码头与引桥连接结构的设置问题探讨

李越松，陈志乐，汪高星

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室,天津300456；2.中交水运规划设计院有限公司，北京100007)

码头与引桥连接结构的设置问题探讨

李越松1，陈志乐2，汪高星2

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 水工构造物检测、
诊断与加固技术交通行业重点实验室,天津300456；2.中交水运规划设计院有限公司，北京100007)

文章介绍了引桥式码头的特点、结构型式、布置方式，主要针对引桥与码头连接部位常见的结构性破坏进行了总结描述，通过工程实例分析了发生结构破损的原因，并对此类型码头的结构设计提出了建议。

引桥；码头；连接结构

高桩码头是码头的三大结构型式之一[1]，广泛分布于沿海、河口及河流下游的冲积软土地区,这些区域往往坡面平缓。高桩码头的平面布置型式有满堂式和引桥式两种[2]，如果将码头布置成连岸式的型式，就需要有大量的回填或开挖。有时在码头货量较少或货种为散货或流体时，可将码头布置成离岸引桥式(有时也称作“栈桥式”)，货物可通过流动运输机械、传送带或管道运送至后方场地。这种平面布置型式能大大减小工程造价，所以在河口区域广泛采用。

但通过多年的工程实践，引桥式布置形式也存在一定的问题。在河口区域靠泊的船舶等级一般比较大，加上河口区域水流较大，船舶对码头产生的水平作用力也很大，往往会对码头结构造成一定的威胁。本文通过对引桥式码头的调查检测，指出该类型码头发生的破损问题及特点，希望对今后的引桥式高桩码头结构设计提供参考。

1 引桥式码头的结构型式

引桥式码头主要有重力式和高桩式两种型式。重力式引桥码头主要建于地质条件较好的海岸，为满足大型泊位的水深条件，多采取这种结构形式。码头部分一般采用沉箱墩式结构，码头中部为工作平台，两端设置靠船墩和系船墩。引桥部分基础也采用沉箱墩式结构，桥面采用预应力梁板结构或钢桁架结构。高桩式引桥码头主要建于沿海有沉积地层的河口区域，由于冲积区域地势平坦，为满足水深条件，往往布置成引桥型式。码头部分一般采用高桩梁板结构或结合高桩墩台的结构型式，引桥部分大多采用高桩梁板式结构，视引桥的长短决定是否设置斜桩。

引桥的平面布置主要有单引桥和多引桥两种型式。对于采用管道或输送带传输的石油、矿石或煤码头等，由于不需要流动运输机械，所以可减少引桥的数量，设置为单引桥型式。对于散杂货码头、集装箱码头等多布置成双引桥型式，往往是多个泊位共用引桥，有利于装卸作业时的交通管理[3]。

2 常见的结构问题

引桥式码头除有诸多优点之外，也存在一些缺点：(1)码头主体远离岸边，缺少来自岸壁的支撑，势必会减小码头抵抗船舶力、波浪力等水平力的能力。这种情况对于高桩码头尤其明显，大潮差区域的高桩码头桩的自由段相对较长，导致码头上部结构的刚度较小，不能承受大的水平力。对于重力引桥式码头，码头的墩体高度相对较高，这样对于结构抗震有不利影响；(2)码头主体与引桥的连接部位受力复杂，结构容易产生受力破损。引桥与码头存在一定的夹角，这样会使来自不同方向的力(如船舶挤靠力、沿流方向的系缆力、温度应力等)叠加作用于连接部位，由于这种力的组合比较复杂，难于从设计上设防，所以结构破损的概率大大提高。这些结构破损问题多发于高桩式引桥码头，重力式引桥码头基本没有发生。

3 工程案例

3.1东北某港

图1 码头平面布置简图Fig.1 Plane layout diagram of wharf

该港位于东沟平原的鸭绿江西水道入海口的江海分界线、大东沟与庙沟之间的三角滩地处，早期建设2#～5#四个万t级泊位，为高桩梁板式栈桥码头。四个码头全长704 m，码头平面简图如图1所示，3#泊位码头结构断面图如图2所示。码头前方14 m范围内码头面设计荷载为2 tm2，后方22 m范围内码头面设计荷载为3 tm2。该码头3#泊位建于1986年，1988年上半年投入使用；2#、4#和5#泊位续建于1991年，1994年投入生产；3#泊位于1996年升级改造为5万t级泊位。引桥为高桩梁板式结构，总长400.8 m，桥宽17 m，共27排桩基排架。引桥与码头的夹角为35°。

