内河框架墩式码头结构优化研究

谭文波，刘明维，李辉

（重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心，水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074）

0 引言

我国西南地区河流众多，水资源极其丰富，水位落差大。目前适用于内河大水位差码头的结构形式主要有：斜坡码头、桥吊码头、架空直立式码头、墩式码头以及分级直立式码头。其中框架墩式码头具有结构简单，施工速度快，工程造价较低等优点，在内河码头建设中得到了广泛的应用。目前框架墩式码头多应用于裸岩地基，采用全直桩、多层框架墩式结构。

由于山区河流地形地质复杂，码头受力状态复杂多变，对内河框架墩式码头的安全性造成了不利影响。船舶撞击为主的水平荷载作用大且复杂，龙丽吉等[1]研究分析了船舶速度对墩式结构动力响应的影响，且实践表明，对于大水位差框架墩式码头，船舶撞击力通常是决定墩式结构安全性的关键因素。刘明维等[2]研究了框架墩式码头结构的受力性能，得出高水位水流力对框架墩式码头结构的稳定性影响十分明显的结论，且三维有限元法可以计算各种工况下结构的受力及变形。水平荷载往往是导致码头失稳的关键因素，海港高桩码头中常采用叉桩来约束码头水平方向的位移，取得了较好的效果。

参考海港高桩码头中叉桩的应用，结合山区河流的特点，在内河码头后方岸坡较陡的地形地质条件下，提出了增设斜桩的内河框架墩式码头结构新形式，用以改善码头结构水平方向的受力状态。

本文以某内河框架墩式码头为背景，通过Midas建立三维有限元模型，在以高水位撞击力为主的荷载工况下，分析了传统和增设斜桩两种内河框架墩式码头结构主要构件的受力及变形，同时与增设斜桩后结构优化的码头在相同荷载工况下的受力和变形进行了对比分析，为类似码头结构设计提供参考。

1 工程实例

重庆某5 000吨级件杂货框架墩式码头，1个泊位设有2个系船墩和2个工作墩，分层系缆。码头设计高水位181.50m，设计低水位158.02m，设计河底高程154.00m。河床呈U字形，河槽较窄，岸坡陡峭，坡顶台地较高，基岩质河床。5根基础桩采用C30钢筋混凝土嵌岩钻孔桩，立柱、横撑、系靠船梁和上下方承台采用现浇C30钢筋混凝土，4根立柱通过垂直间距为4.05～4.7m的横撑、系靠船梁连接，构成整体框架。

码头各主要构件的尺寸如表1，结构断面形式如图1。

表1 主要构件尺寸Table 1 Size ofmain com ponents

图1 某内河框架墩式码头断面图Fig.1 Cross-section of an inland river framework pier wharf

2 增设斜桩的框架墩式码头

针对U字形河床且岸坡较陡的地形地质条件，考虑增设斜桩以分担码头的水平荷载，从而改善码头结构受力，优化码头结构尺寸，以达到减小水平位移和节约投资的目的。

2根斜桩采用直径为1m，长度为8m的C30钢筋混凝土嵌岩桩，且斜桩与竖直方向成30°夹角。码头断面形式如图2。

图2 增设斜桩的某内河框架墩式码头断面图Fig.2 Cross-section of an inland river framework pier wharfw ith inclined piles

3 有限元模型

采用Midas结构有限元分析软件，取一个工作墩作为研究对象，承台为实体单元，竖向嵌岩桩、斜桩、横撑、系靠船梁和靠船立柱等采用梁单元建模[3-4]。混凝土弹性模量取为3×107kN/m2，泊松比为0.2，重度取25 kN/m3，桩基采用一般固定支撑。传统框架墩式码头空间模型共划分节点6 319个，单元4 975个。增设斜桩的框架墩式码头空间模型共划分节点6 321个，单元4 977个。

4 荷载条件及作用效应组合

结构所承受的荷载包括永久荷载和可变荷载，永久荷载包括结构自重和固定起重机自重；可变荷载包括风荷载、水流力、系缆力、起重机荷载、堆货荷载和撞击力等。

4.1 永久作用

1）结构自重，在模型中设置参数自动施加。

2）固定吊自重，其值为2 300 kN。

4.2 可变作用

1） 撞击力为930 kN。

2） 系缆力460 kN。

3） 水流荷载，水流流速按v=3.0 m/s考虑，根据《港口工程荷载规范》[5]计算各构件所受的水流力，按均布荷载分布在构件上。

4.3 荷载工况组合

以撞击力为主和以水流力为主的荷载工况组合如下[5]：

Sd1=1.0×[1.2×（结构自重+固定吊自重）+1.5×

撞击力+0.7×（1.5×水流力）]

Sd2=1.0×[1.2×（结构自重+固定吊自重）+1.5×

水流力+0.7×（1.5×撞击力）]

本文考虑以撞击力为主的Sd1荷载工况组合。

4.4 计算结果及分析

为了分析框架墩式码头结构的变位值，取码头上方承台4个顶角上的节点为关键节点，逆时针编号 1～4。

结构在水平方向X轴的变位值如图3，4个节点的变位值对比如图4。

图3 结构变位值Fig.3 Structure displacementvalues

图4 码头上方承台顶端节点变位值对比图Fig.4 Com parison of the top node displacementvalueof pile capsabove thewharf

