钢管桁架-沉箱复合式码头在大水位差山区河流码头中的应用

谢勤

摘 要：针对斜坡式码头装卸效率低，传统重力式码头又不适宜在大水位差山区河流中使用的背景，本文参考有关专家学者提出的将沿海深水管桩码头与传统重力式码头相结合，即钢管桁架-沉箱复合式码头。为验证该类型码头在大水位差山区河流中使用的可能性，本文以重庆市江北区经济开发区某实例码头为研究对象，建立三维有限元数值分析模型，分析了码头受力特性。研究结果显示，码头上部钢管桁架受力、位移特征值均满足规范要求；下部基础的抗滑、抗倾稳定性均符合规范要求；基床顶面的最大应力也远小于工程区域地基实际承载能力，可见钢管桁架—沉箱基础装配式新型码头结构设计合理，能够很好的适应大水位差山区河流。

关键词：航运工程 复合式码头 大水位差山区河流 受力特性

1.前言

长江上游属于山区性河流，河流流速快，水位变幅迅速，年内水位差变化大。随着三峡大坝175m蓄水运营，变动回去区末端最远可达到重庆江津的猪尾巴碛，整个重庆主城区都成为变动回水区，河段具有山区河流和库区河流的双重特性，年内水位差最高可达30m。为保证码头的正常运营，目前通常采用斜坡式码头。

由于斜坡式码头装卸效率较低，目前已建的斜坡式码头往往不能满足设计吞吐需求。因此，有关专家和学者考虑将沿海深水管桩码头引用至山区内河河流中来，并发挥常规重力式码头结构刚度大、整体稳定性好的优点，与常规的重力式沉箱码头类型相组合，即钢管桁架-沉箱复合式码头。由于该类码头沿江应用较少，还未有大规模的工程实践，因此本文以重庆市江北区经济开发区某实例码头为研究对象，建立三维有限元数值分析模型，对其结构、荷载以及抗滑抗倾稳定性进行详细分析。

2.工程概况

考虑到三峡水位差往往达到30m，因此本文设计两个前沿沉箱基础以及6个钢管桁架模块。其中，沉箱基础1顶高程为182m，沉箱基础2顶高程为184.5m，码头面层高程为206.5m。由于船舶将直接停靠在临水侧的钢管桁架上，不另外设置靠船构件。沉箱结构和钢管桁架结构分别见图1与图2。

3.有限元模型建立

采用ANSYS三维有限元计算软件进行模拟计算分析。根据实例工程的特性及相关参数，网格选择矩形网格，网格间距设置为5～20m，整个模型共有12856个节点与8266个网格（图3）。

根据实例工程的建设情况，钢材的密度取7600kg/m3，混凝土密度为2500kg /m3，钢材的弹模为2.0×108kPa，泊松比为0.30。

同时，根据设计文件及实际计算，船舶系缆力取700kN，角度与水平线呈15°；船舶撞击荷载取600 kN；竖向机械荷载压载取200 kN/m。

4 数值计算及计算结果分析

4.1钢管桁架位移计算

在最不利工况组合下，钢管桁架所受应力及总位移见图4。分析可知：

（1）横杆最大应力为1379.5kN，最小应力为—1696.1kN，最大、最小应力比为10：1；竖杆最大应力为531.6kN，最小应力为-2525.1kN，最大、最小应力比为7.1：1；斜杆最大应力为1170.6kN，最小应力为-2138.4kN，最大、最小应力比为4.3：1。

（2）在最不利工况下，横杆、竖杆、斜杆的等效应力分别为82.5kPa、71.2 kPa以及30.1 kPa，均远小于Q235钢材的抗拉、抗弯、抗剪强度设计值330 kPa，符合规范要求。

（3）最大位移出现在码头面层中心区域。最大位移为8.55mm，整个钢管桁架平均位移为2.75mm。根据相关规范可知，最大位移不应大于L/600，其中L为计算跨度，取60m。可见最大位移远小于100mm的位移距离要求。

（4）经分析，钢管桁架的受力、位移特征值均满足规范要求，设计合理。

4.2重力式基础计算

根据本工程实际条件，借助易工软件对沉箱基础结构受力以及抗滑、抗倾覆情况进行计算，计算结果见表1。分析可知：

（1）两个沉箱基础的抗滑、抗倾验算均满足规范要求，设计合理。

（2）基床顶面的最大应力为485.6 kPa，根据测量资料，工程区域地基承载力极限值为1529.6 kPa，可见工程区域地基能够承受基床顶面的应力，设计合理。

5.结论

本文从钢管桁架—沉箱基础装配式新型码头結构能否满足安全使用要求的角度出发，：博上部钢管桁架结构与下部重力式沉箱基础分开计算，计算结果显示，上部钢管桁架受力、位移特征值均满足规范要求；下部基础的抗滑、抗倾稳定性均符合规范要求；基床顶面的最大应力也远小于工程区域地基实际承载能力，可见钢管桁架—沉箱基础装配式新型码头结构设计合理，能够很好的适应大水位差山区河流。

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