码头预应力简支箱形轨道梁结构设计

郑清松

(福建省交通规划设计院有限公司，福建 福州 350004)

近年来，随着码头泊位等级逐步向大型化发展，预应力箱形轨道梁越来越多地应用于码头工程中，如唐山港曹妃甸港区矿石码头二期工程、广东惠来电厂码头、国华惠州大亚湾热电码头、福建LNG站线项目港口工程等。

箱形梁在铁路、公路工程中运用和研究较为成熟。为优化箱梁结构设计，国内多个单位针对单箱单室梁、单箱多室梁和多箱多室梁等多种不同箱梁结构，分别进行箱梁的整体和局部研究，不断完善箱梁的结构形式[1]。

箱形梁虽已逐步在码头工程中推广，但港工规范对箱形截面梁的构造规定、截面强度计算和应力验算等规定仍不明确[2]。为解决码头工程箱形梁设计中存在的问题，本文以福建某电厂煤码头预应力简支箱形轨道梁为研究对象，对轨道梁的结构设计进行分析，为类似工程结构设计提供参考。

1 结构选型

码头轨道梁通常采用T形混凝土梁、矩形混凝土梁、π形混凝土梁或(钢)箱梁等结构形式。本工程码头平台为重力沉箱墩式结构，两个沉箱中心之间的距离为30 m，墩与墩之间通过轨道梁和空心板连接，单根轨道梁长18.7 m。与普通梁相比，本工程轨道梁需要承受较大的跨中弯矩。码头结构断面见图1。

图1 码头结构断面(尺寸：mm; 高程：m)

预应力简支箱形梁具有以下优点[3]：

1)箱形截面梁跨径大、使用材料少，满足预应力钢束的空间布置需要，从而解决轨道梁承受较大弯矩的受力问题。

2)由于构件事先施加预压应力，可减小荷载作用下梁的主拉应力，减小腹板厚度，减轻构件质量；纵向预应力钢筋能够提高构件的抗剪性能，抵抗箱梁斜截面裂缝的产生。

3)箱梁顶板和底板混凝土面积较大，满足结构配筋需求，避免应力集中。

4)截面抗扭刚度大、变形小，满足荷载横向分布需要。

5)施工和使用过程中均具有良好的稳定性和安全性。

6)由于抗裂度提高，混凝土的密实度也增加，因而构件的抗渗和抗腐蚀能力增强，尤其在海港工程的多盐强腐蚀环境中更具优势。

单箱单室和单箱双室是目前普遍使用的两种箱形截面。由于外力作用下轨道梁产生较大弯矩，在截面配筋宽度一致且沿梁顶板纵向中心布置门机钢轨的情况下，与单箱单室梁相比，双室梁增加了中腹板作为门机轨道的直接受力部位，减小了箱梁顶板的横向计算跨度，结构性能更加优越，特别是其抗剪性能和构件整体稳定性也相对较好，中腹板可同时布置预应力钢束，故本工程轨道梁采用预应力单箱双室截面，其由顶板、底板、腹板、中间横隔板和倒角等5部分组成。根据码头结构需要轨道梁简支布置，采用预应力后张法施工工艺，受拉主筋为φj15.2 mm-7钢绞线。全梁外形尺寸为2.7 m×2.7 m×18.7 m(宽×高×长)，顶板厚均取400 mm，底板厚度根据影响线走势为410～1 400 mm渐变，腹板宽度均取400 mm，中部设置厚300 mm的横隔板，三角形倒角边长取200 mm。

2 使用要求

2.1 荷载

轨道梁作用荷载包括恒载和活载两类。其中，恒载包括预制轨道梁重力、现浇面层重力；活载分为波浪荷载和门机荷载两种。

1)恒载：混凝土密度为2.5 t/m3,预制轨道梁L0/2(L0为梁长)、L0/4、L0/8、支座截面面积分别为4.615、5.209、5.640、6.070 m2,所对应的荷载分别为115.38、130.23、140.99、151.76 kN/m。

2)波浪荷载：根据《海港工程设计手册》[4]，极端天气下作用在轨道梁底部波浪浮托力线荷载q为64.01 kN/m。波浪对轨道梁侧向水平作用呈三角形分布且作用力较小，设计中不起控制作用，可以不予考虑。

3)门机荷载：码头上配置2台效率为1 600 t/h的桥式抓斗卸船机，腿距16 m，轨距26 m，工作状态时，考虑两台门机同时作业，两台门机轮子最小净距为1.5 m。最大轮压为465 kN。

2.2 支座宽度

港工规范目前未对箱梁的支座宽度做明确规定，根据《墩台与基础》[5]，支座最小宽度按下式确定：

(1)

式中：a为支座垫板顺桥向宽度；e1为轨道梁结构伸过梁跨中心线的长度；e0为伸缩缝宽度；c1为支座到沉箱边缘最小距离；c2为檐口宽度。

经计算，简支轨道梁支座搁置宽度取1 400 mm。

3 内力计算

3.1 计算工况

简支轨道梁结构设计采用的典型工况为：1)工况1：恒载(垂直码头面向下，含预应力体系)；2)工况2：恒载+波浪荷载(垂直码头面向上);3)工况3：恒载+双机工作状态荷载(垂直码头面向下)。

3.2 内力设计值

轨道梁跨中产生最大弯矩为33.51 MN·m，支座产生最大剪力为8.27 MN，高出常规码头轨道梁设计值2倍以上，轨道梁所受荷载中，活载占设计荷载的比例超过75%，对结构的整体性和受力要求更高。典型截面内力设计值见表1。

