贵港市某老旧码头靠船墩结构设计方案对比分析

杜 政

(广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

贵港港是国家对外开放一类口岸、全国28个主要内河港口之一。近10年，贵港市港口货物吞吐量年均保持12%以上增幅，2019年贵港港货物吞吐量突破8 000万t，2020年吞吐量破亿，成为珠江水系首个内河亿吨大港。贵港市港口在快速发展的同时，也暴露出一些问题，其中比较突出的一个问题是港口“小散乱”现象比较严重，港口现代化程度不高。目前，贵港市登记在册的港口企业有87家，老旧码头超过70家，占比超过80%，普遍存在码头结构安全性不明确，工艺设备简陋，配套水电、环保设施不完备，系靠泊设施缺失或者不完善等问题，存在一定的安全隐患。因此，从2019年开始，贵港市港口行政管理部门启动老码头提档升级改造，寻求港口发展破局，提速高质量发展。

靠船墩作为老旧码头提档升级中最重要的水工结构之一，其结构的安全性和适用性至关重要，选择合适的靠船墩结构型式不但可以节省投资，提高装卸效率，也为未来贵梧航道向更高级航道提升，停靠更高吨位船舶做好准备。

1 工程实例

1.1 项目背景

本项目位于贵港市平南县，浔江左岸，所在河段两岸Ⅰ级阶地地面高程27～40 m，岸坡坡度一般为25°～40°。岸坡中上部为黏土或(粉)砂质黏土，下部为中厚层状灰岩、白云质灰岩等，部分河段可见基岩裸露。河床覆盖层主要为粉质黏土及砂卵石，覆盖层浅，河床基岩为中风化灰岩。根据相关资料可知，码头处河段设计高水位为33.88 m，设计最高运营水位为31.00 m，施工水位为20.00 m，设计低水位为18.74 m，水位落差较大。

本项目码头设施简易，船舶依自然河岸散乱靠泊，缺少符合规范要求的系、靠船结构和防撞设施，码头作业基本是离岸靠泊，随意系缆于岸坡树桩或者临时钢筋地牛，布置靠船墩设施迫在眉睫。

1.2 结构选型

码头工程中常见的系靠泊结构型式依适应水位落差可分为两大类，一类是高桩梁板式、墩式、重力式结构为主，常见于海港码头和水位落差较小的内河地区；另一类是高桩框架结构、浮式趸船为主，适应于长江流域、西江流域等其他水位落差较大的内河山区河流。本项目位于贵港市平南县，属于长洲枢纽库区，受上下游枢纽调控，码头洪水期和枯水期水位落差较大，设计高低水位最大落差达15.14 m。因此，本项目靠船结构初步拟定为高桩框架式和浮式趸船。高桩框架式结构靠船墩受力明确，超限撞击力适应性强，在长江流域，尤其是三峡库区中大水位差码头建设中应用广泛[1]。趸船可移动性强，船体可随着水位浮动，缺点是随水位变化经常移船，移船作业较麻烦，部分装卸机械须安装在趸船上，装卸效率较低，一般应用于系靠泊中小型船舶，且浮趸船调动对航道通航安全造成一定隐患[2-3]。

通过分析项目所处的地质和水位资料可知，本项目位置属于典型的浅覆盖层，大水位差河段，最终靠船墩选择嵌岩桩基高桩框架结构。

针对常用高桩框架结构，本文采用有限元软件Midas Civil分别对承台式和无承台式结构建立空间模型，计算不同构件在不同工况下的位移和内力，并通过安全性、施工难度、工程造价等方面的对比分析，给出推荐方案。

1.2.1 承台式+钢筋混凝土桩基框架式靠船墩

靠船墩平面尺寸为6.0 m×7.0 m，分为上下两层承台，承台厚1.5 m，上层承台顶标高为34.0 m，下层承台顶标高为22.0 m。上下层承台之间为框架结构，前沿设置2根靠船立柱，尺寸为1 m×1 m，中部设置4根普通立柱，尺寸为0.8 m×0.8 m。立柱之间由纵横向联系梁连接，断面尺寸为0.6 m×0.8 m。下层承台底部设置靠船构件，底标高为19.0 m。承台及框架部分混凝土强度等级均为C40。承台下部桩基均采用4根φ1 500mm冲孔灌注桩。混凝土强度等级为C30。

