)計(jì)高水位為33.88 m，設(shè)計(jì)最高運(yùn)營(yíng)水位為31.00 m，施工水位為20.00 m，設(shè)計(jì)低水位為18.74 m，水位落差較大。

本項(xiàng)目碼頭設(shè)施簡(jiǎn)易，船舶依自然河岸散亂靠泊，缺少符合規(guī)范要求的系、靠船結(jié)構(gòu)和防撞設(shè)施，碼頭作業(yè)基本是離岸靠泊，隨意系纜于岸坡樹(shù)樁或者臨時(shí)鋼筋地牛，布置靠船墩設(shè)施迫在眉睫。

1.2 結(jié)構(gòu)選型

碼頭工程中常見(jiàn)的系靠泊結(jié)構(gòu)型式依適應(yīng)水位落差可分為兩大類，一類是高樁梁板式、墩式、重力式結(jié)構(gòu)為主，常見(jiàn)于海港碼頭和水位落差較小的內(nèi)河地區(qū)；另一類是高樁框架結(jié)構(gòu)、浮式躉船為主，適應(yīng)于長(zhǎng)江流域、西江流域等其他水位落差較大的內(nèi)河山區(qū)河流。本項(xiàng)目位于貴港市平南縣，屬于長(zhǎng)洲樞紐庫(kù)區(qū)，受上下游樞紐調(diào)控，碼頭洪水期和枯水期水位落差較大，設(shè)計(jì)高低水位最大落差達(dá)15.14 m。因此，本項(xiàng)目靠船結(jié)構(gòu)初步擬定為高樁框架式和浮式躉船。高樁框架式結(jié)構(gòu)靠船墩受力明確，超限撞擊力適應(yīng)性強(qiáng)，在長(zhǎng)江流域，尤其是三峽庫(kù)區(qū)中大水位差碼頭建設(shè)中應(yīng)用廣泛[1]。躉船可移動(dòng)性強(qiáng)，船體可隨著水位浮動(dòng)，缺點(diǎn)是隨水位變化經(jīng)常移船，移船作業(yè)較麻煩，部分裝卸機(jī)械須安裝在躉船上，裝卸效率較低，一般應(yīng)用于系靠泊中小型船舶，且浮躉船調(diào)動(dòng)對(duì)航道通航安全造成一定隱患[2-3]。

通過(guò)分析項(xiàng)目所處的地質(zhì)和水位資料可知，本項(xiàng)目位置屬于典型的淺覆蓋層，大水位差河段，最終靠船墩選擇嵌巖樁基高樁框架結(jié)構(gòu)。

針對(duì)常用高樁框架結(jié)構(gòu)，本文采用有限元軟件Midas Civil分別對(duì)承臺(tái)式和無(wú)承臺(tái)式結(jié)構(gòu)建立空間模型，計(jì)算不同構(gòu)件在不同工況下的位移和內(nèi)力，并通過(guò)安全性、施工難度、工程造價(jià)等方面的對(duì)比分析，給出推薦方案。

1.2.1 承臺(tái)式+鋼筋混凝土樁基框架式靠船墩

靠船墩平面尺寸為6.0 m×7.0 m，分為上下兩層承臺(tái)，承臺(tái)厚1.5 m，上層承臺(tái)頂標(biāo)高為34.0 m，下層承臺(tái)頂標(biāo)高為22.0 m。上下層承臺(tái)之間為框架結(jié)構(gòu)，前沿設(shè)置2根靠船立柱，尺寸為1 m×1 m，中部設(shè)置4根普通立柱，尺寸為0.8 m×0.8 m。立柱之間由縱橫向聯(lián)系梁連接，斷面尺寸為0.6 m×0.8 m。下層承臺(tái)底部設(shè)置靠船構(gòu)件，底標(biāo)高為19.0 m。承臺(tái)及框架部分混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C40。承臺(tái)下部樁基均采用4根φ1 500mm沖孔灌注樁?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C30。

1.2.2 無(wú)承臺(tái)式+鋼筋混凝土樁基框架式靠船墩

靠船墩平面尺寸為6.0m×7.0m，頂標(biāo)高為34.0m，承臺(tái)厚1.5m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。承臺(tái)下部4根樁基均采用φ1 500mm沖孔灌注樁，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。立柱之間由2層縱橫向聯(lián)系梁連接，斷面尺寸為0.8m×1.2m。承臺(tái)及聯(lián)系梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30，前排灌注樁至碼頭前沿設(shè)置靠船構(gòu)件，靠船構(gòu)件截面尺寸為1.5m×1.0m，底標(biāo)高為19.0m。

兩個(gè)方案主要構(gòu)件型式和數(shù)量對(duì)比說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件對(duì)比說(shuō)明表

1.3 內(nèi)力計(jì)算

靠船墩是主要承受水平向荷載的群樁基礎(chǔ)，目前靠船墩內(nèi)力計(jì)算方法有M法、P～Y曲線法、N-L法和布盧姆法等[4]，這些方法都屬于平面內(nèi)力分析方法。對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，這些方法都有其局限性，均未考慮聯(lián)系梁的傳力作用。因此，本文采用有限元法建立三維空間模型，不僅可全面考慮聯(lián)系梁的傳力作用，而且可同時(shí)考慮水流力的作用。

