姚　迪（中交第二航務工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071）

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門機水平力在高樁梁板碼頭計算中的取值分析

姚迪
（中交第二航務工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071）

門機水平力產(chǎn)生的原因比較復雜，其取值在現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范中尚不明確，通過工程實例，分別建立空間模型和平面模型進行計算，分析比較不同方向、不同大小的門機水平力在不同模型中對碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，為今后高樁梁板碼頭的設(shè)計提供參考，并建議提出相關(guān)課題進行深入研究。

高樁梁板碼頭；門機水平力；空間模型；平面模型

引　言

許多學者和設(shè)計人員已對船舶系纜力和撞擊力做了相關(guān)研究，但是關(guān)于門機水平力的研究［1］較少，隨著碼頭專業(yè)化程度提高、規(guī)模不斷擴大，碼頭上使用的門機的輪壓和水平力也越來越大，對碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力起控制作用，如何把門機豎向和水平荷載較為精確地作用在碼頭排架上變得十分重要。

1　門機水平力產(chǎn)生原因及取值

1.1門機水平力產(chǎn)生原因

門座式起重機的水平荷載是起重機偏斜運行時車輪和軌道間的摩擦力或者是車輪輪緣與軌道接觸而產(chǎn)生的垂直于軌道的水平力，造成門機發(fā)生偏斜運行的主要因素有以下幾點：

1）由于電機轉(zhuǎn)速的細微差別和減速器齒輪間的嚙合間隙，車輪的磨損造成車輪直徑的不同，使得兩條軌道上的車輪在行走時速度不一樣，造成起重機的偏斜運行。

2）門機在碼頭上進行作業(yè)沿軌道梁運行時，其吊臂在負重情況下會伸出門機的前后軌范圍，使門機發(fā)生偏斜運行。

3）門機構(gòu)件的總迎風面較大，風力較大時，會使門機發(fā)生偏斜運行。

1.2門機水平力取值

門機水平力的大小與門機的豎向輪壓有關(guān)。98版規(guī)范中規(guī)定門座式起重機在風荷載作用下產(chǎn)生的水平荷載應通過計算確定，但是沒有說明水平荷載的計算方法；新版《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010）僅在附錄C中規(guī)定垂直和平行于軌道方向的水平力標準值可按輪壓標準值的 1/10估算。兩版荷載規(guī)范對門機水平力的取值規(guī)定都較為含糊，且碼頭上的門座式起重機種類較多，若都參照新版規(guī)范按標準輪壓的1/10取值，計算出的碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力可能偏于保守。

圖1　水平側(cè)向荷載系數(shù)

《港口起重設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定起重機運行時所產(chǎn)生的垂直于車輪輪緣或作用于水平向輪上的水平側(cè)向荷載 Ps的近似計算公式為：Ps=λ∑P/2；λ為水平側(cè)向荷載系數(shù)，與軌距L和基距B的比值有關(guān)，見圖1；∑P為起重機產(chǎn)生側(cè)向荷載一側(cè)經(jīng)常出現(xiàn)的最大運行輪壓之和。在多輪的起重機中，用有效軸距代替起重機的基距B，有效軸距的確定原則為：一側(cè)軌道上裝有兩個或4個車輪時，有效軸距取兩端最外邊車輪軸的間距；一側(cè)軌道上的車輪不超過8個時，有效軸距取兩端最外邊兩個車輪中心的間距；一側(cè)軌道上的車輪超過8個車輪時，有效軸距取最外邊三個車輪中心的間距；裝有水平導向輪時，有效軸距取最外邊兩對導向輪的間距。

碼頭上門座式起重機一側(cè)軌道上的車輪的數(shù)量基本會超過8個，由于高樁梁板碼頭平臺的寬度有限，經(jīng)統(tǒng)計，門座式起重機的軌距L和基距B的比值一般不超過2。由圖1可知水平向側(cè)向系數(shù)λ 為0.05，因此門機運行時其水平力的大小可按輪壓標準值的2.5%取值。

基于以上門機水平力產(chǎn)生原因和取值分析，本文選取蘇州港常熟港區(qū)某碼頭為工程實例，探討門機水平力取值變化對高樁梁板碼頭結(jié)構(gòu)計算模型的影響，并采用平面建模和空間三維建模的方式進行對比，為方便比較，規(guī)定門機水平力向港池側(cè)為正、向岸側(cè)為負，取值大小分別為無門機水平力、±10%輪壓標準值、±2.5%輪壓標準值，希望能夠?qū)﹂T機水平力取值的方向和大小在今后的高樁梁板碼頭計算模型中的選取提供參考。

