碼頭與引橋連接結構的設置問題探討

李越松，陳志樂，汪高星

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業重點實驗室,天津300456；2.中交水運規劃設計院有限公司，北京100007)

碼頭與引橋連接結構的設置問題探討

李越松1，陳志樂2，汪高星2

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 水工構造物檢測、
診斷與加固技術交通行業重點實驗室,天津300456；2.中交水運規劃設計院有限公司，北京100007)

文章介紹了引橋式碼頭的特點、結構型式、布置方式，主要針對引橋與碼頭連接部位常見的結構性破壞進行了總結描述，通過工程實例分析了發生結構破損的原因，并對此類型碼頭的結構設計提出了建議。

引橋；碼頭；連接結構

高樁碼頭是碼頭的三大結構型式之一[1]，廣泛分布于沿海、河口及河流下游的沖積軟土地區,這些區域往往坡面平緩。高樁碼頭的平面布置型式有滿堂式和引橋式兩種[2]，如果將碼頭布置成連岸式的型式，就需要有大量的回填或開挖。有時在碼頭貨量較少或貨種為散貨或流體時，可將碼頭布置成離岸引橋式(有時也稱作“棧橋式”)，貨物可通過流動運輸機械、傳送帶或管道運送至后方場地。這種平面布置型式能大大減小工程造價，所以在河口區域廣泛采用。

但通過多年的工程實踐，引橋式布置形式也存在一定的問題。在河口區域靠泊的船舶等級一般比較大，加上河口區域水流較大，船舶對碼頭產生的水平作用力也很大，往往會對碼頭結構造成一定的威脅。本文通過對引橋式碼頭的調查檢測，指出該類型碼頭發生的破損問題及特點，希望對今后的引橋式高樁碼頭結構設計提供參考。

1 引橋式碼頭的結構型式

引橋式碼頭主要有重力式和高樁式兩種型式。重力式引橋碼頭主要建于地質條件較好的海岸，為滿足大型泊位的水深條件，多采取這種結構形式。碼頭部分一般采用沉箱墩式結構，碼頭中部為工作平臺，兩端設置靠船墩和系船墩。引橋部分基礎也采用沉箱墩式結構，橋面采用預應力梁板結構或鋼桁架結構。高樁式引橋碼頭主要建于沿海有沉積地層的河口區域，由于沖積區域地勢平坦，為滿足水深條件，往往布置成引橋型式。碼頭部分一般采用高樁梁板結構或結合高樁墩臺的結構型式，引橋部分大多采用高樁梁板式結構，視引橋的長短決定是否設置斜樁。

引橋的平面布置主要有單引橋和多引橋兩種型式。對于采用管道或輸送帶傳輸的石油、礦石或煤碼頭等，由于不需要流動運輸機械，所以可減少引橋的數量，設置為單引橋型式。對于散雜貨碼頭、集裝箱碼頭等多布置成雙引橋型式，往往是多個泊位共用引橋，有利于裝卸作業時的交通管理[3]。

2 常見的結構問題

引橋式碼頭除有諸多優點之外，也存在一些缺點：(1)碼頭主體遠離岸邊，缺少來自岸壁的支撐，勢必會減小碼頭抵抗船舶力、波浪力等水平力的能力。這種情況對于高樁碼頭尤其明顯，大潮差區域的高樁碼頭樁的自由段相對較長，導致碼頭上部結構的剛度較小，不能承受大的水平力。對于重力引橋式碼頭，碼頭的墩體高度相對較高，這樣對于結構抗震有不利影響；(2)碼頭主體與引橋的連接部位受力復雜，結構容易產生受力破損。引橋與碼頭存在一定的夾角，這樣會使來自不同方向的力(如船舶擠靠力、沿流方向的系纜力、溫度應力等)疊加作用于連接部位，由于這種力的組合比較復雜，難于從設計上設防，所以結構破損的概率大大提高。這些結構破損問題多發于高樁式引橋碼頭，重力式引橋碼頭基本沒有發生。

