三峽庫區(qū)新型框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)研究

李雪景

摘 要：針對三峽庫區(qū)碼頭建設(shè)所面臨的深水問題，依托重慶納溪溝碼頭工程，結(jié)合鋼管桁架結(jié)構(gòu)整體性能好，施工速度快，經(jīng)濟(jì)效果好等優(yōu)點(diǎn)，提出“樁基+鋼管桁架”的框架墩式碼頭新型結(jié)構(gòu)形式，在構(gòu)造特點(diǎn)、受力情況等方面對傳統(tǒng)框架墩式碼頭和新型框架墩式碼頭進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明新型框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)受力性能有所改善，變形能夠滿足規(guī)范要求，應(yīng)用前景較為廣闊。

關(guān)鍵詞：框架墩式碼頭；鋼管桁架；新型結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TV3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2018）01-0066-03

1 緒論

隨著三峽大壩的建成，蓄水導(dǎo)致庫區(qū)水位大幅度升高，雖然有效地改善了庫區(qū)航運(yùn)條件，但是由于三峽水庫的調(diào)度運(yùn)行，庫區(qū)碼頭將面臨長歷時(shí)大水深和大變幅水位等諸多問題，目前適用于庫區(qū)的碼頭結(jié)構(gòu)形式主要有：分級(jí)直立式碼頭、斜坡式碼頭、橋吊式碼頭、架空直立式碼頭以及墩式碼頭。其中墩式碼頭是一種造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡單、建設(shè)速度快、使用效果較好的碼頭形式，應(yīng)用范圍主要是一些小型港口的件雜貨碼頭。因其水位落差大，墩式碼頭多采用全直樁、多層框架墩式結(jié)構(gòu)。方育平等[1]敘述了長江中下游的墩式碼頭發(fā)展歷程，系統(tǒng)地介紹了墩式碼頭的基本型式以及其在長江航運(yùn)中的作用，分析了墩式碼頭未來的應(yīng)用前景。劉明維等[2]采用有限元法研究了框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)的受力性能，結(jié)論表明高水位時(shí)水流力對框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響非常大，系靠船梁的內(nèi)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聯(lián)系梁的內(nèi)力。譚文波等[3]結(jié)合了海港中高樁碼頭中叉樁的應(yīng)用，提出了增設(shè)斜樁的框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)新形式，通過三維有限元計(jì)算得出增加斜樁后的新型碼頭結(jié)構(gòu)能有效提高結(jié)構(gòu)自身整體穩(wěn)定性的結(jié)論，并對其進(jìn)行構(gòu)件優(yōu)化，以節(jié)約投資。

參考沿海碼頭中導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，利用鋼管桁架結(jié)構(gòu)整體性能好，施工速度快，經(jīng)濟(jì)效果好等優(yōu)點(diǎn)，提出“樁基+鋼管桁架”的框架墩式碼頭新型結(jié)構(gòu)形式。從該新型結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點(diǎn)、受力情況等方面入手，合理地分析該碼頭結(jié)構(gòu)的可行性及其特點(diǎn)。

2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

2.1 設(shè)計(jì)原理

針對三峽庫區(qū)碼頭建設(shè)所面臨的深水問題，利用鋼管桁架剛度大、施工速度快等特點(diǎn)，提出“樁基+鋼管桁架”的框架墩式碼頭新型結(jié)構(gòu)形式，在保證碼頭結(jié)構(gòu)剛度和整體性的前提條件下，能夠有效地縮短施工工期，解決三峽庫區(qū)施工期短暫的難題。

2.2 構(gòu)造特點(diǎn)

新型框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)為一個(gè)鋼管焊接的空間剛架，四周采用帶鋼護(hù)筒的鋼筋混凝土嵌巖灌注樁，樁基進(jìn)入中風(fēng)化層不小于4倍樁徑。在鋼護(hù)筒之間沿高度方向每間距5.3m焊接三根鋼橫桿和一根鋼系靠船桿，其中靠船側(cè)為鋼系靠船桿，共計(jì)五層系靠船平臺(tái)，上游側(cè)和下游側(cè)的層間焊接鋼斜桿，樁基頂部采用現(xiàn)澆混凝土的承臺(tái)，高度為1.5m。該碼頭結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件有嵌巖灌注樁4根，鋼系靠船桿5根，鋼橫桿15根，鋼斜桿10根。各主要構(gòu)件尺寸如表1，碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖如圖1。

3 碼頭結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

本文以重慶納溪溝框架墩式碼頭為背景，通過MIDAS CIVIL分別建立傳統(tǒng)框架墩式碼頭和新型框架墩式碼頭的三維有限元模型，并分析兩種結(jié)構(gòu)的變形和主要構(gòu)件的受力特點(diǎn)。

