门机水平力在高桩梁板码头计算中的取值分析

姚　迪（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430071）



门机水平力在高桩梁板码头计算中的取值分析

姚迪
（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430071）

门机水平力产生的原因比较复杂，其取值在现行设计规范中尚不明确，通过工程实例，分别建立空间模型和平面模型进行计算，分析比较不同方向、不同大小的门机水平力在不同模型中对码头结构内力的影响，为今后高桩梁板码头的设计提供参考，并建议提出相关课题进行深入研究。

高桩梁板码头；门机水平力；空间模型；平面模型

引　言

许多学者和设计人员已对船舶系缆力和撞击力做了相关研究，但是关于门机水平力的研究［1］较少，随着码头专业化程度提高、规模不断扩大，码头上使用的门机的轮压和水平力也越来越大，对码头结构内力起控制作用，如何把门机竖向和水平荷载较为精确地作用在码头排架上变得十分重要。

1　门机水平力产生原因及取值

1.1门机水平力产生原因

门座式起重机的水平荷载是起重机偏斜运行时车轮和轨道间的摩擦力或者是车轮轮缘与轨道接触而产生的垂直于轨道的水平力，造成门机发生偏斜运行的主要因素有以下几点：

1）由于电机转速的细微差别和减速器齿轮间的啮合间隙，车轮的磨损造成车轮直径的不同，使得两条轨道上的车轮在行走时速度不一样，造成起重机的偏斜运行。

2）门机在码头上进行作业沿轨道梁运行时，其吊臂在负重情况下会伸出门机的前后轨范围，使门机发生偏斜运行。

3）门机构件的总迎风面较大，风力较大时，会使门机发生偏斜运行。

1.2门机水平力取值

门机水平力的大小与门机的竖向轮压有关。98版规范中规定门座式起重机在风荷载作用下产生的水平荷载应通过计算确定，但是没有说明水平荷载的计算方法；新版《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）仅在附录C中规定垂直和平行于轨道方向的水平力标准值可按轮压标准值的 1/10估算。两版荷载规范对门机水平力的取值规定都较为含糊，且码头上的门座式起重机种类较多，若都参照新版规范按标准轮压的1/10取值，计算出的码头结构内力可能偏于保守。

图1　水平侧向荷载系数

《港口起重设计规范》中规定起重机运行时所产生的垂直于车轮轮缘或作用于水平向轮上的水平侧向荷载 Ps的近似计算公式为：Ps=λ∑P/2；λ为水平侧向荷载系数，与轨距L和基距B的比值有关，见图1；∑P为起重机产生侧向荷载一侧经常出现的最大运行轮压之和。在多轮的起重机中，用有效轴距代替起重机的基距B，有效轴距的确定原则为：一侧轨道上装有两个或4个车轮时，有效轴距取两端最外边车轮轴的间距；一侧轨道上的车轮不超过8个时，有效轴距取两端最外边两个车轮中心的间距；一侧轨道上的车轮超过8个车轮时，有效轴距取最外边三个车轮中心的间距；装有水平导向轮时，有效轴距取最外边两对导向轮的间距。

码头上门座式起重机一侧轨道上的车轮的数量基本会超过8个，由于高桩梁板码头平台的宽度有限，经统计，门座式起重机的轨距L和基距B的比值一般不超过2。由图1可知水平向侧向系数λ 为0.05，因此门机运行时其水平力的大小可按轮压标准值的2.5%取值。

基于以上门机水平力产生原因和取值分析，本文选取苏州港常熟港区某码头为工程实例，探讨门机水平力取值变化对高桩梁板码头结构计算模型的影响，并采用平面建模和空间三维建模的方式进行对比，为方便比较，规定门机水平力向港池侧为正、向岸侧为负，取值大小分别为无门机水平力、±10%轮压标准值、±2.5%轮压标准值，希望能够对门机水平力取值的方向和大小在今后的高桩梁板码头计算模型中的选取提供参考。

