撞击力作用下拱式纵梁码头排架受力特性分析

翟秋，鲁子爱，朱峰

（河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098）

0 引言

近年来我国水运事业蓬勃发展，船舶大型化发展趋势日益明显，迫切需要加快大型深水港口的建设[1]。外海深水码头所处的环境条件比较恶劣，码头结构刚度高、施工难度大，对码头工程设计提出了更高的要求。文献 [2-3]基于桁架拱桥结构，提出了拱式纵梁的新型码头结构形式。这种新型结构采用拱式纵梁代替传统梁板式高桩码头中的倒T形纵梁，利用拱结构良好的跨越能力和钢筋混凝土的抗压性能，使码头的排架间距增加到28 m，减少水下工程量，进而降低工程造价。

前期对拱式纵梁结构的研究多停留在结构形式层面，荷载对结构的影响也只是考虑了自重、堆货荷载、轨道荷载等竖向荷载，对由于船舶靠泊引起的水平撞击力涉及较少，也为结构的推广带来了一定的限制。

船舶靠泊引起的水平撞击力是高桩码头承受的主要荷载之一。横向排架上横向分力的取值对结构计算结果影响较大，目前在高桩码头设计中，横向分力在各排架的分配按弹性支承刚性梁法计算，这种方法应用简便，一般情况下可查表确定。现有研究成果[4-6]表明，排架数量和排架间距的变化，都会影响水平力的分配系数。

与梁板式高桩码头结构相比，拱式纵梁码头结构排架间距大幅增加，横向分力在排架上是如何分配的？这种分配方式对结构本身有何影响？本文对结构的横向承载性能进行分析，对结构的推广应用具有重要意义。

1 拱式纵梁码头结构简介

借鉴桥梁中的桁架拱桥，根据码头结构的用途、功能、结构形式、使用荷载、施工作业等情况，提出的拱式纵梁的新型码头结构，以预制钢筋混凝土拱式纵梁代替一般纵梁。

图1 拱式纵梁码头结构示意图（单位：m）

预制钢筋混凝土拱式纵梁由拱圈梁、上弦杆、腹杆、拉杆和吊杆等构件组成。拱式纵梁纵向搁置在桩基墩台上，纵梁之间增设预制横向水平撑，横向水平撑搁置在拱式纵梁的牛腿上，与之构成梁格；面板搁置在横向水平撑上。桩基墩台现浇，横梁也采用现浇结构，与拱式纵梁等高布置。面板采用技术成熟的迭合板，上设现浇层和磨耗层。纵梁、横梁、横向水平撑、面板之间整体连接，与桩基墩台之间现浇成整体，形成了整体性好、刚度大的上部结构。在拱圈梁下端设拉杆承担拱推力（图1）。

作用在拱式纵梁码头结构上的荷载通过桩基墩台传给基桩。基桩采用全直桩式的大直径钢管桩结构，桩的数量根据上部结构荷载作用下的桩基承载能力确定。墩台与横梁均现浇，考虑到拱式纵梁与墩台相交位置处的施工问题，墩台采用实体式。

2 拱式纵梁结构横向受力分析

该结构的设计目的在于停靠大型船舶，靠船构件直接设置在横梁上。作用在结构上的船舶撞击力由横梁和横向水平撑组成的横向联系承担，横梁与现浇桩基墩台一起设置在基桩之上；横向水平撑安放在腹杆的正上方。作为一个整体空间结构，拱式纵梁码头在承受由于船舶靠泊所产生的水平撞击力作用时，主要受排架及横向水平撑的横向刚度、纵向连接刚度、排架间距和排架数量等因素的影响。

排架的横向刚度与桩基布置及横梁刚度有关，纵向连接刚度则与纵梁的数量、尺寸及与横梁的连接情况、以及面板与横梁的连接情况等因素有关。与梁板式高桩码头中布置叉桩不同，该结构中基桩采用全直桩。横向排架为一个超静定结构，横向刚度大，水平位移就小，反之刚度小，水平位移就大。水平位移的大小又直接影响到力的传递情况，所以排架的横向刚度对水平力的分配有一定的影响。

排架间距增大，纵梁跨度也随之增大，线刚度减小，劲度系数和传递系数都产生变化，此时分配力矩、传递力矩就会变化，因此排架间距对分配系数有一定的影响。拱式纵梁码头水平力由整个码头段共同承担，排架数量多，承担水平力的排架就多，排架数量少，承担水平力的排架就少，排架数量也会对分配系数产生影响。

3 空间有限元计算模型

基于有限单元法理论，运用ANSYS结构分析平台建立拱式纵梁码头结构空间计算模型（图2）。基桩和纵横梁采用beam188单元进行分析。

图2 拱式纵梁码头结构空间模型（单跨）

根据桩基嵌固点的定义，等效桩长可表示为桩在泥面以上的自由高度与嵌固点深度之和。桩长根据JTJ167-4—2012《港口工程桩基规范》中的m法计算，即弹性长桩的受弯嵌固点以上为模型中桩长，嵌固点采用固端约束。

经研究发现，码头面竖向荷载的施加并不明显影响水平力在排架的横向受力特性[6]，因此在该模型中只考虑船舶水平撞击力和码头结构自重这两种荷载的作用效应组合。

4 工程实例分析

4.1 码头结构

依托工程为上海港某集装箱码头，设计船型为15万吨级集装箱船，船舶控制系泊风力为9级，风速22.6 m/s，设计流速1.80 m/s，系缆力标准值最大值为2 000 kN，撞击力标准值为2 574 kN。标准段码头一个结构段长度84 m，宽度42.5 m，设计高水位4.51 m，设计低水位0.53 m，码头顶面高程8.10 m，码头前沿设计水深18.0 m。码头前沿配备轨距35 m、起重量65 t、外伸距67 m的岸边集装箱装卸桥。

