遮帘式板桩码头前轨道梁的优化设计探讨

赵雁飞，张立国，杨攀博

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

遮帘式板桩码头前轨道梁的优化设计探讨

赵雁飞，张立国，杨攀博

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

本文结合唐山港曹妃甸港区煤码头三期工程装船机轨道梁的设计过程，探讨码头轨道梁设计的创新方案。在遮帘桩导梁上设置支墩，通过缩短支墩间距减小前轨道梁断面和配筋，并改善配筋方式，取得了较好的经济效果，可为类似工程的设计提供借鉴。

遮帘式板桩码头；轨道梁；优化设计

引 言

现浇弹性地基梁是目前国内码头常用的轨道梁结构型式之一，其施工简单，工期短，但这种结构型式通长需要较大的接地宽度来减小地基应力，这就导致弹性地基轨道梁断面往往都比较大，造价也较高，本文结合唐山港曹妃甸港区煤码头三期工程装船机轨道梁的设计，探讨遮帘式板桩码头前轨道梁设计的优化方案，取得了较好的经济效果。

1 工程概述

唐山港曹妃甸港区煤码头三期工程位于曹妃甸一港池西岸侧，南端与已建的曹妃甸煤码头二期工程相邻，北端与曹妃甸港区通用散货泊位工程相接。共建设1个5万t级泊位、2个7万t级泊位及2个10万t级泊位，堆场位于码头后方。本工程设计吞吐量为5 000万t/a。码头采用顺岸连续布置型式，码头长度为1 417.5 m，码头结构均按10万t级设计。码头面高程为4.5 m，前沿设计底高程-15.5 m，为遮帘式板桩结构。

2 优化设计过程及方案

2.1 主要设计工艺荷载

轨道梁设计荷载主要为装船机荷载，其主要技术参数及荷载如下：

1）工作状态荷载

装船机轨距22.0 m，基距16.0 m，主机共4个支腿，海侧每个支腿10个轮子，陆侧每个支腿8个轮子，尾车共4个支腿，每个支腿3个轮子，以海侧轨道为例，轮系布置如图1所示，主机最大工作轮压为 348.9 kN/轮，两机间最小中心间距不小于50 m。

图1 装船机海侧轨道轮系布置示意

2）非工作状态荷载

装船机非工作状态荷载只在非工作状态停机位置及阵风锚碇处产生。装船机顶升荷载：装船机共设4个顶升角，每个角设2个顶升点，每个顶升点向下的垂直力标准值为1 200 kN。装船机锚定荷载：装船机在前、后轨各设2个锚碇点，每个锚碇点的水平力标准值为600 kN。装船机防风荷载：装船机共设4个防风系缆点，每个防风系缆点的拉力标准值为300 kN。装船机车挡荷载：装船机对单车挡产生的水平撞击力标准值不大于450 kN，对双车挡不大于 225 kN，撞击点到码头面的垂直距离为0.725 m。非工作状态主机最大轮压为398.7 kN/轮。

2.2 初步设计阶段方案

初步设计阶段码头对比了3种结构型式，推荐采用遮帘式地连墙板桩结构方案。前地连墙厚1.1 m，底高程-31.0 m，墙顶高程为0.0 m。在前地连墙后打设一排遮帘桩，其上浇筑导梁。遮帘桩尺寸为1.0 m×2.0 m，桩底高程为-35.0 m，桩顶高程为0.0 m，前墙与遮帘桩净距3.5 m，遮帘桩沿码头纵向中心距2.4 m，地连墙和遮帘桩间采用钢拉杆相连，遮帘桩和锚碇墙之间设置钢拉杆，锚碇墙上浇筑导梁。在前地连墙极端低水位处设置排水孔，并在墙后回填碎石倒滤层。码头结构断面如图2所示。

图2 初步设计阶段码头结构断面

前轨道梁距码头前沿线6.5 m，采用碎石基床上现浇弹性地基梁结构型式，前轨道梁倒T形底宽2.0 m，高1.5 m。后轨道梁采用Φ1 200灌注桩为基础，灌注桩间距4.8 m，后轨道梁尺寸为1.2 m×1.6 m（宽×高，下同）。初步设计阶段，前轨道梁标准段最大弯矩设计值为3 580 kN·m，后轨道梁标准段最大弯矩设计值为2 071 kN·m。

现浇弹性地基梁的优点在于其施工工序简单，工期很短，但由于本工程前轨道梁下设有拉杆，不能强夯，地基承载力较低，因而前轨道梁需要很大的接地宽度，这就导致前轨道梁断面非常大，造价也很高，但即使如此仍避免不了后期沉降，维护工作量也很大。针对这种情况，施工图设计阶段结合遮帘桩导梁对前轨道梁断面进行了优化。

