大型集裝箱碼頭方沉箱與大圓筒結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)對(duì)比

李春陽(yáng)，郭夢(mèng)圓，徐文強(qiáng)

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290)

沉箱和大圓筒結(jié)構(gòu)在大型重力式碼頭中應(yīng)用廣泛，針對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究也很多。徐烈毅[1]針對(duì)沉箱和大圓筒碼頭的造價(jià)進(jìn)行了分析對(duì)比，在相同安全度條件下，大圓筒方案較為經(jīng)濟(jì)；楊文[2]針對(duì)沉箱結(jié)構(gòu)和大圓筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗滑、抗傾穩(wěn)定性驗(yàn)算和造價(jià)分析，結(jié)果表明大圓筒方案造價(jià)上更有優(yōu)勢(shì)，但大圓筒結(jié)構(gòu)的抗滑能力不如沉箱結(jié)構(gòu)；郭夢(mèng)圓等[3]針對(duì)帶有卸荷板的大圓筒碼頭在岸橋荷載、波浪力和土壓力作用下的受力特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明岸橋荷載較大時(shí)，對(duì)大圓筒頂部彎矩影響顯著，但未與沉箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。以上論文分別從沉箱結(jié)構(gòu)和大圓筒結(jié)構(gòu)的造價(jià)、整體穩(wěn)定性、受力特性方面進(jìn)行對(duì)比分析，而針對(duì)沉箱結(jié)構(gòu)和大圓筒結(jié)構(gòu)前趾應(yīng)力及胸墻內(nèi)力特性的對(duì)比分析研究很少。本文對(duì)欽州港大欖坪港區(qū)20萬(wàn)噸級(jí)自動(dòng)化集裝箱碼頭對(duì)沉箱方案和大圓筒方案的前趾應(yīng)力和胸墻內(nèi)力特點(diǎn)及分布進(jìn)行對(duì)比分析，可為大型連片式重力式碼頭結(jié)構(gòu)選型提供參考。

1 項(xiàng)目概況

欽州港大欖坪港區(qū)大欖坪南作業(yè)區(qū)9#、10#泊位工程碼頭結(jié)構(gòu)按靠泊20萬(wàn)噸級(jí)集裝箱船設(shè)計(jì)，泊位總長(zhǎng)783 m。碼頭面高程6.6 m，結(jié)構(gòu)底高程-18.0 m，碼頭高差達(dá)24.6 m。裝卸設(shè)備采用自動(dòng)化雙小車(chē)岸橋，其輪壓和非工作狀態(tài)下的岸橋海側(cè)軌荷載見(jiàn)表1。項(xiàng)目地點(diǎn)位于欽州灣，屬南亞熱帶海洋性氣候，季風(fēng)盛行，海域掩護(hù)條件較好，波能動(dòng)力相對(duì)較弱，設(shè)計(jì)波浪條件見(jiàn)表2。

表1 碼頭岸橋海側(cè)軌荷載

表2 設(shè)計(jì)波浪條件

項(xiàng)目地質(zhì)自上而下分別為：填土層、砂混淤泥、黏性土、中粗砂、全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖，其中風(fēng)化巖又可分為粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖3個(gè)亞層。碼頭區(qū)域巖層埋藏較淺，在港池底高程以下地質(zhì)多為風(fēng)化泥砂巖，是良好的持力層，適宜修建以天然基巖為基礎(chǔ)的重力式結(jié)構(gòu)，采用方沉箱和薄壁大圓筒進(jìn)行方案比選。經(jīng)過(guò)抗傾、抗滑穩(wěn)定計(jì)算，大圓筒結(jié)構(gòu)和沉箱結(jié)構(gòu)均滿足規(guī)范要求，且安全度相當(dāng)。

1.1 方沉箱結(jié)構(gòu)方案

本工程碼頭面高程6.6 m，沉箱頂高程3.0 m，沉箱底高程-18.0 m，沉箱高21.0 m，底寬15.8 m(其中外趾長(zhǎng)度1.0 m)，長(zhǎng)23.92 m，單個(gè)沉箱質(zhì)量約3 510 t，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40。沉箱前排倉(cāng)格回填塊石至-2.5 m高程，中間艙格和后排艙格填滿塊石，沉箱前排艙格上為現(xiàn)澆混凝土胸墻，寬度4.2 m，高度3.6 m，中部設(shè)置綜合管溝，系船柱位置局部嵌入沉箱艙格，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40。沉箱后回填10～100 kg塊石棱體，沉箱基床為10～100 kg塊石，厚度1.0 m，基礎(chǔ)持力層為中風(fēng)化泥巖。橡膠護(hù)舷、系船柱和門(mén)機(jī)軌道設(shè)施等附屬設(shè)施設(shè)置在胸墻上。碼頭面上設(shè)置2條A150軌道，前軌座落在胸墻上，后軌位于軌道梁上，采用PHC雙樁基礎(chǔ)。沉箱結(jié)構(gòu)斷面見(jiàn)圖1。