1.3.1 模型建立

采用有限元分析軟件Midas對(duì)其進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析。碼頭樁基、柱和聯(lián)系梁均采用梁?jiǎn)卧?，面板采用板單元，樁底固結(jié)。有限元模型分別如圖1和圖2所示。

圖1 承臺(tái)式有限元模型圖

圖2 無(wú)承臺(tái)式有限元模型圖

1.3.2 作用荷載和效應(yīng)組合

靠船墩的永久作用包括結(jié)構(gòu)自重?？勺冏饔冒ù跋道|力、撞擊力、水流力以及人群荷載。本文主要分析在設(shè)計(jì)高水位靠船墩受撞擊力和水流力作用下的內(nèi)力分析。具體荷載如下：

(1)人群荷載：5kPa。

(2)船舶荷載

系纜力：450kN船舶撞擊力。

船舶撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值：P=539kN(采用DA-A400H×2 000L標(biāo)準(zhǔn)反力型橡膠護(hù)舷[5]。船舶靠泊時(shí)護(hù)舷反力為船舶撞擊力，其標(biāo)準(zhǔn)值取為539kN)。

(3)荷載組合

工況一(承載力極限狀態(tài)下的持久組合)：

1.2×恒載+1.5×撞擊力+1.4×水流力(2.0m/s)+1.0×人群荷載。

工況二(正常使用極限狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)組合)：

1.0×恒載+1.0×撞擊力+1.0×水流力(2.0m/s)+1.0×人群荷載。

本文中列出的彎矩和剪力值均為Y和Z方向的合力作用：

1.4 計(jì)算結(jié)果分析

樁基內(nèi)力和聯(lián)系梁內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表2和表3所示。由表2～3可知，在不同工況下，承臺(tái)式碼頭結(jié)構(gòu)樁基軸力和剪力較無(wú)承臺(tái)式稍小，上下層承臺(tái)約束作用，提高了靠船墩整體剛度，承臺(tái)式結(jié)構(gòu)墩頂位移較無(wú)承臺(tái)式小3.8mm，減少約11.9%。考慮到靠船墩與陸域堆場(chǎng)通過(guò)鋼棧橋連接，應(yīng)控制墩頂橫向位移。

兩個(gè)方案內(nèi)力主要差別在于靠船墩聯(lián)系梁部分，承載能力極限狀態(tài)工況下的彎矩值和剪力值，承臺(tái)式分別偏小79.65%和73.61%；正常使用極限狀態(tài)工況下的彎矩值和剪力值，承臺(tái)式分別偏小79.96%和72.45%?？梢悦黠@看出承臺(tái)對(duì)橫撐剪力的削減作用。承臺(tái)式結(jié)構(gòu)構(gòu)件多，受力相對(duì)復(fù)雜，但整體受力均勻，立柱、聯(lián)系梁、靠船立柱所受內(nèi)力相差不大，未出現(xiàn)大的內(nèi)力突變。無(wú)承臺(tái)式結(jié)構(gòu)構(gòu)件少，受力明確，但橫向聯(lián)系梁部分承擔(dān)較大的內(nèi)力，應(yīng)引起特別注意。尤其是底層橫向聯(lián)系梁，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加大在該處的截面尺寸，特別關(guān)注橫向聯(lián)系梁與樁基連接處的破壞。綜合兩個(gè)方案優(yōu)缺點(diǎn)(如表4所示)，建議推選承臺(tái)式鋼筋混凝土樁基框架式靠船墩。

表2 樁基內(nèi)力計(jì)算成果表

表3 聯(lián)系梁內(nèi)力計(jì)算成果表

表4 方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

2 結(jié)語(yǔ)

(1)承臺(tái)式鋼筋混凝土嵌巖樁框架結(jié)構(gòu)靠船墩整體受力均勻，承臺(tái)結(jié)構(gòu)增加了整體剛度，減少了墩頂位移；無(wú)承臺(tái)式鋼筋混凝土嵌巖樁框架結(jié)構(gòu)靠船墩橫向聯(lián)系梁處受力明顯較大，實(shí)際使用中對(duì)于超限撞擊能力適應(yīng)性相對(duì)較差，應(yīng)特別關(guān)注橫向聯(lián)系梁的監(jiān)測(cè)。

(2)承臺(tái)式結(jié)構(gòu)靠船墩構(gòu)件型式較多，受力相對(duì)復(fù)雜，但構(gòu)件澆筑施工難度較低；無(wú)承臺(tái)式結(jié)構(gòu)靠船墩構(gòu)件型式少，受力簡(jiǎn)單明確，但采用圓形立柱與方形聯(lián)系梁連接需另外定做模板，增加施工難度。

(3)總體來(lái)看，采用承臺(tái)式鋼筋混凝土嵌巖樁框架結(jié)構(gòu)靠船墩能較好地適應(yīng)內(nèi)河大水位差、淺覆蓋層地區(qū)，具有受力均勻、造價(jià)相對(duì)較低、施工相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可為貴港市其他類似老舊碼頭靠船墩提檔升級(jí)提供參考。