3 工程案例

3.1東北某港

圖1 碼頭平面布置簡圖Fig.1 Plane layout diagram of wharf

該港位于東溝平原的鴨綠江西水道入?？诘慕７纸缇€、大東溝與廟溝之間的三角灘地處，早期建設2#～5#四個萬t級泊位，為高樁梁板式棧橋碼頭。四個碼頭全長704 m，碼頭平面簡圖如圖1所示，3#泊位碼頭結構斷面圖如圖2所示。碼頭前方14 m范圍內碼頭面設計荷載為2 tm2，后方22 m范圍內碼頭面設計荷載為3 tm2。該碼頭3#泊位建于1986年，1988年上半年投入使用；2#、4#和5#泊位續建于1991年，1994年投入生產；3#泊位于1996年升級改造為5萬t級泊位。引橋為高樁梁板式結構，總長400.8 m，橋寬17 m，共27排樁基排架。引橋與碼頭的夾角為35°。

圖2 3#碼頭斷面圖Fig.2 Cross-sectional drawing of No.3 wharf

該碼頭的引橋與3#碼頭的北端連接。引橋為高樁梁板式結構，設有叉樁。引橋與碼頭結構連接采用簡支渡板搭接。2000年以前，由于碼頭吞吐量小，靠泊的船舶也比較小，引橋和碼頭連接部位沒有出現破損情況。2000～2005年期間，隨著碼頭吞吐量提升，靠泊船舶的噸位和頻次也有所提升，該段期間內引橋和碼頭連接部位開始顯現了輕微的破損。2005～2008年期間泊位的利用率和噸位大大提高，破損速度非常明顯，引橋與碼頭連接部位的碼頭結構出現了嚴重的破損，主要體現在連接部位的橫梁出現嚴重的端部劈裂。另外連接區域的面板同橫梁搭接出現了明顯的錯動?？v橫梁節點下方樁帽出現斜向劈裂，連接部位的邊板出現斷裂。這些破損呈現明顯的水平力和扭轉掰裂的特征[4]。經過分析認為，這些力主要包括來自引橋方向的水平推力、沿碼頭前沿線方向的船舶系纜力、溫度應力、垂直于碼頭前沿線方向的船舶擠靠力及撞擊力等。

3.2北侖某碼頭

該碼頭位于杭州灣口外金塘水道南岸，寧波市北侖山和巖河西側，5萬t級散貨(兼靠8萬t散糧船)，1998年6月30日竣工。該碼頭系引橋式高樁碼頭結構，碼頭總長度250 m，碼頭平臺寬27.5 m。碼頭系梁板式高樁結構，共分4個結構段，排架間距為6.0 m，每個排架上布置8根樁(5根叉樁、3根直樁)，其中前軌道梁下部設置一根直樁和一根叉樁，后軌道梁下為一對叉樁，基樁均采用600 mm×600 mm預應力混凝土空心方樁。上部結構采用現澆橫梁，預制軌道梁，預制邊、縱梁，疊合面板，預制鋼筋混凝土靠船構件，依靠現澆橫梁和現澆面板將碼頭連接成整體。

引橋長361.5 m，總寬度為18.6 m，跨徑18 m，車道寬度7.3 m。橋體采用高樁墩臺結構，共20排；上部結構采用預應力空心大板，系簡支結構；從岸邊開始，第1處墩臺下設置單排共6根Ф1 200 mm鉆孔灌注樁，第2至第12處墩臺的每處墩臺下設置2排共10根600 mm×600 mm預應力混凝土空心方直樁，第13至第20處墩臺的每處墩臺下設置2排共10根600 mm×600 mm預應力混凝土空心方叉樁。碼頭及樁基布置如圖3所示，碼頭結構斷如圖4所示。

2014年對該碼頭檢查時發現，靠近碼頭的引橋墩臺下有3根樁開裂，開裂部位位于樁頂附近，裂縫為橫向貫通環縫，表明樁已經斷開。該墩臺上布置兩排樁，開裂的3根樁均位于靠岸側，裂縫特征及位置特征明顯，可以判斷為受力裂縫。

3.3溫州某碼頭

以上兩個碼頭結構均為一個承臺，未分前、后承臺。溫州甌江邊有數座引橋式高樁碼頭，碼頭結構型式基本相同，碼頭結構分前、后承臺，前承臺設置叉樁承受水平力，后承臺設置直樁承受垂直力。引橋與后承臺間設置分縫，引橋端部排架間距減小，并設置了橫撐梁，加強引橋端部結構的剛度。碼頭樁位圖如圖5所示?，F場調查發現引橋結構狀況良好。