1.2.2 无承台式+钢筋混凝土桩基框架式靠船墩

靠船墩平面尺寸为6.0m×7.0m，顶标高为34.0m，承台厚1.5m，混凝土强度等级为C30。承台下部4根桩基均采用φ1 500mm冲孔灌注桩，混凝土强度等级为C30。立柱之间由2层纵横向联系梁连接，断面尺寸为0.8m×1.2m。承台及联系梁混凝土强度等级均为C30，前排灌注桩至码头前沿设置靠船构件，靠船构件截面尺寸为1.5m×1.0m，底标高为19.0m。

两个方案主要构件型式和数量对比说明见表1。

表1 结构主要构件对比说明表

1.3 内力计算

靠船墩是主要承受水平向荷载的群桩基础，目前靠船墩内力计算方法有M法、P～Y曲线法、N-L法和布卢姆法等[4]，这些方法都属于平面内力分析方法。对于框架结构，这些方法都有其局限性，均未考虑联系梁的传力作用。因此，本文采用有限元法建立三维空间模型，不仅可全面考虑联系梁的传力作用，而且可同时考虑水流力的作用。

1.3.1 模型建立

采用有限元分析软件Midas对其进行三维结构内力分析。码头桩基、柱和联系梁均采用梁单元，面板采用板单元，桩底固结。有限元模型分别如图1和图2所示。

图1 承台式有限元模型图

图2 无承台式有限元模型图

1.3.2 作用荷载和效应组合

靠船墩的永久作用包括结构自重。可变作用包括船舶系缆力、撞击力、水流力以及人群荷载。本文主要分析在设计高水位靠船墩受撞击力和水流力作用下的内力分析。具体荷载如下：

(1)人群荷载：5kPa。

(2)船舶荷载

系缆力：450kN船舶撞击力。

船舶撞击力标准值：P=539kN(采用DA-A400H×2 000L标准反力型橡胶护舷[5]。船舶靠泊时护舷反力为船舶撞击力，其标准值取为539kN)。

(3)荷载组合

工况一(承载力极限状态下的持久组合)：

1.2×恒载+1.5×撞击力+1.4×水流力(2.0m/s)+1.0×人群荷载。

工况二(正常使用极限状态下的标准组合)：

1.0×恒载+1.0×撞击力+1.0×水流力(2.0m/s)+1.0×人群荷载。

本文中列出的弯矩和剪力值均为Y和Z方向的合力作用：

1.4 计算结果分析

桩基内力和联系梁内力计算结果如表2和表3所示。由表2～3可知，在不同工况下，承台式码头结构桩基轴力和剪力较无承台式稍小，上下层承台约束作用，提高了靠船墩整体刚度，承台式结构墩顶位移较无承台式小3.8mm，减少约11.9%。考虑到靠船墩与陆域堆场通过钢栈桥连接，应控制墩顶横向位移。

两个方案内力主要差别在于靠船墩联系梁部分，承载能力极限状态工况下的弯矩值和剪力值，承台式分别偏小79.65%和73.61%；正常使用极限状态工况下的弯矩值和剪力值，承台式分别偏小79.96%和72.45%。可以明显看出承台对横撑剪力的削减作用。承台式结构构件多，受力相对复杂，但整体受力均匀，立柱、联系梁、靠船立柱所受内力相差不大，未出现大的内力突变。无承台式结构构件少，受力明确，但横向联系梁部分承担较大的内力，应引起特别注意。尤其是底层横向联系梁，设计时应加大在该处的截面尺寸，特别关注横向联系梁与桩基连接处的破坏。综合两个方案优缺点(如表4所示)，建议推选承台式钢筋混凝土桩基框架式靠船墩。

表2 桩基内力计算成果表

表3 联系梁内力计算成果表

表4 方案优缺点对比表

2 结语

(1)承台式钢筋混凝土嵌岩桩框架结构靠船墩整体受力均匀，承台结构增加了整体刚度，减少了墩顶位移；无承台式钢筋混凝土嵌岩桩框架结构靠船墩横向联系梁处受力明显较大，实际使用中对于超限撞击能力适应性相对较差，应特别关注横向联系梁的监测。

(2)承台式结构靠船墩构件型式较多，受力相对复杂，但构件浇筑施工难度较低；无承台式结构靠船墩构件型式少，受力简单明确，但采用圆形立柱与方形联系梁连接需另外定做模板，增加施工难度。

(3)总体来看，采用承台式钢筋混凝土嵌岩桩框架结构靠船墩能较好地适应内河大水位差、浅覆盖层地区，具有受力均匀、造价相对较低、施工相对简单等优点，可为贵港市其他类似老旧码头靠船墩提档升级提供参考。