鋼管桁架-沉箱復合式碼頭在大水位差山區(qū)河流碼頭中的應用

謝勤

摘 要：針對斜坡式碼頭裝卸效率低，傳統重力式碼頭又不適宜在大水位差山區(qū)河流中使用的背景，本文參考有關專家學者提出的將沿海深水管樁碼頭與傳統重力式碼頭相結合，即鋼管桁架-沉箱復合式碼頭。為驗證該類型碼頭在大水位差山區(qū)河流中使用的可能性，本文以重慶市江北區(qū)經濟開發(fā)區(qū)某實例碼頭為研究對象，建立三維有限元數值分析模型，分析了碼頭受力特性。研究結果顯示，碼頭上部鋼管桁架受力、位移特征值均滿足規(guī)范要求；下部基礎的抗滑、抗傾穩(wěn)定性均符合規(guī)范要求；基床頂面的最大應力也遠小于工程區(qū)域地基實際承載能力，可見鋼管桁架—沉箱基礎裝配式新型碼頭結構設計合理，能夠很好的適應大水位差山區(qū)河流。

關鍵詞：航運工程 復合式碼頭 大水位差山區(qū)河流 受力特性

1.前言

長江上游屬于山區(qū)性河流，河流流速快，水位變幅迅速，年內水位差變化大。隨著三峽大壩175m蓄水運營，變動回去區(qū)末端最遠可達到重慶江津的豬尾巴磧，整個重慶主城區(qū)都成為變動回水區(qū)，河段具有山區(qū)河流和庫區(qū)河流的雙重特性，年內水位差最高可達30m。為保證碼頭的正常運營，目前通常采用斜坡式碼頭。

由于斜坡式碼頭裝卸效率較低，目前已建的斜坡式碼頭往往不能滿足設計吞吐需求。因此，有關專家和學者考慮將沿海深水管樁碼頭引用至山區(qū)內河河流中來，并發(fā)揮常規(guī)重力式碼頭結構剛度大、整體穩(wěn)定性好的優(yōu)點，與常規(guī)的重力式沉箱碼頭類型相組合，即鋼管桁架-沉箱復合式碼頭。由于該類碼頭沿江應用較少，還未有大規(guī)模的工程實踐，因此本文以重慶市江北區(qū)經濟開發(fā)區(qū)某實例碼頭為研究對象，建立三維有限元數值分析模型，對其結構、荷載以及抗滑抗傾穩(wěn)定性進行詳細分析。

2.工程概況

考慮到三峽水位差往往達到30m，因此本文設計兩個前沿沉箱基礎以及6個鋼管桁架模塊。其中，沉箱基礎1頂高程為182m，沉箱基礎2頂高程為184.5m，碼頭面層高程為206.5m。由于船舶將直接停靠在臨水側的鋼管桁架上，不另外設置靠船構件。沉箱結構和鋼管桁架結構分別見圖1與圖2。

3.有限元模型建立

采用ANSYS三維有限元計算軟件進行模擬計算分析。根據實例工程的特性及相關參數，網格選擇矩形網格，網格間距設置為5～20m，整個模型共有12856個節(jié)點與8266個網格（圖3）。

根據實例工程的建設情況，鋼材的密度取7600kg/m3，混凝土密度為2500kg /m3，鋼材的彈模為2.0×108kPa，泊松比為0.30。

同時，根據設計文件及實際計算，船舶系纜力取700kN，角度與水平線呈15°；船舶撞擊荷載取600 kN；豎向機械荷載壓載取200 kN/m。

4 數值計算及計算結果分析

4.1鋼管桁架位移計算

在最不利工況組合下，鋼管桁架所受應力及總位移見圖4。分析可知：

（1）橫桿最大應力為1379.5kN，最小應力為—1696.1kN，最大、最小應力比為10：1；豎桿最大應力為531.6kN，最小應力為-2525.1kN，最大、最小應力比為7.1：1；斜桿最大應力為1170.6kN，最小應力為-2138.4kN，最大、最小應力比為4.3：1。

（2）在最不利工況下，橫桿、豎桿、斜桿的等效應力分別為82.5kPa、71.2 kPa以及30.1 kPa，均遠小于Q235鋼材的抗拉、抗彎、抗剪強度設計值330 kPa，符合規(guī)范要求。

（3）最大位移出現在碼頭面層中心區(qū)域。最大位移為8.55mm，整個鋼管桁架平均位移為2.75mm。根據相關規(guī)范可知，最大位移不應大于L/600，其中L為計算跨度，取60m?？梢娮畲笪灰七h小于100mm的位移距離要求。

（4）經分析，鋼管桁架的受力、位移特征值均滿足規(guī)范要求，設計合理。

4.2重力式基礎計算

根據本工程實際條件，借助易工軟件對沉箱基礎結構受力以及抗滑、抗傾覆情況進行計算，計算結果見表1。分析可知：

（1）兩個沉箱基礎的抗滑、抗傾驗算均滿足規(guī)范要求，設計合理。

（2）基床頂面的最大應力為485.6 kPa，根據測量資料，工程區(qū)域地基承載力極限值為1529.6 kPa，可見工程區(qū)域地基能夠承受基床頂面的應力，設計合理。

5.結論

本文從鋼管桁架—沉箱基礎裝配式新型碼頭結構能否滿足安全使用要求的角度出發(fā)，：博上部鋼管桁架結構與下部重力式沉箱基礎分開計算，計算結果顯示，上部鋼管桁架受力、位移特征值均滿足規(guī)范要求；下部基礎的抗滑、抗傾穩(wěn)定性均符合規(guī)范要求；基床頂面的最大應力也遠小于工程區(qū)域地基實際承載能力，可見鋼管桁架—沉箱基礎裝配式新型碼頭結構設計合理，能夠很好的適應大水位差山區(qū)河流。

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