内河现浇高桩框架码头结构设计关键技术环节

江斌，陈孝建

（江西省港航设计院有限公司，江西 南昌 330008）

在长江中下游地区内河码头设计中，由于高低水位差较大，经常采用高桩框架结构，该结构可以随着水位的升降实现船舶的多层系靠。高桩框架码头结构设计的关键性技术环节主要有结构段划分、多层系缆设计、桩基结构设计、结构计算等。这些关键环节中有些在规范中有规定，有些没有规定。虽然有些技术环节在规范中有规定，但在港口工程设计文件或者实际设计考虑中普遍存在疏漏或表达不够充分的情况，甚至出现误解或执行不力的问题；也有一些在规范中并没有明确。为了形成更趋完善、合理的技术环节，在正确理解规范的基础上，需要建立一套完整、合理的思维体系，并将其运用于设计过程之中。本文对现浇高桩框架码头结构设计关键技术环节进行阐述，对类似设计具有参考意义。

1 结构方案的确定

1.1 结构段的划分

影响高桩码头伸缩缝间距设置的因素较多，如温差、上部结构形式、桩基刚度、桩基布置等。沉降缝主要考虑荷载和地质状况，一般与伸缩缝合并处理设置结构缝。《码头结构设计规范（JTS 167-2018）》第5.1.10条规定[1]：码头桩台应设置伸缩缝和沉降缝。对于高桩梁板码头现浇结构不宜大于35m 一段，对于装配预制高桩梁板码头取60—70m 一段。预制结构的结构段一般较现浇结构要长，这是由于预制混凝土构件已基本完成收缩，故伸缩缝的间距可适当加大。

《混凝土结构设计规范（GB50010-2010）》表8.1.1[2]，对于露天的装配式排架结构和装配式框架结构伸缩缝最大间距分别为70m 和50m。此外柱高低于8m 的排架结构伸缩缝间距宜适当减小。这是由于结构刚度的不同而导致的差异，框架结构刚度大，会对混凝土的收缩产生更大的约束应力，从而更容易导致开裂。

设计者应结合规范，并通过有效的分析或计算慎重考虑各种因素对结构内力和裂缝的影响，确定合理的伸缩缝间距。

1.2 多层系缆分层高度的确定

由于河道水深和航行条件的限制，内河船舶尺度较小，船舶满载时干舷较低，为了满足不同水位下船舶系靠泊要求，码头结构通常需要布置多层系船柱或浮式靠船设施，分层高度可取为3—4m[3]。设计人员在设计时往往在这个区间取值确定分层，分层高度的选择欠考虑，具有随意性。实际在考虑分层高度时尚需要结合船舶在较低水位靠泊时，船舶干舷与系缆平台的相对高度以满足人员上下船的要求，随意分层可能导致船上人员上下不便，并且需尽可能地减少分层层数以降低结构造价。

1.3 框架结构中斜撑的设置

在一些高桩框架码头中常常设置斜撑来增加结构整体刚度，且一般设置于立柱与纵横撑节点处，斜撑的设置导致该处节点连接较为繁杂，实际施工时较为不便，有些项目施工单位直接请求变更设计申请取消斜撑的设计。

从计算结果比较来看，斜撑的设置对于结构整体刚度有所增加，但是增加不够明显，从变形考量会减少10%左右，且不设置斜撑时变形依然可以满足要求。这主要是由于高桩框架码头下部已经设置了多层系缆，且整个结构段框架也设置了纵横向水平撑，对于结构段的整体刚度已经有了较好保证；并通过具体项目使用参照，高桩框架码头中不设置斜撑也能满足运营使用要求。因此建议高桩框架码头结构中尽量不设置斜撑。

2 结构计算中的相关考虑

2.1 计算模型选择

2.1.1 空间特性

《码头结构设计规范（JTS 167-2018）》在第5.2.4条阐述了可根据码头梁系、桩基的布置和结构的整体性等，选择按平面结构计算或者空间结构计算结构内力。但是在高桩码头设计当中，设计人员往往从简单快捷的角度出发，按照简化的二维平面排架结构进行计算，而忽视对码头空间特性的分析。二维平面排架结构的计算方法，虽然大多在偏安全的范围内，但是也带来了工程造价的增加。

