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1、我国码头新结构型式综述 雍新;史宏达【摘 要】对我国近些年出现的几种新型码头结构进行了分析和综述.导管架码头结构型式是一种新型的结构型式,结构的整体刚度大、水平变位小、透空性好、波浪反射小,在开敞式环境下可适当降低码头面高程；椭圆沉箱墩式结构解决前后不均匀沉降的问题,提高了结构的整体稳定性；内河架空直立墩式结构对大水位差适应能力强,结构紧凑,对水流穿行影响小,装卸作业时泊稳条件好,是内河航道未来的发展方向.【期刊名称】海岸工程【年(卷),期】2013(032)001【总页数】9 页(P35-43)【关键词】码头新型结构;嵌岩导管架结构;椭圆沉箱墩式结构;内河架空直立式【作 者】雍新;史宏达【作
2、者单位】中国海洋大学工程学院,山东青岛 266100【正文语种】中 文【中图分类】U656.1 港口是一个国家或地区对外开放的窗口和桥梁，是区域经济参与国际分工、合作与竞争的重要依托。在经济全球化趋势下经济和对外贸易的快速发展，港口成为区域经济发展的重要因素。建国以来，经历过几次大型的建设码头的高潮，使得大量优良岸线已大部分被使用，自然环境和建设条件相对恶劣的岸线不能适应传统典型码头的建设。因此，提出码头新型结构已成必然。下面重点介绍几种较为新颖的码头结构型式。1 开敞式码头导管架结构 随着煤炭、原油、天然气等货物海上运输距离和运输量的逐步增大，运输船舶也日趋向大型化发展，目前很多港口型式已不
3、能满足船舶对水深的要求。为适应这一趋势，港口逐步向外海发展，并越来越多的采用开敞式布置型式。因此，外海开敞式码头对于未来船舶和航运的发展有着重要的作用。外海开敞式码头的建设当遇到基岩裸露或基岩覆盖层较浅的地质环境时，一般首选重力式沉箱结构，但该结构码头面较高、水下工程量大、泊稳条件差等不利之处。若采用高桩嵌岩码头结构，则存在施工期需要设置稳桩措施、水下工作量大等不足。因此，在地质条件为基岩的外海码头可以采用嵌岩导管架结构型式，将导管架结构通过嵌岩桩固定在基岩上，这种结构相比传统直桩嵌岩结构具有以下优点：导管架一般在陆地制造，用驳船拖运至井位，由起重机吊放入水中，通过竖向导管打入钢桩将导管架固定
4、在海底。导管架水上安装就位后，可作为桩基嵌岩的施工平台，导管兼作嵌岩桩的套筒。嵌岩导管架码头结构通过增加水平和斜向支撑，减小了桩基的自由长度，从而增加了结构的水平刚度和整体性，使结构受力更加合理。同时水上工程量小，技术风险小。目前，导管架结构应用于码头工程的实例很少。1977 年在阿根廷的科罗拉多角曾采用嵌岩导管架结构型式在岩基上成功建造了一座 2.5 万 t 级的散货码头；1973 年日本在苫小牧港软土地基以打入式桩基导管架结构型式建设了一座墩式 25 万 t 原油码头。我国在宝钢马迹山扩建工程设计过程中，中交三航院首次提出了嵌岩导管架码头结构方案的设想，程泽坤等人对我国最大的矿石中转港宝钢
5、马迹山 30 万DWT 矿石中转港对设计的两种方案嵌岩导管架码头结构方案和直桩嵌岩码头结构设计方案做了对比。1.1 嵌岩导管架码头的结构方案 根据嵌岩导管架码头的方案平面布置(图 1)，共设 13 座导管架单元，导管架单元由直径 2.2 m 的 8 根竖向导管与若干根直径为 1.1 m 的纵横向的联系杆件组成的一个空间框架结构。码头上部采用常规的梁板结构。地基采用碎石找平层结构，导管架通过桩基嵌岩锚固在基岩中。图 1 卸船码头导管架方案结构图 Fig.1 Structure of the discharging terminal jacket scheme 1.2 直桩嵌岩码头结构设计方案 直
6、桩嵌岩方案采用 2.8 m 嵌岩桩作为码头结构基础，排架间距 12 m，桩距 10 m。上部采用现浇横梁，预制和现浇迭合轨道梁、纵梁、面板结构(图 2)。在天然地基上需抛填约 7 m 厚的碎石层，以满足施工期钢套管的稳定要求。图 2 卸船码头直桩嵌岩方案结构图 Fig.2 Structural section of the discharging terminal straight piles socketed scheme表 1 两种方案主要计算结果比较Table 1 Comparison of the calculated results between the two schemes 项
