三峡库区新型框架墩式码头结构研究
李雪景
摘 要：针对三峡库区码头建设所面临的深水问题，依托重庆纳溪沟码头工程，结合钢管桁架结构整体性能好，施工速度快，经济效果好等优点，提出“桩基+钢管桁架”的框架墩式码头新型结构形式，在构造特点、受力情况等方面对传统框架墩式码头和新型框架墩式码头进行对比分析，结果表明新型框架墩式码头结构受力性能有所改善，变形能够满足规范要求，应用前景较为广阔。
关键词：框架墩式码头；钢管桁架；新型结构
中图分类号：TV3 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）01-0066-03
1 绪论
随着三峡大坝的建成，蓄水导致库区水位大幅度升高，虽然有效地改善了库区航运条件，但是由于三峡水库的调度运行，库区码头将面临长历时大水深和大变幅水位等诸多问题，目前适用于库区的码头结构形式主要有：分级直立式码头、斜坡式码头、桥吊式码头、架空直立式码头以及墩式码头。其中墩式码头是一种造价低、结构简单、建设速度快、使用效果较好的码头形式，应用范围主要是一些小型港口的件杂货码头。因其水位落差大，墩式码头多采用全直桩、多层框架墩式结构。方育平等[1]叙述了长江中下游的墩式码头发展历程，系统地介绍了墩式码头的基本型式以及其在长江航运中的作用，分析了墩式码头未来的应用前景。刘明维等[2]采用有限元法研究了框架墩式码头结构的受力性能，结论表明高水位时水流力对框架墩式码头结构的稳定性影响非常大，系靠船梁的内力远远大于联系梁的内力。谭文波等[3]结合了海港中高桩码头中叉桩的应用，提出了增设斜桩的框架墩式码头结构新形式，通过三维有限元计算得出增加斜桩后的新型码头结构能有效提高结构自身整体稳定性的结论，并对其进行构件优化，以节约投资。
参考沿海码头中导管架结构，利用钢管桁架结构整体性能好，施工速度快，经济效果好等优点，提出“桩基+钢管桁架”的框架墩式码头新型结构形式。从该新型结构的构造特点、受力情况等方面入手，合理地分析该码头结构的可行性及其特点。
2 结构构造
2.1 设计原理
针对三峡库区码头建设所面临的深水问题，利用钢管桁架刚度大、施工速度快等特点，提出“桩基+钢管桁架”的框架墩式码头新型结构形式，在保证码头结构刚度和整体性的前提条件下，能够有效地缩短施工工期，解决三峡库区施工期短暂的难题。
2.2 构造特点
新型框架墩式码头结构为一个钢管焊接的空间刚架，四周采用带钢护筒的钢筋混凝土嵌岩灌注桩，桩基进入中风化层不小于4倍桩径。在钢护筒之间沿高度方向每间距5.3m焊接三根钢横杆和一根钢系靠船杆，其中靠船侧为钢系靠船杆，共计五层系靠船平台，上游侧和下游侧的层间焊接钢斜杆，桩基顶部采用现浇混凝土的承台，高度为1.5m。该码头结构主要构件有嵌岩灌注桩4根，钢系靠船杆5根，钢横杆15根，钢斜杆10根。各主要构件尺寸如表1，码头结构断面图如图1。
3 码头结构受力计算
本文以重庆纳溪沟框架墩式码头为背景，通过MIDAS CIVIL分别建立传统框架墩式码头和新型框架墩式码头的三维有限元模型，并分析两种结构的变形和主要构件的受力特点。
3.1 计算模型
采用MIDAS有限元软件，按照三维空间结构有限元的一般方法，承台采用实体单元，其余构件采用梁单元建模，并赋予截面材料特性。码头结构空间模型如图2和图3。
3.2 边界条件
两种码头结构的三维空间有限元模型都将桩基嵌固点设置为固结，约束所有自由度，使其在各个方向的位移均为零。
3.3 荷载工况及荷载组合
（1）永久作用：①结构自重采用设置参数自动施加在模型上。②固定吊起重机荷载空载自重230吨，按四个节点荷载施加。
（2）可變作用：①船舶荷载主要考虑撞击力和系缆力，撞击力取单个橡胶护舷反力516kN，传统框架墩式码头有14种工况，新型框架墩式码头有10种工况，系缆力为445.58kN，两个结构均为5种工况。②机械荷载按一对集中力偶施加在模型上，分为固定吊转向岸侧和江侧两种工况。③堆货荷载按30kN/m2施加于上部承台顶面。