图2 3#码头断面图Fig.2 Cross-sectional drawing of No.3 wharf

该码头的引桥与3#码头的北端连接。引桥为高桩梁板式结构，设有叉桩。引桥与码头结构连接采用简支渡板搭接。2000年以前，由于码头吞吐量小，靠泊的船舶也比较小，引桥和码头连接部位没有出现破损情况。2000～2005年期间，随着码头吞吐量提升，靠泊船舶的吨位和频次也有所提升，该段期间内引桥和码头连接部位开始显现了轻微的破损。2005～2008年期间泊位的利用率和吨位大大提高，破损速度非常明显，引桥与码头连接部位的码头结构出现了严重的破损，主要体现在连接部位的横梁出现严重的端部劈裂。另外连接区域的面板同横梁搭接出现了明显的错动。纵横梁节点下方桩帽出现斜向劈裂，连接部位的边板出现断裂。这些破损呈现明显的水平力和扭转掰裂的特征[4]。经过分析认为，这些力主要包括来自引桥方向的水平推力、沿码头前沿线方向的船舶系缆力、温度应力、垂直于码头前沿线方向的船舶挤靠力及撞击力等。

3.2北仑某码头

该码头位于杭州湾口外金塘水道南岸，宁波市北仑山和岩河西侧，5万t级散货(兼靠8万t散粮船)，1998年6月30日竣工。该码头系引桥式高桩码头结构，码头总长度250 m，码头平台宽27.5 m。码头系梁板式高桩结构，共分4个结构段，排架间距为6.0 m，每个排架上布置8根桩(5根叉桩、3根直桩)，其中前轨道梁下部设置一根直桩和一根叉桩，后轨道梁下为一对叉桩，基桩均采用600 mm×600 mm预应力混凝土空心方桩。上部结构采用现浇横梁，预制轨道梁，预制边、纵梁，叠合面板，预制钢筋混凝土靠船构件，依靠现浇横梁和现浇面板将码头连接成整体。

引桥长361.5 m，总宽度为18.6 m，跨径18 m，车道宽度7.3 m。桥体采用高桩墩台结构，共20排；上部结构采用预应力空心大板，系简支结构；从岸边开始，第1处墩台下设置单排共6根Ф1 200 mm钻孔灌注桩，第2至第12处墩台的每处墩台下设置2排共10根600 mm×600 mm预应力混凝土空心方直桩，第13至第20处墩台的每处墩台下设置2排共10根600 mm×600 mm预应力混凝土空心方叉桩。码头及桩基布置如图3所示，码头结构断如图4所示。

2014年对该码头检查时发现，靠近码头的引桥墩台下有3根桩开裂，开裂部位位于桩顶附近，裂缝为横向贯通环缝，表明桩已经断开。该墩台上布置两排桩，开裂的3根桩均位于靠岸侧，裂缝特征及位置特征明显，可以判断为受力裂缝。

3.3温州某码头

以上两个码头结构均为一个承台，未分前、后承台。温州瓯江边有数座引桥式高桩码头，码头结构型式基本相同，码头结构分前、后承台，前承台设置叉桩承受水平力，后承台设置直桩承受垂直力。引桥与后承台间设置分缝，引桥端部排架间距减小，并设置了横撑梁，加强引桥端部结构的刚度。码头桩位图如图5所示。现场调查发现引桥结构状况良好。

图3 码头及引桥桩位简图Fig.3Sketchofpilepositionofwharfandapproachbridge图4 码头断面图Fig.4Wharfcross-sectionaldrawing图5 码头桩位示意图Fig.5Sketchofpilepositionofwharf