7、 目嵌岩导管架方案直桩嵌岩方案嵌岩段直径/m2.02.6 嵌岩深度/m4.66.5 嵌岩段最大弯矩/(kNm)3 26518 687 桩身最大桩力是/kN16 00716 574 码头最大水平位移/cm1.74.2 下施工工程量减少嵌岩桩的直径和嵌岩深度水下基础抛填碎石和嵌岩桩水砼工程量相对较多延米造价/万元 30 45731 463 通过表 1 比较可以看出：导管架是空间框架结构，其整体性刚度较强，这使嵌岩段的计算弯矩较小，占直桩嵌岩方案的 17.5%，同时码头最大水平位移也较小，这对外海深水码头的安全带来了明显的好处。另外，水平位移相差那么大的情况下工程造价比较接近，如果两种结构在相同的变
8、位条件下进行工程造价比较，导管架结构的经济优势将更加明显。2 椭圆沉箱墩式码头 沉箱墩式码头适用于基岩面较高的地区，并且是唯一的型式，并且多采用圆形沉箱结构。但当圆沉箱产生前后不均匀沉降、结构整体稳定性差等问题时，可以考虑采用椭圆沉箱结构。在国内，大连港矿石码头首次采用椭圆形沉箱作重力墩式结构。大连港位于大连湾东北部海域、大窑湾港区东海岸，正对东南向外海，波浪比较大，水流为往复流动，涨潮垂线平均流速为 6476 cm/s；落潮平均流速为 3645 cm/s。码头的持力层为中风化板岩，从码头的地理位置和自然条件分析，非常适合建设重力墩式码头。椭圆沉箱有 2 种选择，结构断面为 1 个大直径沉箱，
9、或并排 2 个小直径沉箱。根据工程的波浪特点，正向大，斜向较小。综合 2 个方案的优点，设计成正向迎浪面尺度小，侧面为一整体的椭圆形结构(图 3)。图 3 椭圆沉箱结构 Fig.3 Structure of elliptical cassioned pier 椭圆沉箱结构相比圆形结构有如下优点：由于上部结构坐于一个沉箱基础上，整体性好，可解决前后不均匀沉降的问题，通过物理模型试验分析，对于强浪向的半圆断面小，则码头前沿波浪壅高较 2 个沉箱或 1 个大圆沉箱为小，能合理降低码头高程。提高了结构的整体稳定性。另外，椭圆形沉箱相比于另外两种方案经济造价上更低。3 内河架空直立墩式结构 我国西部地区
10、河流众多，水资源丰富，但属山区河流，流速大、水位变幅大、地质构造复杂、地质灾害频发。考虑到山区河流特有的地形地质、水文及当地经济条件因素，早期大多数采用斜坡式码头型式。随着国家西部大开发战略的实施，西部地区山区河流通过航道整治和枢纽建设，航道条件得到极大改善，但斜坡式码头由于其装卸工艺环节多、效率差、安全性差等特点，已经不能满足经济社会快速发展的需求。研究开发适合于西部内河港口大水位差集装箱码头新的结构型式，具有非常重要的现实意义，也是西部内河港口的当务之急。当设计高低水位差较小时(H8.0 m)一般采用直立式码头；当设计高低水位差在817 m 时，对于件杂货和散货装船，一般采用直立式码头，对
11、于专用散货卸船码头宜采用斜坡码头；当设计高低水位差大于 17 m 时，一般应以斜坡码头为主。到目前为止，架空直立式码头结构多用于长江等河流的中、下游地区，其水位差一般不超过 20 m。对于内河上游河段，由于水位差很大，可达30 m 左右，加上经济、技术方面原因，至今研究建设还比较少。内河大水位差直立式码头应用比较广泛，如重庆港主城港区寸滩作业区一期工程集装箱码头，其设计水位差为 29.5 m，码头为框架式桩柱梁板结构，结构最大总高度达 49.5 m；重庆万州港江南沱口集装箱码头，其设计水位差为29.9 m，码头亦为框架式梁板结构，结构最大高度达 46.4 m；四川泸州港国际集装箱码头，其设计水
12、位差为 18 m，码头采用直立桁架式结构，结构总高度达 34 m。架空直立式码头具有许多优点：因其码头结构为透空式，对水流穿行影响小，装卸作业时泊稳条件好；自动化程度高、装卸运输距离短、装卸效率高；通过能力大等。但是，架空直立式码头也有其不足：结构适应工艺荷载变化或超载的能力差；码头结构高度大、构件多、造价较高；而且该类码头是集装箱码头，对散货或杂货适应性较差。码头平台桩基为钢筋混凝土嵌岩钻孔桩和嵌岩挖孔桩，水下部分通常采用刚性护壁的钻孔灌注桩，水上部分则采用挖孔灌注桩。架空直立式高桩码头由于其整体高度大且受施工条件限制，在上部结构型式的设计上通常采用整体现浇的框架结构。以寸滩港为例，介绍下架
