高桩梁板码头结构设计分析

徐旭东 杨岩松 中设科欣设计集团有限公司

1.高桩梁板码头的类型

1.1 平面布置

梁板式高桩码头根据不同的平面布置方式可以分成不同的类型，如连片式、引桥式、墩式、满堂式等[1]。其中，连片式就是在平面结构中平台之间连成了一片，引桥式就是在平面结构中可以看到码头的平台与岸边之间是通过桥梁的连接来完成的，墩式就是在平面布置中码头前沿下面设置有船蹲，然后再用桥连起来，满堂式是在平面布置中码头与岸直接相连。

1.2 桩台的宽度及挡土结构

梁板式高桩码头根据不同的宽度以及不同的挡土结构可以进行不同的分类。有宽桩台和窄桩台两种。宽桩台的桩台是宽的，用到更多的结构，挡土结构的具体设置也与码头相连接，与码头形成一个整体，但可以分开运作[2]。较强的承受能力要求宽桩台高桩码头在构建中考虑复杂的受力情况，以及用叉桩实现宽桩台高桩码头的整体建设。窄桩台的码头就不需要使用叉桩，较为简单。

1.3 上部结构

梁板式高桩码头根据上部结构的不同可以分为不同的类型。有梁板式和桁架式这两种类型。在梁板式这种类型中，码头的结构包括横梁、纵梁、桩帽、面板等，是这些构件的综合组成[3]。梁板式码头的受力能力较强，能够适应复杂环境下的受力，同时还具有较快的施工速度，可以快速完成。在桁架式码头这种类型中，码头的结构是固定的，只有三个部分，即：面板、纵梁、桁架。这使得桁架式码头具有良好的整体性，能够使码头承受更多的力量。

2.案例工程概况

浙江腾云物流有限公司将投资建设一个可以承载3000吨货物的运输码头工程。该工程位于台州市椒江区海门港区。这个工程的范围在牛头颈作业区东部，椒江口南岸椒江二桥以东与万昌船厂以西。地理位置坐标121°28′27"E，28°40′43"N（具体见图1）。工程建设的内容包括一座3000吨级别码头、一个3000吨级泊位，以及防撞墩共计4座、橡胶护舷、连接锚链等。该工程占用的海岸线长度共计132米。工程建成后预计年吞吐量可以达到218万吨。

图1 具体工程位置图

3.案例工程高桩梁板码头整体结构设计方案

3.1 总平面布置设计

本工程要建成的码头将具备3000吨级的泊位，总长132米。该码头的建设基地处的河床基本平坦，码头的前沿放置于-3米的等深线处，方向平行于水流的方向。码头建设的平台使用的是高桩平台与靠船平台相结合的方式，同时设立引桥装置，其中，高桩平台和引桥装置采用的是高桩梁板式结构，靠船平台采用的是高桩蹲式结构。高桩平台、靠船平台、引桥的尺寸分别为125x21m、7x21m、135.35m x10m。该码头建筑的平台前面继续停泊水域和椭圆形回旋水域的布置，尺寸分别为33.2m和270x162m。进港路线与码头的东侧平台相连接，然后进入码头。设计的进港路线有两个方向，有163m宽，底标高为-5.30m。对于船舶乘潮进入港区是可以实现的。在码头设置的水域范围内的上游布置防撞墩共计4座，从南向北的编号依次为1#～4#，之间的距离为30m，一字排开，总长度有128m。1#～3#防撞墩的平面尺寸为9mx8m，4#防撞墩的平面尺寸为11mx8m。1#～3#防撞墩的设防航速为2.5节，4#防撞墩的设防航速为3节。在防撞墩的正面还设置了橡胶护舷，是拱形的，每两个防撞墩之间还设置了阻拦锚链。1#防撞墩与码头的前沿线齐平，1#防撞墩与椒江二桥桥墩齐平。

