浅谈非标准底座系船柱在码头改造中的应用

金泰赛

摘 要：以广州南沙海事工作船码头改造项目为依托，基于《码头附属设施技术规范》（JTJ297-2001）的规定和弹性地基板理论进行假设，采用midas-civil有限元软件模拟非标准底座系船柱在系缆力作用下锚栓和基础块体的受力情况，通过与常规改造方案对比，提出更经济合理的方案，供类似工程设计参考和借鉴。

关键词：码头改造 系船柱 弹性理论 有限元

港口作为国家经济的命脉，是交通运输网络的枢纽，近年来，随着船舶的大型化，沿海很多码头已不能满足运输生产的需要，迫需对原码头进行升级改造或者拆除重建。广州南沙海事工作船码头于2013年建成投入使用，码头结构新，施工质量好，但原设计靠泊船型较小，码头设备不能满足大型海巡船靠泊要求，需对原码头系船柱进行技术改造，本文主要结合工程实例，浅谈对系船柱改造的心得。

1.项目概况

广州南沙海事工作船码头， 位于广州番禺东南部广深珠高速公路交汇地南沙，处于珠江干流之上广东省的中部，虎门水道西侧。码头结构长194m，共分为3个结构段，单个结构长约65m。码头选用φ700mmPHC管桩，共9个排架，排架间距为7m，桩间距为4 m，原系船柱规格为250kN，间距21m布置。原設计靠泊船型为海标32船、 60米级海巡船和海巡1515船，共3个泊位，随着海洋执法船的大型化，今应靠泊船型的改变，需对码头进行改造设计，改造设计船型为海巡31船，型长112.6m，型宽13.8m，型深6.5m，满足吃水4.6m。

2.改造内容及方案

2.1改造内容

改造设计船型海巡31船满载排水量为3000吨，码头原设计最大船型海标32船满载排水量为1000吨，由于船舶吨位增加，需对原码头附属设施、梁板结构、桩基础等需进行复核验算，并提出技术改造方案。

经核算，码头主体桩基、梁板等结构均能适应海巡31船的靠泊需求；船舶荷载按《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）有关公式计算，取设计风速V=22m/s，流速V=1.51m/ s，计算得海巡31船的船舶系缆力计算值300.82kN，应选用350kN系船柱作为系缆设备。故需对海巡31船泊位长度142.7m范围内的系船柱进行升级改造，由原250kN升级到350kN。

2.2改造方案

采购标准规格的系船柱更换是常规的改造方案，本工程上横梁宽900mm，标准350kN系船柱底座尺度900mm×900mm，采用植入锚栓的后锚固方法不能满足《混凝土结构后锚固技术规程》（JGJ145-2013）的最小边距的要求，所以必须拆除码头部分面板，然后对系船柱安装位置处的上横梁进行局部加宽，通过植入化学锚栓+预埋锚栓形式进行安装，如采用此方案不仅达不到投资方的工期目标，且码头结构破损范围大，后期修复量大，工程投资高。

结合工程实际情况考虑，基于减少改造对原码头结构破损的原则，拟在原有250kN系船柱的基础上安装定制的350kN非标准底座系船柱，由于250kN系船柱和350kN系船柱均采用相同规格的φ30mm锚栓，故仅需拆除原有250kN系船柱柱体，保留原系船柱基础块体和原锚栓，对原码头结构几乎没有破损，较常规的改造方案具有改造工程量小，施工速度快，工程投资少等多方面优点。考虑到系缆力增大，而定制的350kN系船柱底座尺度与原250kN系船柱的一致（700mm×700mm），其抗力力臂小，故增设4根锚栓，确保锚栓抗拉能力满足要求，采用植入化学锚栓方式安装。

3.有限元建模计算

标准规格的系船柱均按照《系船柱通用图》制作，其构件均按照《系船柱构件通用设计编制说明》（水运规划设计院技术管理室）的公式进行计算。

本工程采用定制的350kN非标准底座系船柱安装，其底座尺度与原250kN的一致（700mm×700mm），仅在原基础块体上增加4根锚栓，单个系船柱锚栓总数为11根，《系船柱构件通用设计编制说明》中没有合适的计算公式可供参考。根据《码头附属设施技术规范》（JTJ297-2001）的规定，锚栓最大拉力值应按底盘混凝土基础受拉区锚栓承受全部拉力，受压区混凝土承受全部压力的原则进行计算。基于上述规范要求和弹性地基板理论可以假设：

①系船柱基础块体仅受压，混凝土基础块体对系船柱钢底座的支承为面弹性支承。

②系船柱锚栓仅受拉，按弹性连接考虑。

根据上述假设建立midas-civil有限元模型，系船柱柱体用实体单元模拟，由板单元扩展为实体单元，非标准底座采用板单元模拟，柱体的实体单元与底座的板单元节点必须对应连接，系船柱柱体顶部各实体单元节点采用刚性连接，可保证施加系缆力荷载后，各实体单位不产生局部压缩变形。各材料参数如表1。

依据材料参数得地基弹性模量3×107k N/m2，弹性连接刚度141372kN/m，在midas-civil软件中设置面弹性支承的边界条件时要注意，输入材料参数后需选择“仅受压”，同样设置弹性连接的边界条件时要注意，输入材料参数后需选择“仅受拉”，这样才能保证基础块体在系缆力作用下仅受压力，而锚栓仅受拉力。与上述规范要求和假设成立，计算结果有效可信。

根据船舶实际系带缆情况，分别施加3个角度的系缆力进行计算，计算结果如表2所示。

根据《水运工程混凝土结构设计规范》（JTS151-2011）和《码头附属设施技术规范》（JTJ297-2001）的相关规定和公式计算得混凝土基础块体允许压应力和系船柱锚栓允许拉力。公式如下：

式中：Am—单根锚杆的螺纹部分横截面面积（mm2）；

fL—锚杆材料抗拉强度设计值（N/mm2）；

Rmax—单根锚杆的最大拉力设计值；

从表3验算结果可知，在原250kN系船柱基础块体上安装定制的350kN非标准底座系船柱可满足受力要求。

4.结语

本文通过结合广州南沙海事码头改造工程的实例，基于《码头附属设施技术规范》（JTJ297-2001）的规定和弹性地基板理论进行假设，采用midas-civil有限元软件计算系船柱锚栓和基础块体受力，选用最节省，最方便，施工速度最快的方案对系船柱进行了升级改造，使能满足海巡31船系靠作业要求。目前本工程已经完成升级改造，所采取的改造方案已在工程实施中得到验证，不仅达到了短时间内完成改造的目标，同时为投资方大大节省了工程投资。本次升级改造所采用的非标准底座系船柱方案和有限元建模计算方法可作为相关工程借鉴和参考。

参考文献：

[1]JTJ297-2001，码头附属设施技术规范.

[2]JTS151-2011，水运工程混凝土结构设计规范.

[3]JGJ145-2013，混凝土结构后锚固技术规程.

[4]JTS144-1-2010，港口工程荷载规范.

[5]系船柱构件通用设计编制说明，水运规划设计院技术管理室，1978.

[6]弹性地基梁及矩形板计算.中国船舶工业总公司第九设计研究院，1983.endprint