2　工程案例

2.1工程概況

選取的碼頭結(jié)構(gòu)斷面和樁位如圖 2和圖 3所示。此結(jié)構(gòu)段平臺長72m，寬30m，排架間距7m，樁基為Φ800 PHC樁，每榀排架設(shè)1對叉樁、2根斜樁和4根直樁，共8根。平臺上部結(jié)構(gòu)由橫梁、縱向梁系、迭合面板和靠船構(gòu)件組成，第1、4、7、11排架前方設(shè)有750 kN系船柱，每個排架前沿設(shè)置DA-B500H型橡膠護舷。

圖2　碼頭結(jié)構(gòu)斷面示意

圖3　碼頭平臺樁位布置

2.2碼頭荷載條件

1）構(gòu)件自重：碼頭上部各構(gòu)件的自重荷載。

2）碼頭面均布荷載：30 kN/m2，門機工作情況下軌道1.5m范圍內(nèi)不考慮堆載。

3）起重運輸機械荷載：45t-30m多用途門座起重機，軌距10.5m，基距10.5m，總輪數(shù)32，輪距0.765m，輪壓280 kN；40t-25m岸橋：軌距10.5m，基距16m，總輪數(shù)32，輪距0.765m，輪壓320 kN；考慮兩臺機械并機作業(yè)，最小并機距離為1.5m。

4）船舶系纜力750 kN，系纜力方向與碼頭水平面之間的夾角為15°，與碼頭前沿線夾角為30°，考慮相鄰兩個系船柱同時承受系纜力，系船柱分別布置在第1、4、7、11榀排架前沿。

2.3計算模型建立

參考新規(guī)范中建議高樁梁板式碼頭按空間結(jié)構(gòu)計算［3］，使用ROBOT建立計算模型：1）以計算樁的內(nèi)力為目的時，縱梁、橫梁和樁采用梁單元進行建模，節(jié)點相交為固結(jié)方式，面板采用薄殼單元建模，設(shè)為有限單元類型，面板按實際構(gòu)件考慮，考慮面板的重度和剛度，按有限元法劃分網(wǎng)格并傳遞荷載；2）以計算橫梁和縱梁的內(nèi)力為目的時，忽略面板作用，面板采用虛板方式建模，設(shè)為沒有有限單元類型，只考慮面板重度、不考慮面板的剛度，不劃分有限元網(wǎng)格，只起到傳遞荷載的作用；3）采用偏移的方式將縱梁和橫梁的中性軸、面板的中性面按實際高程考慮，達到各構(gòu)件按實際高程的方式建模；4）樁端約束參照平面排架方式采用m法模擬樁入土段的嵌固模型。

同時為了比較門機水平力對碼頭排架的影響在空間計算與平面計算中的區(qū)別，使用易工水運工程結(jié)構(gòu)軟件建立平面計算模型。

基于以上門機水平力取值、方向分析和建模方式，門機水平力分別采用±10%輪壓標準值、±2.5%輪壓標準值、無門機水平力的方式，進行平面模型和空間模型計算樁基以及橫梁的內(nèi)力，其中空間模型計算樁基內(nèi)力時考慮面板作用，計算橫梁內(nèi)力時忽略面板作用，且已有相關(guān)研究得出空間模型忽略面板作用計算的橫梁內(nèi)力偏大［4］，對工程設(shè)計偏安全，本文不再比較是否考慮面板作用對橫梁內(nèi)力的影響。

2.4計算結(jié)果與對比分析

1）計算結(jié)果

計算工況主要為3種，主導荷載分別為均布荷載、起重運輸機械荷載和系纜力，各模型計算的樁基和橫梁內(nèi)力極值見表1和表2。

表1　空間結(jié)構(gòu)計算模型樁基和橫梁內(nèi)力值

表2　平面計算模型樁基和橫梁內(nèi)力值

2）樁基內(nèi)力對比分析

從兩種計算模型的最大樁力值變化趨勢可以看出，門機水平力為+10%輪壓時最大、+2.5%輪壓時次大、無門機水平力時居中、-2.5%輪壓時次小、-10%輪壓時最小。因為本工程計算模型中的水平荷載僅考慮系纜力和門機水平力，門機水平力的方向與系纜力方向相同，同向增加的水平力荷載會使樁基軸力變大，門機水平力的方向與系纜力方向相反，異向增加的水平荷載會使樁基軸力變小。