4 原因分析

针对上述引桥与码头连接部位发生的破坏问题，我们简要分析了其破坏的原因主要为：(1)开裂主要是由水平力引起的。从结构的破坏形态不难判断，力的作用是引起破坏的根本原因。第一个案例中，力的来源是多方面的，包括船舶力、温度应力等。船舶等级的提高势必会加大对码头的作用力，有时甚至出现了船舶搁浅斜靠的情况，十分危险。引桥与码头呈斜交或垂直布置，因为引桥的尺度较长，热胀冷缩时会对码头产生很大的横向水平力[5]。另外岸坡土体的变形也会造成引桥及码头间的水平位移差，从而使得两者之间产生水平方向的挤压力[6]；(2)在河口地区水流速大，船舶挤靠力和系缆力会很大，加之码头结构整体刚度相对较小，故会产生相对较大的变形，容易在整体结构的断面变化、刚度变化及连接部位产生应力集中的效应，从而造成结构破坏；(3)引桥与码头连接结构设置不合理。上述两个码头与引桥均没有设置分缝，未将码头和引桥完全分开，只是通过简支板简单搭接过渡，这样会对结构的变形产生一定的约束，从而造成局部应力过大而破坏。案例三中码头引桥和前承台间由后承台隔开，前承台承受了水平力，不会传递到引桥，这样结构受力清晰，避免了引桥结构的破坏；(4)裂缝产生后，环境介质因素会加剧裂缝的发展。比如北方寒冷季节时裂缝内毛细水的结冰膨胀作用和南方炎热地区海水中氯离子的侵蚀作用，都会促进裂缝的发展进而破坏结构的性能。

5 典型案例数值模拟分析

5.1数学模型建立

图6 码头与栈桥连接段有限元模型Fig.6Finiteelementmodelforconnectionofwharfandtrestle图7 码头上部结构整体变形图Fig.7Overalldeformationoftheupperstructureofwharf

针对本文3.1节所述的码头，为了分析码头与引桥连接处结构破坏的原因，我们选取3#泊位与栈桥相连的一个结构段为分析对象，该结构段由10个横向排架组成，排架间距7 m，结构段总长63 m。采用ANSYS大型有限元软件对码头结构进行建模[7]，有限元模型如图6所示。计算荷载为5万t散货船的挤靠力。梁系结构内力如图7所示。

5.2计算结果

图8 连系梁中应力分布图Fig.8 Stress distribution diagram of tie beam

由图7可以看出，右侧的4个排架由于栈桥的约束作用，横向变形较小，虽然这对提高码头的水平刚度是有利的，但这个约束作用也给结构造成很大并且复杂的内力从而导致结构破坏。图8是码头中的一个连系梁构件应力分布图，发生了很明显扭转变形，与码头实体中连系梁端部开裂十分吻合。因为我们通常设计码头结构时，并没有特别考虑构件的抗扭性能，所以容易导致结构的扭转开裂。通过这个案例，可以明显看出码头和引桥间存在着力传递，对码头结构造成不利的影响。

6 结论及建议

通过以上两个工程实例可以看出，引桥式高桩码头的引桥与码头连接部位是容易发生结构性破坏的部位，在码头设计时应重点考虑。首先建议将与引桥连接的码头区域设置成独立的结构段，增加该结构段的斜桩数量，加大码头及引桥结构的水平刚度。另外，应设置结构缝将码头结构和引桥结构分开，避免力的传递。如果设置渡板，建议用钢结构渡板，并设置滚动支座，尽量避免应力集中。也可通过设置后承台的方式，隔开来自前承台的水平力，从而避免连接部位结构破坏。

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Discussion on the connection structure of wharf and approach bridge

LIYue-song1,CHENZhi-le2,WANGGao-xing2

(1.TianjinResearchInstituteforWaterTransportEngineering，NationalEngineeringLaboratoryforPortHydraulicConstructionTechnology,KeyLaboratoryofHarbor&MarineStructureSafety，
MinistryofTransport，Tianjin300456，China；2.WaterTransportPlanningandDesignCo.,Ltd.,ChinaCommunicationsConstructionCompanyLimited,Beijing100007,China)

In this paper, the characteristics of pier with approach trestle, its structural styles and the arrangement were introduced. Common structural damages appeared on the connections between the pier and the bridge approach were discussed in detail. The causes of the structural damage were analyzed through engineering examples, and some suggestions were put forward for the structural design of this type of pier.

approach bridge; wharf; junction structure

2017-02-17；

2017-04-15

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(TKS140210)

李越松(1977-) ,男,河北省廊坊人,副研究员,主要从事港口结构与土体相互作用研究。

Biography:LI Yue-song(1977-) ,male , associate professor.

TU 473

A

1005-8443(2017)05-0517-04