根据设计条件，该码头构件尺寸为：桩基墩台现浇，考虑施工水位的影响，选取拱式纵梁总高度5 m，桩基墩台的面高程为3.1 m。码头前沿至前轨为4 m，集装箱岸桥轨距为35m，后轨至码头后沿为3.5 m，码头宽度为42.5 m，在两个轨道下方分别设置拱式纵梁，即轨道梁，轨道梁之间再设置3个拱式纵梁，即普通纵梁，两纵梁之间的横向间距为8.75 m。

长度为84 m的结构段内设置4个排架，排架间距28 m（即拱的跨径28 m），拱的矢高3.5 m，矢跨比1/8，如图1所示。码头上部结构采用现浇混凝土横梁、预制钢筋混凝土拱式纵梁、叠合面板结构形式。横梁截面尺寸为5.0 m×1.0 m，上弦杆1.5 m×0.8 m，拱圈梁1.5 m×0.8 m，横向水平撑0.6 m×0.8 m，腹杆0.6 m×0.8 m。两拱式纵梁的横向间距为8.75 m，纵梁之间设置的横向水平撑间距为3.5 m，预制面板每块长4 m、宽3.2 m、厚度0.4 m、磨耗层厚度为0.05 m。

基桩采用直径为1 500 mm的钢管桩，打入深度与实际工程一致，轨道梁下的桩基墩台边长5.6 m，高1.5 m，墩台下布置3根钢管桩；普通纵梁的桩基墩台长5.6 m，宽3 m，高1.5 m，墩台下布置2根钢管桩。两种情况下桩的布置形式如图3所示。

图3 桩基布置形式（单位：m）

4.2 计算结果分析

计算时采用工程中的设计荷载。由于码头面的竖向荷载并不明显影响水平力在排架中的分配，因此在进行拱式纵梁结构横向承载性能分析时，只考虑船舶水平撞击力和码头结构自重这两种荷载的作用效应组合。主要考虑的荷载包括：恒载，即建筑物结构自重；船舶撞击力，标准值2 574 kN。经计算本文算例条件下嵌固点距离泥面深度10 m。

以4个连续排架为例，排架间纵梁的编号从端部左起依次为纵梁1、纵梁2、纵梁3，作用力位置取横梁处的靠船构件中点，依次记为排架1、排架2、排架3、排架4，排架、纵梁、墩台编号见图4。

图4 排架、纵梁、墩台位置示意图

船舶撞击力分别作用于不同位置时，对码头结构的横向承载特性进行研究。整体结构具有对称性，力分别作用于排架3、4等效于分别作用在排架2、1。将排架上各墩台处基桩嵌固点的反力值之和与施加的2 574 kN水平撞击力相除即可得到水平力的分配系数，见表1、表2。

表1 船舶撞击力作用于排架靠船构件时基桩内力及墩台位移

表2 船舶撞击力作用于排架时水平力分配系数

由于计算误差，作用于排架1时各横梁所受基桩反力和的计算值为2 577.20 kN，与水平撞击力2 574 kN基本一致，用于计算分配系数认为可行；作用于排架2时，各横梁所受基桩反力和的计算值为2 574.05 kN，与水平撞击力2 574 kN几乎一致，用于计算分配系数认为可行。

从上述分析结果可以看出，船舶撞击力作用于排架时，承受荷载处的排架承担的水平力分配系数较大，而其它排架承担的分配系数很小。这与结构的特殊性有关：结构中拱式纵梁纵向搁置在桩基墩台上，拱式纵梁认为是一简支结构，纵梁之间虽设置横向水平撑，但其刚度仍较小。可从拱式纵梁的纵向联接角度进行提高，以增强整个结构的刚度，从而提升整个结构的水平承载能力。

5 结语

由本文结合工程实例对该拱式纵梁结构在水平荷载作用下的横向承载能力进行的研究分析可见，横向荷载作用于排架时，由于结构的纵向联接问题，周边排架对作用点排架帮助很小，仅能承受10%左右的横向荷载。因此从结构角度来说，可适当增强纵向联接，如将纵梁与墩台、横梁固接，以增大横向刚度，提升整个结构的水平承载能力。在纵梁简支条件下，直接作用在码头排架上的横向荷载可认为直接由受力横梁承担，在结构计算过程中可以简化为平面问题计算，而不一定按空间问题计算。

[1]张志明.我国沿海深水港口建设技术进展和面临的重大技术问题[J].水运工程，2006（10）：31-37.

[2]翟秋，鲁子爱.一种拱式纵梁码头结构：中国专利，CN 202157300U[P].2012-03-07.

[3] ZHAI Q，LU Z A.Study on Structure of Arched Longitudinal Beams of Deep-water Wharf[J].China Ocean Engineering，2008，22（4）：705-711.

[4] 钟小帅，鲁子爱，沈锦林.水平力在高桩码头排架中的分配系数研究[J].水运工程，2011（7）：76-82.

[5] 陈明关.高桩码头横向分力在各排架的分配[J].水运工程，2010（12）：68-71.

[6] 赵冲久，熊洪峰，刘现鹏.船舶撞击力在高桩码头排架中的分配研究[J].水道港口，2010（4）：132-137.