对于现浇高桩框架码头，码头分段长度（不宜大于35m）与平台宽度相差较小，且由于下部纵横联系梁的设置，码头纵横向刚度比较接近。根据有关研究成果表明当码头纵横向刚度比较接近，空间特征较为明显时，高桩结构应按空间计算取值更为合理。

2.1.2 水平集中力在高桩码头排架中的分配系数

二维平面排架结构计算方法需要考虑水平集中力的横向分力在各排架中的分配，在《码头结构设计规范（JTS 167-2018）》附录F 中给出了5 跨～10 跨结构段水平集中力的横向分力在高桩码头排架中的分配系数。但是在实际工作中，因为内河大水位差码头经常采用整体现浇上部结构，而《码头结构设计规范（JTS 167-2018）》5.1.12 条规定：上部结构为整体浇筑混凝土时，不宜大于35m。因此进行码头结构设计时经常会遇到四跨的情况，而规范中却没有给出可供参考的数值。此外，高桩框架码头所受水平集中力作用高程的不同也会对分配系数造成影响[4]，而规范未对此做出区分。因此，规范给出的分配系数对于高桩框架码头并不适用。

鉴于以上两点分析，对于现浇高桩框架码头应优先采用三维空间结构进行计算。

2.2 系缆力施加

在采用三维空间结构进行码头计算时，往往选择一个最不利的结构段进行计算。在对模型施加系缆力时设计人员往往欠考虑，会直接在计算结构段的两端分别施加一个系缆力，这样施加的系缆力导致忽略了单个系缆力对结构段所产生的扭转影响，并且与系缆力计算情况不符。依据《九江港总体规划（修订）》[5]，内河船舶总长一般不会超过150m。依据《港口工程荷载规范（JTS 144-1-2010）》10.2.2 条[6]：船舶总长≤100m 时，受力系船柱为2 个；101m ≤船舶总长≤150m 时，受力系船柱为3 个。在系缆力计算时会根据该条款确定同时受力的系船柱个数。由于一个结构段的长度宜在35m以内，因此对于一艘内河船舶的靠泊结构段一般在两个以上。因此按照计算受力系缆系船柱的个数和靠泊的结构段数量，在一个计算结构段内只需施加一个系缆力即可，这也与系缆力计算时保持了一致性。

2.3 撞击力施加

内河高桩框架码头设计水位差有时高达十几米。为了满足不同水位的靠泊需求，橡胶护舷一般在每个排架整个水位变化范围内都有布置。在计算时，设计人员有的在模型端排架上施加一个点的撞击力，有的施加两个。但是对于为什么施加一个或者两个点的撞击力并不知其缘由，施加的撞击力可能会与实际靠泊情况相差甚远。

在进行撞击力计算时，先计算船舶靠泊时的有效撞击能量，然后根据有效撞击能量去选择满足吸能量的护舷。下面以内河5000 吨级散货船为例，阐述推算施加撞击点的个数和撞击力大小的思路，供设计参考。船型主尺度如下表所示。

表1 5000 吨级散货船主尺度

按照规范计算得到5000 吨级散货船有效撞击能量为80kJ，选用SA-A500H×1500 的标准反力橡胶护舷时，单个护舷变形52.5%时可满足吸能要求，此时反力为516kN。此外，有一点设计人员比较容易忽略，就是在选用橡胶护舷时需要考虑10%的性能公差，即偏保守时橡胶护舷的吸能需要乘以90%进行选用。综合考虑船舶型深和靠泊角度因素，假定船舶靠泊时有3m 高的舷侧板与橡胶护舷接触，则靠泊时会接触两个所配置护舷。下图给出了橡胶护舷反力与吸能关系曲线。