13、空直立式码头新型结构形式。重庆寸滩港集装箱码头一、二、三期工程已经建成并投入营运。三期工程结合了库区变动回水区历时大水深和大变幅水位的特点，设计时提出了大桩径大跨度架空直立式码头结构型式(图 4)。图 4 直立框架式码头断面图 Fig.4 Structural section of upright frame type wharf 通过表 2 可知，寸滩码头的结构型式都是架空直立式码头，系缆装置层数都是 7层，但排架间距是增大的，桩径随排架间距总趋势增大，但一期工程桩径较大，通过计算，水平位移为 4.35 mm，整体结构刚度很大，因此工程费用比较大。三期及其改扩建工程减少了部分联系撑，增大了每
14、榀排架桩间距，减小了桩的数量；由于排架间距变大，增加了码头结构的跨度，减小了部分联系撑。表 2 重庆寸滩港集装箱码头各期工程比较 Table 2 Comparison among the phases of the project of container wharf 项 目一期工程二期工程三期工程三期改扩建工程排架间距/m6.56.58.012.0 前排桩径/m2.21.62.32.5 后排桩径/m1.81.62.02.2 立桩桩径/m 1.31.31.41.8 每榀排架联系撑排数/排 4 4 3 3 系缆层数/层 7777 每榀排架桩间距/m65.658.008.00 由于三峡库区变动回水
15、区水文、地形等环境复杂，提出新型码头结构形式为大桩径大跨度架空直立式码头。本着结构使用安全可靠的原则，使结构简单、方便施工、减小工程造价，通过静力分析确定出三峡库区变动回水区合理的大桩径大跨度直立式码头结构型式，提出排架间距为 9 m 和 12 m 两种大桩径大跨度架空直立式码头结构方案(图 5，图 6)。与已建寸滩集装箱码头相比，新型码头结构的单个码头泊位工程建设直接费用节省了 20%。图 5 9 m 排架间距码头结构断面图 Fig.5 Structural section of 9 m-frame spacing wharf 图 6 12 m 排架间距码头结构断面图 Fig.6 Struc
16、tural section of 12 m-frame spacing wharf 大桩径、大跨度架空直立式码头结构型式相对更为简单，受力更加明确，具有很好的应用前景。上述结构都是国内近几年新兴的码头新结构类型，上述结构用途各不相同，但规范上都没有此类结构的计算方法。目前，一些通用的有限元计算软件正越来越多地应用到工程实践中来，常用的主要有 ANSYS、SAP2000 和 MIDAS 等。这些计算软件能很好地模拟实际结构的受力情况，计算速度和精度比传统的计算模式有很大的提高。大大缩短了设计周期，结构型式也较为经济合理。4 结 论 1)导管架码头型式是一种新型码头结构型式。它比沉箱结构透空性好、
17、波浪反射小、利于船舶作业、水下施工工序少，在开敞式环境下可降低码头高程。与直桩嵌岩码头相比，它的整体刚度大、水平变位小、水下工作小、施工难度低、施工工期短、较适宜外海条件。2)椭圆沉箱墩式码头增加了码头沉箱墩式结构的抗滑稳定性，上部结构整体性好，可解决前后不均匀沉降问题。对应强浪面的断面小，码头前沿波浪较小，能合理降低码头高程。并且这种结构型式造价较低。3)内河架空直立墩式码头对大水位差适应能力强，结构紧凑，对水流穿行影响小，装卸作业时泊稳条件好，装卸工艺简单，效率高，可以节约宝贵的海岸线资源，是内河航道未来发展方向，有着很好的应用前景。但由于其工程造价较高，港口应具有一定的货运规模才具有良好
18、的经济效益。参考文献 1 程泽坤，程培军.外海开敞水域码头结构新型式J.水运工程,2008，(10):35-40.2 白景涛，胡家顺.椭圆沉箱墩式码头新结构的研究与设计J.水运工程,2009,(1):149-154.3 大连理工大学近海工程国家重点实验室大连港矿石专用码头工程水转水泊位水工物理模型试验研究系列报告R大连：大连理工大学，2004.4 中交水运规划设计院.大连港矿石专用码头工程初步设计R.北京：中交水运规划设计院,2005.5 中交水运规划设计院.大连港矿石专用码头二期工程施工图设计R.北京：中交水运规划设计院，2005.6 重庆交通大学.内河架空直立式码头建设关键技术研究R.重庆：重庆交通大学，2005.7 徐俊杰.内河大水位差架空直立式码头结构设计J.水运工程，2006,(S1)：62-67.8 王多垠，石兴勇，丁德斌，等内河架空直立式集装箱码头结构计算中的作用效应组合探讨J中国港湾建设，2005，8(4)：33-35 9 王多垠，石兴勇，吴友仁，等重庆寸滩架空直立式集装箱码头结构有限元分析J水运工程，2006，(4)：35-37 10 王多银，宋成涛.三峡库区变动回水区架空直立式码头结构形式研究J.水运工程,2011,(3):54-58.