圖3 碼頭及引橋樁位簡圖Fig.3Sketchofpilepositionofwharfandapproachbridge圖4 碼頭斷面圖Fig.4Wharfcross-sectionaldrawing圖5 碼頭樁位示意圖Fig.5Sketchofpilepositionofwharf

4 原因分析

針對上述引橋與碼頭連接部位發生的破壞問題，我們簡要分析了其破壞的原因主要為：(1)開裂主要是由水平力引起的。從結構的破壞形態不難判斷，力的作用是引起破壞的根本原因。第一個案例中，力的來源是多方面的，包括船舶力、溫度應力等。船舶等級的提高勢必會加大對碼頭的作用力，有時甚至出現了船舶擱淺斜靠的情況，十分危險。引橋與碼頭呈斜交或垂直布置，因為引橋的尺度較長，熱脹冷縮時會對碼頭產生很大的橫向水平力[5]。另外岸坡土體的變形也會造成引橋及碼頭間的水平位移差，從而使得兩者之間產生水平方向的擠壓力[6]；(2)在河口地區水流速大，船舶擠靠力和系纜力會很大，加之碼頭結構整體剛度相對較小，故會產生相對較大的變形，容易在整體結構的斷面變化、剛度變化及連接部位產生應力集中的效應，從而造成結構破壞；(3)引橋與碼頭連接結構設置不合理。上述兩個碼頭與引橋均沒有設置分縫，未將碼頭和引橋完全分開，只是通過簡支板簡單搭接過渡，這樣會對結構的變形產生一定的約束，從而造成局部應力過大而破壞。案例三中碼頭引橋和前承臺間由后承臺隔開，前承臺承受了水平力，不會傳遞到引橋，這樣結構受力清晰，避免了引橋結構的破壞；(4)裂縫產生后，環境介質因素會加劇裂縫的發展。比如北方寒冷季節時裂縫內毛細水的結冰膨脹作用和南方炎熱地區海水中氯離子的侵蝕作用，都會促進裂縫的發展進而破壞結構的性能。

5 典型案例數值模擬分析

5.1數學模型建立

圖6 碼頭與棧橋連接段有限元模型Fig.6Finiteelementmodelforconnectionofwharfandtrestle圖7 碼頭上部結構整體變形圖Fig.7Overalldeformationoftheupperstructureofwharf

針對本文3.1節所述的碼頭，為了分析碼頭與引橋連接處結構破壞的原因，我們選取3#泊位與棧橋相連的一個結構段為分析對象，該結構段由10個橫向排架組成，排架間距7 m，結構段總長63 m。采用ANSYS大型有限元軟件對碼頭結構進行建模[7]，有限元模型如圖6所示。計算荷載為5萬t散貨船的擠靠力。梁系結構內力如圖7所示。

5.2計算結果

圖8 連系梁中應力分布圖Fig.8 Stress distribution diagram of tie beam

由圖7可以看出，右側的4個排架由于棧橋的約束作用，橫向變形較小，雖然這對提高碼頭的水平剛度是有利的，但這個約束作用也給結構造成很大并且復雜的內力從而導致結構破壞。圖8是碼頭中的一個連系梁構件應力分布圖，發生了很明顯扭轉變形，與碼頭實體中連系梁端部開裂十分吻合。因為我們通常設計碼頭結構時，并沒有特別考慮構件的抗扭性能，所以容易導致結構的扭轉開裂。通過這個案例，可以明顯看出碼頭和引橋間存在著力傳遞，對碼頭結構造成不利的影響。

6 結論及建議

通過以上兩個工程實例可以看出，引橋式高樁碼頭的引橋與碼頭連接部位是容易發生結構性破壞的部位，在碼頭設計時應重點考慮。首先建議將與引橋連接的碼頭區域設置成獨立的結構段，增加該結構段的斜樁數量，加大碼頭及引橋結構的水平剛度。另外，應設置結構縫將碼頭結構和引橋結構分開，避免力的傳遞。如果設置渡板，建議用鋼結構渡板，并設置滾動支座，盡量避免應力集中。也可通過設置后承臺的方式，隔開來自前承臺的水平力，從而避免連接部位結構破壞。

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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

中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目(TKS140210)

李越松(1977-) ,男,河北省廊坊人,副研究員,主要從事港口結構與土體相互作用研究。

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

TU 473

A

1005-8443(2017)05-0517-04