（3）荷载工况组合：按承载能力极限状态进行组合：①传统框架墩式码头：Sd1→Sd10=1.0×[1.2×（结构自重+固定吊自重）+1.5×机械荷载+0.7×（1.4×系缆力+1.4×堆货荷载）]；Sd11→Sd24=1.0×[1.2×（结构自重+固定吊自重）+1.5×撞击力+0.7×1.4×堆货荷载]；Sd25→Sd34=1.0×[1.2×（结构自重+固定吊自重）+1.4×系缆力+0.7×（1.5×机械荷载+1.4×堆货荷载）]。②新型框架墩式码头：Sd1→Sd10=1.0×[1.2×（结构自重+固定吊自重）+1.5×机械荷载+0.7×（1.4×系缆力+1.4×堆货荷载）]；Sd11→Sd20=1.0×[1.2×（结构自重+固定吊自重）+1.5×撞击力+0.7×1.4×堆货荷载]；Sd21→Sd30=1.0×[1.2×（结构自重+固定吊自重）+1.4×系缆力+0.7×（1.5×机械荷载+1.4×堆货荷载）]。
3.4 计算结果及分析
传统框架墩式码头结构和新型框架墩式码头结构的主要构件最不利内力值分别如表2和表3。
根据表3中有限元的计算、分析，新型框架墩式码头结构在各种不同荷载工况组合作用下，受力情况良好，能够承受较大的船舶系缆力和船舶撞击力，结构型式合理，各构件的承载力以及整个码头结构的整体稳定性都能满足相应的规范要求。对比分析表2和表3可知：
新型框架墩式码头结构嵌岩灌注桩最大轴力增加15.5%，最大弯矩减少20.6%，钢系靠船杆相比于传统框架墩式码头系靠船梁各内力值均有减小，钢横杆和钢斜杆所产生的内力值均较小。经过计算得知，新型框架墩式码头结构在各种不同荷载工况最不利组合作用下，墩顶最大位移为11.22mm，满足使用要求。
4 结语
针对三峡工程蓄水后码头施工困难、工期短暂等问题，提出新型框架墩式码头结构形式，通过钢管施工速度快等特点，缩短施工时间。通过对比分析传统框架墩式码头结构和“桩基+钢管桁架”的新型框架墩式码头结构，可以得出结论：“桩基+钢管桁架”的新型框架墩式码头结构由于采用钢管焊接的方式，能够有效地节省施工时间，通过计算分析，新型框架墩式码头结构的各主要构件在各种不同荷载工况最不利组合作用下，受力情况良好，能够满足较大的船舶撞击力和系缆力要求，而且其强度、刚度和稳定性都能满足规范要求，因此该方案是合理可行的。
参考文献：
[1]方育平.墩式码头在长江中下游港口中的应用[J].河海科技进展，1991，11（1）：89-92.
[2]刘明维，杨浩，江德飞，张金华.框架墩式码头结构受力性能有限元分析[J].水运工程，2010（9）：51-56.
[3]谭文波，刘明维，李辉.内河框架墩式码头结构优化研究[J].中国港湾建设，2015，35（10）：27-30.
摘 要：针对三峡库区码头建设所面临的深水问题，依托重庆纳溪沟码头工程，结合钢管桁架结构整体性能好，施工速度快，经济效果好等优点，提出“桩基+钢管桁架”的框架墩式码头新型结构形式，在构造特点、受力情况等方面对传统框架墩式码头和新型框架墩式码头进行对比分析，结果表明新型框架墩式码头结构受力性能有所改善，变形能够满足规范要求，应用前景较为广阔。
关键词：框架墩式码头；钢管桁架；新型结构
中图分类号：TV3 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）01-0066-03
1 绪论
随着三峡大坝的建成，蓄水导致库区水位大幅度升高，虽然有效地改善了库区航运条件，但是由于三峡水库的调度运行，库区码头将面临长历时大水深和大变幅水位等诸多问题，目前适用于库区的码头结构形式主要有：分级直立式码头、斜坡式码头、桥吊式码头、架空直立式码头以及墩式码头。其中墩式码头是一种造价低、结构简单、建设速度快、使用效果较好的码头形式，应用范围主要是一些小型港口的件杂货码头。因其水位落差大，墩式码头多采用全直桩、多层框架墩式结构。方育平等[1]叙述了长江中下游的墩式码头发展历程，系统地介绍了墩式码头的基本型式以及其在长江航运中的作用，分析了墩式码头未来的应用前景。刘明维等[2]采用有限元法研究了框架墩式码头结构的受力性能，结论表明高水位时水流力对框架墩式码头结构的稳定性影响非常大，系靠船梁的内力远远大于联系梁的内力。谭文波等[3]结合了海港中高桩码头中叉桩的应用，提出了增设斜桩的框架墩式码头结构新形式，通过三维有限元计算得出增加斜桩后的新型码头结构能有效提高结构自身整体稳定性的结论，并对其进行构件优化，以节约投资。
参考沿海码头中导管架结构，利用钢管桁架结构整体性能好，施工速度快，经济效果好等优点，提出“桩基+钢管桁架”的框架墩式码头新型结构形式。从该新型结构的构造特点、受力情况等方面入手，合理地分析该码头结构的可行性及其特点。
2 结构构造
2.1 设计原理
针对三峡库区码头建设所面临的深水问题，利用钢管桁架刚度大、施工速度快等特点，提出“桩基+钢管桁架”的框架墩式码头新型结构形式，在保证码头结构刚度和整体性的前提条件下，能够有效地缩短施工工期，解决三峡库区施工期短暂的难题。