3.2 高桩梁板码头结构设计

本案例工程设计的高桩梁板码头这个平台的长和宽分别为132m和21m，一共分3段进行设计与构建，在1985国家高程基准中，平台顶部的高程为5.00m。每一段结构的尺寸分别为66mx21m、59mx21m、间距7m，下设有6根PHC管桩，半径为800mm，型号为PHC800B110，3斜3直。上部结构采用现浇横梁、管沟梁、轨道梁、预制纵梁、250mm预制面板、120mm 厚现浇层和30mm～55mm厚磨耗层。具体设计图如图2所示。在轨道梁的上面安装有QU80钢轨、顶升装置、车挡等。码头的前面部分设置有可以进行靠船的装置，装有橡胶护舷，也称为橡胶舷梯，型号采用的是DA-A400H，顶部设置有系船柱，采用的型号是550kN。结构段采用的平面尺寸设计的是7mx21m，上部采用现浇墩台，前沿进行靠船构件的设计。每一排都设置6跟基桩，采用的型号为PHC800B110，其中有3根是斜的，倾斜比例为6：1，3根为直的，桩端进入持力层，而且每一个基桩都建立在比基桩的直径大于1倍的圆砾层上面。在渔船或者是货船进入码头的过程中，难免会对基桩产生碰撞，为了防止这种碰撞现象的出现，在码头的东面和后面部分设置了可以进行靠船的结构，同时在码头的东面设置一个橡胶护舷，但是在码头的后面不进行该装置的设置。设计引桥实现码头与陆地的连接，设计的引桥长13535m，宽10m，采用的结构是高桩梁板式。引桥下面的排架之间的距离为12m，每一排都采用管桩或钻孔灌注桩。引桥的上部结构则是由帽梁、600mm厚空心板、120mm厚现浇层和20mm～40mm 厚磨耗层组成。

图2 码头断面设计图

3.3 设计船型与兼顾船型

根据《海港总体设计规范》(JTS165-2013)和目前椒（灵）江实际运营的船舶情况，确定本工程设计船型尺度见表1。

表1 设计代表船型主尺度表

3.4 荷载设计

根据《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）有关规定，各种荷载确定如下：

船舶荷载：（1）船舶系缆力标准值：按水流力和风速22.0m/s共同影响计算，并结合《港口工程荷载规范》(JTS144-1-2010)第10.2节表10.2.5-2中规定，经计算，5000 吨级货船系缆力计算结果为524kN，设计选用550kN系船柱。（2）船舶撞击力标准值：首先是船舶对码头撞击力。根据《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）第10.2节规定，能够放下5000 吨级别货物的码头在船靠岸的过程中共需要105.08kJ能量，因此本工程的护舷采用的是500H 拱形橡胶护舷，在该型号的性能曲线中查到本工程采用的500H拱形橡胶护舷对应的反力为802.8kN[4]，本工程撞击力标准值为802.8kN。在船舶与防撞结构的碰撞过程中，会发生非常复杂的力的作用，风浪、水流等环境因素以及船舶的大小、行进的速度、装载的货物的重量、船体的结构、船体的材料、船体的强度、船体的刚度等因素都会使力发生非常复杂的变化。同时，这与防撞结构的材质、结构的设计，驾驶员的反应速度等都息息相关，因此，想要实现撞击力的具体确定是非常困难的。该工程设计中参考系列规范进行撞击力的计算，结果为5900kN/3节航速、3980kN/2.5节航速。