3.1 計(jì)算模型

采用MIDAS有限元軟件，按照三維空間結(jié)構(gòu)有限元的一般方法，承臺(tái)采用實(shí)體單元，其余構(gòu)件采用梁單元建模，并賦予截面材料特性。碼頭結(jié)構(gòu)空間模型如圖2和圖3。

3.2 邊界條件

兩種碼頭結(jié)構(gòu)的三維空間有限元模型都將樁基嵌固點(diǎn)設(shè)置為固結(jié)，約束所有自由度，使其在各個(gè)方向的位移均為零。

3.3 荷載工況及荷載組合

（1）永久作用：①結(jié)構(gòu)自重采用設(shè)置參數(shù)自動(dòng)施加在模型上。②固定吊起重機(jī)荷載空載自重230噸，按四個(gè)節(jié)點(diǎn)荷載施加。

（2）可變作用：①船舶荷載主要考慮撞擊力和系纜力，撞擊力取單個(gè)橡膠護(hù)舷反力516kN，傳統(tǒng)框架墩式碼頭有14種工況，新型框架墩式碼頭有10種工況，系纜力為445.58kN，兩個(gè)結(jié)構(gòu)均為5種工況。②機(jī)械荷載按一對集中力偶施加在模型上，分為固定吊轉(zhuǎn)向岸側(cè)和江側(cè)兩種工況。③堆貨荷載按30kN/m2施加于上部承臺(tái)頂面。

（3）荷載工況組合：按承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行組合：①傳統(tǒng)框架墩式碼頭：Sd1→Sd10=1.0×[1.2×（結(jié)構(gòu)自重+固定吊自重）+1.5×機(jī)械荷載+0.7×（1.4×系纜力+1.4×堆貨荷載）]；Sd11→Sd24=1.0×[1.2×（結(jié)構(gòu)自重+固定吊自重）+1.5×撞擊力+0.7×1.4×堆貨荷載]；Sd25→Sd34=1.0×[1.2×（結(jié)構(gòu)自重+固定吊自重）+1.4×系纜力+0.7×（1.5×機(jī)械荷載+1.4×堆貨荷載）]。②新型框架墩式碼頭：Sd1→Sd10=1.0×[1.2×（結(jié)構(gòu)自重+固定吊自重）+1.5×機(jī)械荷載+0.7×（1.4×系纜力+1.4×堆貨荷載）]；Sd11→Sd20=1.0×[1.2×（結(jié)構(gòu)自重+固定吊自重）+1.5×撞擊力+0.7×1.4×堆貨荷載]；Sd21→Sd30=1.0×[1.2×（結(jié)構(gòu)自重+固定吊自重）+1.4×系纜力+0.7×（1.5×機(jī)械荷載+1.4×堆貨荷載）]。

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

傳統(tǒng)框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)和新型框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件最不利內(nèi)力值分別如表2和表3。

根據(jù)表3中有限元的計(jì)算、分析，新型框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)在各種不同荷載工況組合作用下，受力情況良好，能夠承受較大的船舶系纜力和船舶撞擊力，結(jié)構(gòu)型式合理，各構(gòu)件的承載力以及整個(gè)碼頭結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性都能滿足相應(yīng)的規(guī)范要求。對比分析表2和表3可知：

新型框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)嵌巖灌注樁最大軸力增加15.5%，最大彎矩減少20.6%，鋼系靠船桿相比于傳統(tǒng)框架墩式碼頭系靠船梁各內(nèi)力值均有減小，鋼橫桿和鋼斜桿所產(chǎn)生的內(nèi)力值均較小。經(jīng)過計(jì)算得知，新型框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)在各種不同荷載工況最不利組合作用下，墩頂最大位移為11.22mm，滿足使用要求。

4 結(jié)語

針對三峽工程蓄水后碼頭施工困難、工期短暫等問題，提出新型框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)形式，通過鋼管施工速度快等特點(diǎn)，縮短施工時(shí)間。通過對比分析傳統(tǒng)框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)和“樁基+鋼管桁架”的新型框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)，可以得出結(jié)論：“樁基+鋼管桁架”的新型框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)由于采用鋼管焊接的方式，能夠有效地節(jié)省施工時(shí)間，通過計(jì)算分析，新型框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)的各主要構(gòu)件在各種不同荷載工況最不利組合作用下，受力情況良好，能夠滿足較大的船舶撞擊力和系纜力要求，而且其強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性都能滿足規(guī)范要求，因此該方案是合理可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1]方育平.墩式碼頭在長江中下游港口中的應(yīng)用[J].河?？萍歼M(jìn)展，1991，11（1）：89-92.

[2]劉明維，楊浩，江德飛，張金華.框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)受力性能有限元分析[J].水運(yùn)工程，2010（9）：51-56.

[3]譚文波，劉明維，李輝.內(nèi)河框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].中國港灣建設(shè)，2015，35（10）：27-30.endprint