圖1 方沉箱碼頭典型斷面(單位：m)

1.2 大圓筒結(jié)構(gòu)方案

該方案中大圓筒外徑19.5 m，壁厚0.4 m，大圓筒底高程-18.0 m，圓筒頂高程3.0 m，圓筒設(shè)內(nèi)、外趾，均懸挑1.0 m。大圓筒基床為10～100 kg塊石，厚1.0 m?；A(chǔ)持力層為中風(fēng)化泥巖。大圓筒內(nèi)回填中粗砂及礫卵石反濾料，中粗砂振沖密實(shí)。圓筒兩側(cè)設(shè)置倒濾腔，腔內(nèi)填倒濾料。后方回填塊石棱體，棱體分2級(jí)回填，第1級(jí)塊石棱體回填至-5.5 m，設(shè)置倒濾層后回填中粗砂，再回填第2級(jí)棱體至0.5 m，表面依次設(shè)置二片石墊層、混合倒濾層及土工布2層，然后在其上方回填砂并振沖密實(shí)。圓筒上為鋼筋混凝土蓋板和胸墻，蓋板為梁肋式結(jié)構(gòu)，肋梁橫向布置，正交連接胸墻縱向構(gòu)件，每塊蓋板設(shè)2道橫向肋梁，間距11.9 m，梁寬0.8 m，梁高3.3 m。胸墻底高程3.0 m，頂高程6.6 m，胸墻臨水懸寬0.8 m，底高程1.6 m，以供護(hù)舷安裝，胸墻內(nèi)設(shè)管溝。碼頭面上設(shè)置2條A150軌道，前軌座落在胸墻上，后軌位于軌道梁上，采用PHC雙樁基礎(chǔ)。大圓筒結(jié)構(gòu)斷面見(jiàn)圖2。

圖2 大圓筒碼頭典型斷面(單位：m)

2 前趾應(yīng)力計(jì)算及對(duì)比分析

大圓筒結(jié)構(gòu)由于受力較復(fù)雜，基床頂面應(yīng)力一般采取等效矩形法計(jì)算，但該方法無(wú)法反映前趾局部應(yīng)力，宜采用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行模擬[4]，因此本文采用巖土有限元軟件進(jìn)行模擬。根據(jù)工程最不利工況，考慮風(fēng)、浪、流、堆載及裝卸工藝荷載等組合作用，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體受力分析。為便于對(duì)比，方沉箱結(jié)構(gòu)也采用有限元模型進(jìn)行分析。利用PLAXIS 3D有限元軟件分別建立方沉箱碼頭和大圓筒實(shí)體模型，見(jiàn)圖3。土體采用硬化土本構(gòu)模型，混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，混凝土結(jié)構(gòu)與土體之間設(shè)置界面單元，界面強(qiáng)度折減因子取0.67。按施工順序進(jìn)行分步加載，并考慮不同工況組合。

圖3 整體有限元模型

最不利工況下(門(mén)機(jī)非工作工況+波吸力)方沉箱結(jié)構(gòu)基床應(yīng)力分布結(jié)果見(jiàn)圖4，方沉箱基床應(yīng)力分布較為均勻，最大應(yīng)力為684 kN/m2，位于前趾外邊沿，基床頂面應(yīng)力從沉箱前趾至沉箱后沿逐漸降低，呈線性分布，該數(shù)值及分布規(guī)律與規(guī)范平面算法基本一致。

圖4 方沉箱結(jié)構(gòu)基床應(yīng)力分布

最不利工況下(門(mén)機(jī)非工作工況+波吸力)大圓筒結(jié)構(gòu)基床頂面應(yīng)力分布結(jié)果見(jiàn)圖5，基床頂面應(yīng)力呈環(huán)狀分布，以倒濾腔結(jié)構(gòu)為界，陸側(cè)半圓環(huán)應(yīng)力較小，海側(cè)半圓環(huán)應(yīng)力較大。大圓筒基床出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力區(qū)域集中在海側(cè)30°圓弧區(qū)域，前趾最大應(yīng)力值達(dá)到1 077 kN/m2，遠(yuǎn)大于常規(guī)基床極限應(yīng)力不大于800 kN/m2的限值[5]，且基床應(yīng)力分布不均勻。大圓筒結(jié)構(gòu)設(shè)置了內(nèi)外趾，但其內(nèi)部回填土體不能與圓筒結(jié)構(gòu)形成整體受力，因此基床應(yīng)力較大值出現(xiàn)在了圓筒內(nèi)外趾寬度范圍內(nèi)，圓筒內(nèi)部回填料下方的基床頂面應(yīng)力較小。