2.3 施工图设计阶段方案优化

2.3.1 第一阶段优化

前轨道梁距离码头前沿 6.5 m，遮帘桩导梁中心距码头前沿6.0 m，施工图阶段将遮帘桩导梁中心调整到与前轨道梁一致，并在遮帘桩导梁上设置支墩，从而使前轨道梁受力模式变为多跨连续梁。最初设计方案，支墩间距与后轨道梁桩距相同，均为4.8 m，尺寸为0.8 m×0.8 m，高1.4 m，前后轨道梁标准段尺寸均为1.0 m×1.6 m，码头结构断面如图3所示。部分轨道梁结构段需设置装船机检修和防风抗台装置预埋件，断面加宽为2.4 m×1.6 m，其下支墩尺寸为1.7 m×1.7 m。

图3 第一阶段优化后码头结构断面

轨道梁受力按多跨连续梁进行计算，优化后前轨道梁主要内力计算结果见表1。

表1 第一阶段优化后主要内力计算结果

优化后前轨道梁标准段断面面积由2.0 m2缩小至1.49 m2，混凝土用量节省约26 %。此时前后轨道梁断面一致，跨度也一致，均为4.8 m。

2.3.2 第二阶段优化

在第一阶段优化的基础上，我们结合码头结构的实际情况，充分利用遮帘桩的竖向支撑作用，提出了将前轨道梁遮帘桩导梁上支墩间距由4.8 m减小为2.4 m，与遮帘桩间距相同。由于跨度大幅减小，前轨道梁断面标准段尺寸减小为1.0 m×1.3 m，加宽段减小为2.4 m×1.3 m。再次优化后前轨道梁主要内力计算结果见表2。

表2 第二阶段优化后主要内力计算结果

优化后，前轨道梁断面面积为1.24 m2，相比首次优化后的断面混凝土用量节省约17 %，配筋用量节省约65 %。虽然支墩个数增加为之前的2倍，但由于支座反力减小，支墩断面也相应缩小。标准段支墩尺寸优化为0.8 m×0.6 m，加宽段支墩尺寸优化为2.0 m×0.6 m，支墩混凝土总用量并未增加。

图4 前轨道梁标准段优化前后断面及配筋

优化后前轨道梁计算跨度与截面高度的比值符合l0/h≤2.5，按深梁进行配筋，中间支座截面的纵向受拉钢筋的高度范围和配筋比例参照《水运工程混凝土结构设计规范》均匀布置在相应高度范围内。图4显示了优化前后前轨道梁标准段断面及配筋。加宽段优化后的断面及配筋方式与标准段类似，但受力钢筋直径要更小一些。可以看出在满足轨道梁承载能力要求的前提下，优化后的断面与优化前相比断面变小，受力钢筋直径变小，钢筋分布更均匀，这种配筋方式对于减少混凝土劈裂，缩小裂缝宽度也更加有利。

3 结 论

1）本工程装船机前轨道梁通过在遮帘桩导梁上设置支墩，并大幅度缩短支墩间距从而减小轨道梁断面和配筋，优化后的设计方案较传统弹性地基梁设计方案相比，在达到相同功能的前提下，混凝土用量减少约35 %，大幅降低了工程费用。

2）本次前轨道梁优化设计突破了常规码头门机轨道梁设计的跨度范围，创新采用了2.4 m的小跨度连续梁结构，有效降低了截面内力。

3）本工程码头结构为10万t级，轨道梁受力筋创新采用18mm、16mm、14mm等小直径钢筋，细而密的配筋模式使得应力在截面上更均匀，减少了混凝土劈裂的可能性，也更有利于裂缝宽度的控制。

4）此种轨道梁处理方式在适用性上有一定的限制，本工程码头为遮帘式板桩结构，遮帘桩为前轨道梁提供了有力的竖向支撑，在其他可提供连续竖向支撑的码头结构如重力式沉箱码头等的轨道梁设计中，这种优化设计方式也是很值得推广应用的。

［1］张春山.码头门机轨道梁基础处理方法比较［J］.水运工程，2006，386（3）：69-71.

［2］卢少彦，王婷婷，沈迪洲.某港门机后轨道梁的优化设计探讨［J］.中国港湾建设，2013，185（2）：38-40.

［3］JTS 144-1-2010港口工程荷载规范［S］.北京：人民交通出版社，2010.

［4］JTS 151-2011水运工程混凝土结构设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［5］JTS 167-3-2009板桩码头设计与施工规范［S］.北京：人民交通出版社，2009.

Optimum Design of Front Rail Bearer on Curtained Sheet Pile Wharf

Zhao Yanfei，Zhang Liguo，Yang Panbo
（CCCC First Harbor Consultants Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China）

Based on Tangshan port Caofeidian harbor coal terminal phase-3 project，the design process of ship-loader’s rail bearer has been researched to discuss an innovative design option of the rail bearer on wharf structure.Better economic effect is achieved by setting supporting piers on the leading girder of curtained sheet pile，reducing the distance between two piers that minimizes the section and reinforcement of the front rail bearer，and improving the way of reinforcement.The research results will provide a reference for similar projects.

curtained sheet pile wharf； rail bearer； optimimum design

U656.1+12

A

1004-9592（2016）05-0057-03

10.16403/j.cnki.ggjs20160514

2016-06-15

赵雁飞（1985-），女，工程师，主要从事港口工程水工结构设计。