表1 使用期承载能力极限状态持久组合内力设计值

4 钢束配置

4.1 截面配筋

根据《水运工程混凝土结构设计规范》[6]，轨道梁进行强度配筋计算时，可按照等面积、等惯性矩原则，将箱形截面简化换算成工字形截面。工字形截面受压区判定见图2。

注：x为受压区高度；b′f、bf为上、下翼缘宽度；h′f、hf为上、下翼缘高度；h0为截面计算高度。

图2工字形截面受弯构件受压区高度

经计算，本工程属于第1种受压工字形截面，即轨道梁按宽度为b′f的矩形截面计算配筋，采用19束φj15.2 mm-7钢绞线，满足弯矩设计要求。钢绞线张拉控制应力取0.72fptk(=1 339 MPa)，其中fptk为抗拉强度；锚下张拉控制力1 303 kN(未计锚口摩阻损失)。

4.2 钢束布置

轨道梁预应力钢束采用公称直径15.2 mm钢绞线，管道采用镀锌双波纹管。钢束的线形应平顺布置，同时根据结构受力需要，将预应力钢筋布置成曲线形状，与弯矩包络图的趋势一致。钢束纵向布置见图3。

轨道梁底板布置两排钢束，腹板各布置一排，大约在梁L0/4截面和L0/8截面处部分预应力钢束按结构需要弯起。同时，端部钢束还应考虑锚具的布置需要，避免端部混凝土应力集中产生局部受压破坏。预应力钢束采用两端一次张拉，其张拉顺序考虑先中间后两边原则，按钢束编号顺序对称均匀进行。端部钢束布置、张拉顺序见图4。

注：梁中实线代表钢束，虚线代表轨道梁轮廓线。

图4钢束布置断面及张拉顺序

轨道梁施工按照预制、封锚、封端→吊装轨道梁→安装面层钢筋及预埋件→浇筑面层及磨耗层混凝土→安装门机钢轨等顺序进行。轨道梁在起吊、运输和安装过程当中，采用绑扎方式，两端同步平移，保持梁体简支，保持轨道梁水平和平稳，防止梁体受扭、倾斜甚至倾覆。轨道梁现场施工见图5。

图5 轨道梁现场施工

5 截面验算

5.1 截面边缘应力验算

轨道梁在工况1作用下承受系统恒载和预加应力作用，须验算轨道梁上、下边缘混凝土的法向应力，应满足下列要求：

σct≤0.7γf′tk

(2)

σcc≤0.85f′ck

(3)

(4)

式中：σcc、σct为截面边缘混凝土压应力、拉应力；σpc为预加应力产生的混凝土法向应力；M为短暂状况作用效应组合值；W0为验算截面抵抗弯矩；γ为受拉区混凝土塑性影响系数；f′tk、f′ck为混凝土轴心抗拉、抗压强度。

经计算，σct≤2.21 MPa、σcc≤27.2 MPa，使用期轨道梁截面边缘混凝土法向应力满足规定要求，见表2。

表2 工况1截面边缘混凝土法向应力

从计算结果可看出，在工况1即轨道梁恒载和预加应力作用下，轨道梁处于全截面受压状态，但在轨道梁L0/4截面处至跨中(L0/2)截面处压应力偏小。

5.2 正截面抗裂验算

轨道梁按裂缝控制等级为一级构件设计，在工况2、3作用下应进行正截面抗裂验算，正常使用极限状态持久状况短期效应组合下应满足下列要求：

σck-σpc≤0

(5)

式中：σck为正常使用极限状态短期效应组合下截面边缘混凝土法向拉应力；σpc为第二阶段截面边缘混凝土预压应力。

轨道梁典型截面的σck-σpc均小于0，满足规范要求，见表3。

表3 正截面抗裂验算结果

5.3 斜截面抗裂验算

轨道梁截面突变或形状变化较大时，应进行斜截面抗裂验算，混凝土主应力应满足：

σtp≤0.85ftk

(6)

σcp≤0.6fck

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：σtp、σcp为混凝土主拉、主压应力；σx为预应力和弯矩值在计算点产生的混凝土法向应力；σy为集中荷载作用产生的混凝土竖向压应力；τ为剪力值和钢丝预应力在计算点产生的混凝土剪应力；σpc为张拉第二阶段在计算纤维处由钢丝产生的混凝土法向应力；Mk为按作用的标准组合计算的弯矩；y0为换算截面重心至所计算点的距离；I0为换算截面惯性矩；Vk为荷载效应短期组合剪力值；σpe为预应力钢丝的有效预应力；Apb为计算截面上同一弯起平面内的弯起钢丝的截面面积；αp为构件纵向轴线与计算截面弯起钢丝切线的夹角；S0为构件换算截面重心与计算点以上换算截面面积的面积矩；b为腹板宽度。

工况3作用下轨道梁出现最大剪力值，轨道梁典型截面主拉和主压应力满足规定要求，见表4。

表4 工况3斜截面抗裂验算结果

注：当σtp≥0时，须满足σtp≤2.34 MPa;当σcp< 0时，须满足|σcp|≤19.2 MPa。

6 结语

1)码头轨道梁采用后张预应力单箱双室简支梁，对大型深水泊位的方案选择、平面布置、结构选型等能够起到一定的优化作用，从而节省码头造价、节约工程建设工期。

2)港工规范对箱梁的内力、正截面强度、斜截面抗剪和应力验算等规定，按照等面积、等惯性矩原则，将箱形截面简化换算成工字形截面进行设计。但对于简支箱梁的细部构造，如梁顶底板、腹板、倒角厚度等未有系统说明，设计中借鉴《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[7]有关规定，工程实践证明基本可行，建议在港工规范修订时予以补充。

3)简支箱梁的支座搁置宽度，本文借鉴公路有关规范进行计算，从轨道梁的整体力学性能分析，该方法基本可行，建议港工规范进行明确规定。