2　工程案例

2.1工程概况

选取的码头结构断面和桩位如图 2和图 3所示。此结构段平台长72m，宽30m，排架间距7m，桩基为Φ800 PHC桩，每榀排架设1对叉桩、2根斜桩和4根直桩，共8根。平台上部结构由横梁、纵向梁系、迭合面板和靠船构件组成，第1、4、7、11排架前方设有750 kN系船柱，每个排架前沿设置DA-B500H型橡胶护舷。

图2　码头结构断面示意

图3　码头平台桩位布置

2.2码头荷载条件

1）构件自重：码头上部各构件的自重荷载。

2）码头面均布荷载：30 kN/m2，门机工作情况下轨道1.5m范围内不考虑堆载。

3）起重运输机械荷载：45t-30m多用途门座起重机，轨距10.5m，基距10.5m，总轮数32，轮距0.765m，轮压280 kN；40t-25m岸桥：轨距10.5m，基距16m，总轮数32，轮距0.765m，轮压320 kN；考虑两台机械并机作业，最小并机距离为1.5m。

4）船舶系缆力750 kN，系缆力方向与码头水平面之间的夹角为15°，与码头前沿线夹角为30°，考虑相邻两个系船柱同时承受系缆力，系船柱分别布置在第1、4、7、11榀排架前沿。

2.3计算模型建立

参考新规范中建议高桩梁板式码头按空间结构计算［3］，使用ROBOT建立计算模型：1）以计算桩的内力为目的时，纵梁、横梁和桩采用梁单元进行建模，节点相交为固结方式，面板采用薄壳单元建模，设为有限单元类型，面板按实际构件考虑，考虑面板的重度和刚度，按有限元法划分网格并传递荷载；2）以计算横梁和纵梁的内力为目的时，忽略面板作用，面板采用虚板方式建模，设为没有有限单元类型，只考虑面板重度、不考虑面板的刚度，不划分有限元网格，只起到传递荷载的作用；3）采用偏移的方式将纵梁和横梁的中性轴、面板的中性面按实际高程考虑，达到各构件按实际高程的方式建模；4）桩端约束参照平面排架方式采用m法模拟桩入土段的嵌固模型。

同时为了比较门机水平力对码头排架的影响在空间计算与平面计算中的区别，使用易工水运工程结构软件建立平面计算模型。

基于以上门机水平力取值、方向分析和建模方式，门机水平力分别采用±10%轮压标准值、±2.5%轮压标准值、无门机水平力的方式，进行平面模型和空间模型计算桩基以及横梁的内力，其中空间模型计算桩基内力时考虑面板作用，计算横梁内力时忽略面板作用，且已有相关研究得出空间模型忽略面板作用计算的横梁内力偏大［4］，对工程设计偏安全，本文不再比较是否考虑面板作用对横梁内力的影响。

2.4计算结果与对比分析

1）计算结果

计算工况主要为3种，主导荷载分别为均布荷载、起重运输机械荷载和系缆力，各模型计算的桩基和横梁内力极值见表1和表2。

表1　空间结构计算模型桩基和横梁内力值

表2　平面计算模型桩基和横梁内力值

2）桩基内力对比分析

从两种计算模型的最大桩力值变化趋势可以看出，门机水平力为+10%轮压时最大、+2.5%轮压时次大、无门机水平力时居中、-2.5%轮压时次小、-10%轮压时最小。因为本工程计算模型中的水平荷载仅考虑系缆力和门机水平力，门机水平力的方向与系缆力方向相同，同向增加的水平力荷载会使桩基轴力变大，门机水平力的方向与系缆力方向相反，异向增加的水平荷载会使桩基轴力变小。