此外，对采用的工艺荷载进行计算，包括码头的均载、引桥的均载、装卸运输设备的均载、流动机械的均载、水流的均载、波浪力的均载等。

4.计算结构的内力

4.1 建立结构计算的模型

在工程中采用ansys做结构的内力分析，在本工程中，所涉及到的模型较大并且结构复杂，因此选用实体建模的方式，单元网格的划分主要是使用映射网格的划分方式[5]。该软件在高桩板梁式码头模块中能够实现多种载荷的处理、多种力的作用效应的计算、具体某个截面的承载力的计算与验算、单个桩能承受的极限力计算、碰桩的验算等多种类型的计算。该系统包括三个模块，分别为计算核心模块、图形处理模块、辅助功能模块。在使用该系统进行计算时采用的步骤是常规步骤，一共分为四步。第一步是进行工程基本参数的输入，包括结构的重要性系数、桩端的支撑类型、桩基嵌的固点深度、排架间距、设计水位等。文中输入的上述参数分别为二级、摩擦端承桩、M值、7m、高低水位等。第二步是进行第一步输入的数据进行结构模型的建立，包括纵横梁的结构模型、面板的结构模型、靠船构件的结构模型、水平撑的结构模型、桩基的结构模型等。第三步进行载荷组合，即根据不同的条件设计不同的载荷方式，并进行相应载荷方式的参数输入。第四步根据第二步的模型和第三步输入的数据进行内力、位移等的计算。

4.2 计算位移

在位移的计算过程中参考该码头所采用的设计施工规范，进行码头的水平位移的计算。在计算水平位移的过程中考虑的主要是船舶在受到外部撞击力的时候产生的位移，包括船舶即将靠岸和船舶已经靠岸的形式。在船舶靠岸的过程中，需要考虑一个护舷吸收能量，其吸收能为E=801Kj，对应的反力为P=1140kN；在船舶已经靠岸的过程中，需要计算三个护舷吸收能量，其中单个的护舷吸收能为E=100Kj，对应的反力为 P=800kN。

4.3 计算桩基内力

在本工程中设计采用的桩基包括预应力高强混凝土桩和钻孔灌注桩两种。因此，这种设计决定了需要在计算中考虑到海水的腐蚀性对桩基的影响，因此，计算桩基内力分为两个阶段[5]。第一阶段计算的是钢筋和桩芯混凝土的桩基内力，第二阶段计算的是钢筋完全腐蚀之后剩余的桩芯混凝土的桩基内力。文中计算第一阶段的桩基内力时要计算三个部分，包括极限状态、正常状态、地震状态下的计算。计算第二阶段的桩基内力时要计算两个部分，一个是极限状态一个是正常状态，不需要进行地震状态下的计算，但是在极限状态中的计算应将桩基内力按照抗弯刚度成比例分配。

4.4 计算结构配筋

在案例码头中，码头的上部结构采用的是一种双向预应力整体式箱板结构，并将这种结构沿着码头纵轴的方向进行安装。在码头横轴方向采用后张无粘结预应力，在码头纵轴方向采用后张有粘结预应力。因此，这种组合的方式会使得该码头大大降低双向预应力简对其影响，这种影响甚至可以忽略不计，所以在进行结构配筋的计算时，将其忽略。在进行纵向的预应力配筋计算的时候，要将码头上部结构的纵向拼接考虑进去，在拼接处的承载力比不在拼接处的承载力低，在拼接处会有次应力影响。因此，在计算过程中内力的值要进行相应的放大，论文取1.2倍放大值，以增加结构安全性。采用的配筋方案具体为：在结构拼装之前横向预应力已经存在，拼装后才会有纵向预应力的存在，因此横向预应力为直线配筋，面板中心的纵向预应力为曲线配筋，肋梁为直线配筋。这样可以使面板中心的截面有抗裂功能。方案中采用的预应力筋都为15.2钢绞线，横向无黏结处的线束张拉控制应力为0.75fptk，纵向有黏结处的线束张拉控制应力为0.7fptk。

5.结语

码头作为重要的海事运输场所，可以为我国的海事发展提供基础平台。高桩码头结构作为码头最常使用的结构之一，其重要性可见一斑。本文结合浙江腾云物流有限公司建设的3000吨级货运码头这项案例，进行了具体的总体设计、码头结构设计、载荷设计及具体的内力计算。通过分析高桩梁板码头的设计要素以及其具体的载荷限度，看到高桩梁板码头降低工程造价的意义。文章结论可供相似项目进行参考。