2.2 构造特点
新型框架墩式码头结构为一个钢管焊接的空间刚架，四周采用带钢护筒的钢筋混凝土嵌岩灌注桩，桩基进入中风化层不小于4倍桩径。在钢护筒之间沿高度方向每间距5.3m焊接三根钢横杆和一根钢系靠船杆，其中靠船侧为钢系靠船杆，共计五层系靠船平台，上游侧和下游侧的层间焊接钢斜杆，桩基顶部采用现浇混凝土的承台，高度为1.5m。该码头结构主要构件有嵌岩灌注桩4根，钢系靠船杆5根，钢横杆15根，钢斜杆10根。各主要构件尺寸如表1，码头结构断面图如图1。
3 码头结构受力计算
本文以重庆纳溪沟框架墩式码头为背景，通过MIDAS CIVIL分别建立传统框架墩式码头和新型框架墩式码头的三维有限元模型，并分析两种结构的变形和主要构件的受力特点。
3.1 计算模型
采用MIDAS有限元软件，按照三维空间结构有限元的一般方法，承台采用实体单元，其余构件采用梁单元建模，并赋予截面材料特性。码头结构空间模型如图2和图3。
3.2 边界条件
两种码头结构的三维空间有限元模型都将桩基嵌固点设置为固结，约束所有自由度，使其在各个方向的位移均为零。
3.3 荷载工况及荷载组合
（1）永久作用：①结构自重采用设置参数自动施加在模型上。②固定吊起重机荷载空载自重230吨，按四个节点荷载施加。
（2）可變作用：①船舶荷载主要考虑撞击力和系缆力，撞击力取单个橡胶护舷反力516kN，传统框架墩式码头有14种工况，新型框架墩式码头有10种工况，系缆力为445.58kN，两个结构均为5种工况。②机械荷载按一对集中力偶施加在模型上，分为固定吊转向岸侧和江侧两种工况。③堆货荷载按30kN/m2施加于上部承台顶面。
（3）荷载工况组合：按承载能力极限状态进行组合：①传统框架墩式码头：Sd1→Sd10=1.0×[1.2×（结构自重+固定吊自重）+1.5×机械荷载+0.7×（1.4×系缆力+1.4×堆货荷载）]；Sd11→Sd24=1.0×[1.2×（结构自重+固定吊自重）+1.5×撞击力+0.7×1.4×堆货荷载]；Sd25→Sd34=1.0×[1.2×（结构自重+固定吊自重）+1.4×系缆力+0.7×（1.5×机械荷载+1.4×堆货荷载）]。②新型框架墩式码头：Sd1→Sd10=1.0×[1.2×（结构自重+固定吊自重）+1.5×机械荷载+0.7×（1.4×系缆力+1.4×堆货荷载）]；Sd11→Sd20=1.0×[1.2×（结构自重+固定吊自重）+1.5×撞击力+0.7×1.4×堆货荷载]；Sd21→Sd30=1.0×[1.2×（结构自重+固定吊自重）+1.4×系缆力+0.7×（1.5×机械荷载+1.4×堆货荷载）]。
3.4 计算结果及分析
传统框架墩式码头结构和新型框架墩式码头结构的主要构件最不利内力值分别如表2和表3。
根据表3中有限元的计算、分析，新型框架墩式码头结构在各种不同荷载工况组合作用下，受力情况良好，能够承受较大的船舶系缆力和船舶撞击力，结构型式合理，各构件的承载力以及整个码头结构的整体稳定性都能满足相应的规范要求。对比分析表2和表3可知：
新型框架墩式码头结构嵌岩灌注桩最大轴力增加15.5%，最大弯矩减少20.6%，钢系靠船杆相比于传统框架墩式码头系靠船梁各内力值均有减小，钢横杆和钢斜杆所产生的内力值均较小。经过计算得知，新型框架墩式码头结构在各种不同荷载工况最不利组合作用下，墩顶最大位移为11.22mm，满足使用要求。
4 结语
针对三峡工程蓄水后码头施工困难、工期短暂等问题，提出新型框架墩式码头结构形式，通过钢管施工速度快等特点，缩短施工时间。通过对比分析传统框架墩式码头结构和“桩基+钢管桁架”的新型框架墩式码头结构，可以得出结论：“桩基+钢管桁架”的新型框架墩式码头结构由于采用钢管焊接的方式，能够有效地节省施工时间，通过计算分析，新型框架墩式码头结构的各主要构件在各种不同荷载工况最不利组合作用下，受力情况良好，能够满足较大的船舶撞击力和系缆力要求，而且其强度、刚度和稳定性都能满足规范要求，因此该方案是合理可行的。
参考文献：
[1]方育平.墩式码头在长江中下游港口中的应用[J].河海科技进展，1991，11（1）：89-92.
[2]刘明维，杨浩，江德飞，张金华.框架墩式码头结构受力性能有限元分析[J].水运工程，2010（9）：51-56.
[3]谭文波，刘明维，李辉.内河框架墩式码头结构优化研究[J].中国港湾建设，2015，35（10）：27-30.