平面模型的最大桩力值的变化幅度比空间模型大：空间梁板模型计算桩基内力时考虑了面板作用，即考虑了面板的刚度，将面板与纵横梁系连成整体，可以将增加的门机水平力分配到码头整体结构内，整个模型的桩基轴力变化较小；平面模型中增加的门机水平力直接通过横梁传递到单个排架的桩基上，对桩基轴力变化的影响较大。

3）横梁内力对比分析

从表1可以看出采用空间模型计算时，门机水平力的方向及大小变化对横梁的内力值没有影响。因为空间梁板模型计算横梁内力时忽略了面板作用，不考虑面板的刚度，没有将面板与纵横梁系连成整体，对码头结构整体内力的分配影响较小，门机水平力作为水平荷载直接作用在轨道梁上，传递到其它构件上的荷载较小，所以门机水平力的变化对横梁内力值基本没有影响。

从表2可以看出采用平面模型计算时，门机水平力的方向及大小变化对横梁的正弯矩和剪力影响较小，对横梁的负弯矩影响较大：当门机水平力为+10%轮压时，横梁负弯矩最大值比无门机水平力时增加了45%左右；当门机水平力为±2.5%轮压时，横梁负弯矩最大值变化在±10%左右。因为平面模型中，门机荷载直接作用在横梁上，增加的门机水平力会使横梁构件发生上拱，特别是排架中存在叉桩，门机水平力越大时，叉桩间的横梁上拱作用更加明显，使得横梁的负弯矩增加较大。

3　结　论

1）门机水平力产生的主要原因是门机发生了偏斜运行，但是门机发生偏斜运行的原因比较复杂，门机水平力的大小难以确定，建议通过进行原型观测等课题的研究方式，对门机水平力的取值做出明确规定。

2）现行新规范中规定可按轮压标准值的 1/10估算，对工程设计偏安全，可作为目前码头工程的设计依据。

3）门机水平力的变化对空间梁板模型中的桩基和横梁内力影响较小，符合新规范中高桩梁板式码头按空间结构计算桩基内力时考虑面板作用和计算横梁内力时忽略面板作用的规定。

4）门机水平力的变化对平面模型的桩基内力和横梁的负弯矩影响较大，特别是使用 98版规范设计的老码头，现对其进行技术改造，使用新规范对原结构进行复核时，门机水平力若按轮压标准值的1/10取值，经常会出现原码头的结构内力不满足新规范要求的现象，建议针对老码头结构技术改造工程项目，可参考《港口起重设计规范》中对起重机运行时产生水平侧向荷载的规定进行取值，从而进行优化设计。

5）门机水平力的变化，对不同模型、不同桩基布置型式码头结构内力的计算结果相差较大，如何能更加准确的分析门机水平力的方向和取值变化对高桩梁板码头结构内力的影响，需待进一步研究。

［1］吴志良.高桩梁板码头按平面横向排架计算时门机荷载作用取值［J］.水运工程，2007（4）：35-42.

［2］JTS167-1-2010 高桩码头设计与施工规范［S］.

［3］杨锡鎏，陈振民.高桩梁板式码头空间结构计算中忽略面板作用的方法［J］.水运工程，2012（9）：93-99.

Value Analysis of Carne's Horizontal Force in Calculation of Beam-slab Wharf Supported on Piles

Yao Di
（CCCC Second Harbor Consultants Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430071，China）

The cause for crane's horizontal force is more complex，and its value is not definitely stipulated in current design standard.A project is based on to build a space model and a plane model respectively in order to calculate and analyze the impact of crane's horizontal force on internal force of the wharf structure under the condition of different directions，different values and different models.The analysis results serve as a reference for the design of beam-slab wharf supported on piles in the future.It is also suggested to carry out relevant subject study.

beam-slab wharf supported on piles； crane's horizontal force； space model； plane model

U656.1+13

A

1004-9592（2016）04-0044-04

10.16403/j.cnki.ggjs20160411

2016-03-08

姚迪（1982-），男，工程师，主要从事水工结构设计工作。