平面模型的最大樁力值的變化幅度比空間模型大：空間梁板模型計算樁基內(nèi)力時考慮了面板作用，即考慮了面板的剛度，將面板與縱橫梁系連成整體，可以將增加的門機水平力分配到碼頭整體結(jié)構(gòu)內(nèi)，整個模型的樁基軸力變化較??；平面模型中增加的門機水平力直接通過橫梁傳遞到單個排架的樁基上，對樁基軸力變化的影響較大。

3）橫梁內(nèi)力對比分析

從表1可以看出采用空間模型計算時，門機水平力的方向及大小變化對橫梁的內(nèi)力值沒有影響。因為空間梁板模型計算橫梁內(nèi)力時忽略了面板作用，不考慮面板的剛度，沒有將面板與縱橫梁系連成整體，對碼頭結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力的分配影響較小，門機水平力作為水平荷載直接作用在軌道梁上，傳遞到其它構(gòu)件上的荷載較小，所以門機水平力的變化對橫梁內(nèi)力值基本沒有影響。

從表2可以看出采用平面模型計算時，門機水平力的方向及大小變化對橫梁的正彎矩和剪力影響較小，對橫梁的負彎矩影響較大：當門機水平力為+10%輪壓時，橫梁負彎矩最大值比無門機水平力時增加了45%左右；當門機水平力為±2.5%輪壓時，橫梁負彎矩最大值變化在±10%左右。因為平面模型中，門機荷載直接作用在橫梁上，增加的門機水平力會使橫梁構(gòu)件發(fā)生上拱，特別是排架中存在叉樁，門機水平力越大時，叉樁間的橫梁上拱作用更加明顯，使得橫梁的負彎矩增加較大。

3　結(jié)　論

1）門機水平力產(chǎn)生的主要原因是門機發(fā)生了偏斜運行，但是門機發(fā)生偏斜運行的原因比較復雜，門機水平力的大小難以確定，建議通過進行原型觀測等課題的研究方式，對門機水平力的取值做出明確規(guī)定。

2）現(xiàn)行新規(guī)范中規(guī)定可按輪壓標準值的 1/10估算，對工程設(shè)計偏安全，可作為目前碼頭工程的設(shè)計依據(jù)。

3）門機水平力的變化對空間梁板模型中的樁基和橫梁內(nèi)力影響較小，符合新規(guī)范中高樁梁板式碼頭按空間結(jié)構(gòu)計算樁基內(nèi)力時考慮面板作用和計算橫梁內(nèi)力時忽略面板作用的規(guī)定。

4）門機水平力的變化對平面模型的樁基內(nèi)力和橫梁的負彎矩影響較大，特別是使用 98版規(guī)范設(shè)計的老碼頭，現(xiàn)對其進行技術(shù)改造，使用新規(guī)范對原結(jié)構(gòu)進行復核時，門機水平力若按輪壓標準值的1/10取值，經(jīng)常會出現(xiàn)原碼頭的結(jié)構(gòu)內(nèi)力不滿足新規(guī)范要求的現(xiàn)象，建議針對老碼頭結(jié)構(gòu)技術(shù)改造工程項目，可參考《港口起重設(shè)計規(guī)范》中對起重機運行時產(chǎn)生水平側(cè)向荷載的規(guī)定進行取值，從而進行優(yōu)化設(shè)計。

5）門機水平力的變化，對不同模型、不同樁基布置型式碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計算結(jié)果相差較大，如何能更加準確的分析門機水平力的方向和取值變化對高樁梁板碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，需待進一步研究。

［1］吳志良.高樁梁板碼頭按平面橫向排架計算時門機荷載作用取值［J］.水運工程，2007（4）：35-42.

［2］JTS167-1-2010 高樁碼頭設(shè)計與施工規(guī)范［S］.

［3］楊錫鎏，陳振民.高樁梁板式碼頭空間結(jié)構(gòu)計算中忽略面板作用的方法［J］.水運工程，2012（9）：93-99.

Value Analysis of Carne's Horizontal Force in Calculation of Beam-slab Wharf Supported on Piles

Yao Di
（CCCC Second Harbor Consultants Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430071，China）

The cause for crane's horizontal force is more complex，and its value is not definitely stipulated in current design standard.A project is based on to build a space model and a plane model respectively in order to calculate and analyze the impact of crane's horizontal force on internal force of the wharf structure under the condition of different directions，different values and different models.The analysis results serve as a reference for the design of beam-slab wharf supported on piles in the future.It is also suggested to carry out relevant subject study.

beam-slab wharf supported on piles； crane's horizontal force； space model； plane model

U656.1+13

A

1004-9592（2016）04-0044-04

10.16403/j.cnki.ggjs20160411

2016-03-08

姚迪（1982-），男，工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。