从橡胶护舷的吸能反力变形曲线可以看出，橡胶护舷变形在30%时，就已经达到了最大反力(516kN)，而吸能则基本只要有一半（40kJ）。按照以上假定，船舶在靠泊时同时撞击两个护舷，则受撞击的两个护舷同时达到30%变形时，吸能刚好能满足船舶撞击能量，此时两个护舷均达到了最大反力516kN。因此在这种情况下，在计算模型上施加的撞击力应该是两个。

通过以上分析可以看出，撞击力的施加与船舶靠泊时舷侧板撞击橡胶护舷的情况有关，设计人员在施加撞击力时不能盲目地施加一个或者是两个，应该结合设计船型综合分析，以得到较为准确的施加方式，更要避免错误的施加方式而得到偏不安全的计算结果。

2.4 三维空间结构计算时面板作用的影响

在按空间结构计算时，设计人员往往忽视面板的处置，惯性地在计算时面板统一建模考虑。这种惯性思维可能带来偏不安全的计算结果。

对于桩力的计算，不考虑面板时的计算结果偏大，考虑面板时计算结果略小于平面计算结果，也相对符合实际情况，因此计算桩力时推荐考虑面板的计算模型。

对于纵向梁和横梁内力计算，空间无面板计算结果一般大于空间有面板的计算结果。从更安全的角度出发，建议采用空间无面板模型。杨锡鎏等[7]研究认为把面板的弹性模量设置成极小值时忽略面板作用力的可行方法。

2.5 结构整体水平位移控制

对于码头结构整体水平位移，规范规定按正常使用极限状态进行控制。但是在正常使用极限状态下存在标准组合、频遇组合、准永久组合三种，具体选用哪种组合规范也没有进行说明。标准组合针对不可逆的正常使用极限状态，频遇组合和准永久组合针对可逆的正常使用极限状态和结构的长期性能。在具体设计过程中，对于结构整体水平位移计算的组合选择，设计人员缺乏统一的认识和选择标准，造成了计算结果上的差异，进而导致设计的桩基等结构尺度的不同。

针对结构整体水平位移控制，欧洲标准《BS EN 1990 Eurocode — Basis of structural design》[8]做了较为详细的规定，指出利用标准组合计算结构位移。

码头结构对于水平位移的控制主要出于人员舒适度和装卸设备使用功能方面的考虑，笔者认为欧洲标准指出按标准组合控制结构水平位移，可以避免码头结构在水平力的作用下产生不可逆的永久水平位移，进而影响到装卸设备的使用功能，同时水平位移的严格控制可以减少码头面作业人员的不适感。因此，本文建议在码头结构整体水平位移计算时参照欧洲标准按标准组合进行控制。

确定计算荷载组合之后，就需要将计算得到的水平位移与水平位移控制标准进行对比，但是规范也没有给出码头水平位移控制的标准。同样结合装卸设备的使用功能和码头面作业人员的舒适感考虑，根据经验一般推荐不大于20mm。

3 结语

通过以上对高桩框架码头结构设计关键技术环节的阐述，本文给出以下几点建议供参考：

（1）高桩框架码头结构段划分需参照规范，并通过有效的分析或计算慎重确定；对于高桩框架码头现浇结构不宜大于35m 一段，对于装配预制高桩框架码头不宜大于50m 一段。

（2）多层系缆分层高度除需满足不同水位船舶系靠泊要求外，尚需方便人员上下船，并且尽可能地减少分层层数以降低结构造价。

（3）高桩框架码头结构中尽量不设置斜撑。

（4）高桩框架码头应优先采用三维空间结构进行计算。

（5）系缆力的施加应结合计算结构段长度、船舶总长和计算受力系船柱个数综合确定，以得到较为准确的施加方式。

（6）撞击力的施加与船舶靠泊时舷侧板撞击橡胶护舷的情况有关，应该结合设计船型综合分析施加个数，以得到较为准确的施加方式。

（7）计算桩力时推荐考虑面板的计算模型，计算纵向梁和横梁内力计算采用空间无面板模型。

（8）码头结构整体水平位移计算时按标准组合进行控制，且一般不大于20mm。