圖5 大圓筒方案基床應(yīng)力分布

3 胸墻內(nèi)力計(jì)算及對(duì)比分析

對(duì)于大圓筒碼頭結(jié)構(gòu)，為滿足穩(wěn)定性要求，將上部胸墻(兼做前軌道梁)、卸荷板及肋梁連接成一個(gè)整體，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，難以采用常規(guī)簡(jiǎn)化方法進(jìn)行計(jì)算，宜采用數(shù)值方法建模分析。為便于分析對(duì)比，胸墻內(nèi)力統(tǒng)一采用空間有限元軟件分別對(duì)方沉箱碼頭和大圓筒碼頭上部結(jié)構(gòu)建立空間模型進(jìn)行計(jì)算，考慮自重、系纜力、岸橋荷載作用，并進(jìn)行荷載組合。方沉箱碼頭胸墻和大圓筒碼頭上部結(jié)構(gòu)的有限元模型見(jiàn)圖6。碼頭胸墻內(nèi)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

圖6 上部結(jié)構(gòu)有限元模型

表3 碼頭胸墻內(nèi)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由表3可知，方沉箱碼頭和大圓筒碼頭胸墻的最大剪力差別較小，分別為6.371 MN和6.818 MN。方沉箱碼頭和大圓筒碼頭胸墻跨中彎矩最大值分別為2.942、10.327 MN·m，支座彎矩最大值分別為5.159、13.600 MN·m；大圓筒碼頭胸墻的跨中彎矩和支座彎矩分別為方沉箱碼頭的3.5、2.6倍。由圖7、8可知，大圓筒碼頭胸墻的最大跨中彎矩位于每段軌道梁正中間，向端部迅速減小；而方沉箱碼頭胸墻最大跨中彎矩位于艙格正中間，且整體分布較均勻。這是由于方沉箱結(jié)構(gòu)中，沉箱艙格起到支撐作用，胸墻跨度僅為4.3 m，而大圓筒結(jié)構(gòu)中，胸墻最大跨度為12.5 m，兩端懸臂結(jié)構(gòu)最大懸臂約5.0 m，導(dǎo)致其跨中和支座彎矩顯著增大。

圖7 方沉箱結(jié)構(gòu)胸墻彎矩

圖8 大圓筒結(jié)構(gòu)胸墻彎矩

綜上，對(duì)于大噸級(jí)的連片式碼頭，大圓筒結(jié)構(gòu)胸墻跨度大、懸臂長(zhǎng)，當(dāng)上部荷載較大時(shí)，胸墻彎矩顯著增大。而方沉箱結(jié)構(gòu)胸墻跨度小、無(wú)懸臂，其彎矩整體分布更均勻。

4 結(jié)語(yǔ)

1)在碼頭噸級(jí)較大時(shí)，大圓筒結(jié)構(gòu)前趾應(yīng)力大，且存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，基床頂面應(yīng)力較大值主要集中在碼頭前沿30°圓弧左右對(duì)應(yīng)的圓筒結(jié)構(gòu)內(nèi)外趾下方區(qū)域，其局部最大應(yīng)力遠(yuǎn)大于沉箱方案的最大前趾應(yīng)力。

2)大圓筒結(jié)構(gòu)上部胸墻跨度大、兩端懸臂長(zhǎng)，當(dāng)使用荷載較大時(shí)，跨中彎矩和支座彎矩顯著增大，大圓筒碼頭胸墻的跨中彎矩和支座彎矩分別為方沉箱碼頭的3.5、2.6倍。而方沉箱結(jié)構(gòu)胸墻跨度小、且無(wú)懸臂，跨中彎矩和支座彎矩小，且總體分布較均勻。

3)對(duì)于大型重力式集裝箱碼頭而言，方沉箱結(jié)構(gòu)相比大圓筒結(jié)構(gòu)受力具有明顯優(yōu)勢(shì)。碼頭結(jié)構(gòu)選型應(yīng)考慮工程造價(jià)、施工工藝、工期及結(jié)構(gòu)受力等因素綜合比選確定。