由图4可以看出，增设斜桩后，码头水平方向的最大变位值由20.9 mm减小为7.2 mm，其余构件的变位值也有大幅度减小，增设斜桩后的码头结构水平方向整体变位值减小。

对于增设斜桩的框架墩式码头新型结构，竖向嵌岩桩、斜桩、横撑和立柱的内力值起关键作用，主要构件最大内力值如表2。

表2 主要构件内力最大值Table 2 M aximum internal force ofmain com ponents

由表2的结果可以看出，增设斜桩的新结构形式能够有效地改善结构受力，与传统结构形式相比，竖向嵌岩桩的最大弯矩减小了42.5%，最大轴力减小了41.1%，嵌岩桩的最大剪力减小了32.3%。立柱与横撑的最大弯矩、最大剪力和最大轴力也略有减小。

5 增设斜桩后的码头结构优化

增设斜桩的新型码头结构，虽然受力状态得到了较大的改善，但是增大了投资，没有充分发挥材料本身的功能，需要对增设斜桩的结构进行进一步优化。对增设斜桩的新型结构进行优化时，一般考虑去除结构不必要的构件以及更改结构尺寸。框架墩式码头结构对称，施工简单，本文考虑减小码头结构尺寸并去除基础中间嵌岩桩的优化设计。

竖向嵌岩桩直径由2m减小到1.5m，横撑和立柱截面由长×宽=1.5 m×1.5 m减小到1.2 m×1.2 m，系靠船梁截面由长×宽=1.5 m×1.2 m减小到1.2 m×1.2 m，去除中间嵌岩桩。用Midas空间建立模型，在与上文相同的荷载组合工况下，结构在X轴坐标系中的变位值如图3（c），主要构件内力最大值见表2。

从图4可以看出，增设斜桩后优化的结构形式最大变位值为15.8 mm，较增设斜桩的结构形式最大变位值7.2mm有所增加，但仍然比传统结构最大变位值20.9 mm小。从图4和表2可以看出，增设斜桩后优化的结构形式与增设斜桩的结构形式相比，增设斜桩后优化的结构形式最大弯矩、最大剪力、最大轴力略有浮动。经过验算，在承载能力极限状态和正常使用极限状态下，上述混凝土框架结构能够承受码头荷载工况下的最大内力，构件的强度满足要求。

6 经济比较

对增设斜桩的结构进行优化后，码头结构尺寸减小，构件数量减少。对一个工作墩做概预算比较如表3。

表3 概预算比较Table 3 Budget com parison

从表3可以看出，增设斜桩后优化的结构形式与传统结构形式相比节约投资约21.0%。

7 结语

通过增设斜桩的框架墩式码头与传统框架墩式码头的变位值和部分主要构件的内力值进行比较，以及与增设斜桩后优化的结构变位值与主要构件内力值进行比较，可以得出以下结论：

1）相比于传统框架墩式码头，增设斜桩后的码头能有效减小结构水平方向位移，提高结构自身整体稳定性，优化码头受力状态。

2）增设斜桩后优化的结构形式与增设斜桩的结构形式相比，优化的结构形式保留了增设斜桩结构抗水平荷载效果好的优点，由于尺寸减小以及部分构件的去除，使增设斜桩后优化的新型结构不仅对水流的阻流作用减小，还节约了工程投资。因此，在地形地质条件允许的情况下，建议优先选择增设斜桩后优化的结构形式。

[1]龙丽吉，左旋峰，何光春.大水位差框架墩式码头动力仿真分析[J].水运工程，2012（9）：40-44.LONG Li-ji,ZUO Xuan-feng,HEGuang-chun.Dynamic simulation for fame-pier in riverwith large fluctuation[J].Port&Waterway Engineering,2012(9):40-44.

[2] 刘明维，杨浩，江德飞，等.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.LIU Ming-wei,YANG Hao,JIANG De-fei,et al.Finite element analysisofmechanicalbehaviorof framework pierwharfstruture[J].Port&Waterway Engineering,2010(9):51-56.

[3] 周世良，吴飞桥，左良栋，等.三峡库区架空墩式散货码头结构承载性能研究[J].水运工程，2010（2）：99-103.ZHOU Shi-liang,WU Fei-qiao,ZUO Liang-dong,etal.Study on bearing capability of over-head pier bulk wharf in the Three Gorges reservoir district[J].Port&Waterway Engineering,2010(2):99-103.

[4] 周世良，吴飞桥，王全，等.三峡库区架空墩式散货码头结构模态分析[J].港工技术，2010（3）：25-27.ZHOU Shi-liang,WU Fei-qiao,WANGQuan,etal.Modal Analysison over-head pier bulk wharf in the Three Gorges reservoir district[J].PortEngineering Technology,2010(3):25-27.

[5] JTJ215—98，港口工程荷载规范[S].JTJ215—98,Code for portengineering load[S].