重力式码头结构设计比选分析

摘 要：文章通过对大型重力式码头结构设计方案的对比分析，提出结构设计优化，结果表明：在结构方案设计中，需要因地制宜进行设计优化，不断提高工程经济效益。关键词：圆筒结构 沉箱结构 结构分析 方案优化

钦州港大榄坪北1号至3号泊位工程作为钦州保税港区内的港口建设项目，是广西北部湾国际港务集团有限公司本着“立足北部湾、面向东南亚、沟通东中西、服务大西南和东盟自由贸易区”的宗旨，为加快钦州保税港区的建设、满足广西沿海港口吞吐量快速增长的需要，将钦州港打造为亿吨级现代化大型港口，增强其港口核心竞争力并实现持续快速发展，同时为推动泛北部湾经济合作、促进广西北部湾经济区的经济发展而筹建的。

重力式码头是我国港口工程中广泛采用的结构型式。特别是近年来码头向大型化、深水化发展迅速，重力式结构因其造价适中，耐久性好，承载能力较高的优点，更越来越多地被采用。在已建成的重力式码头中，据不完全统计，沉箱、大圆筒等结构占3/4以上，可见重力式码头未来的发展趋势。为此，有必要就重力式码头中沉箱和圆筒这两种主要结构设计方案从技术和造价方面作较深入的比较分析，提出结构设计优化方案。

1.重力式码头结构方案

1.1码头水工结构

根据码头位置的地质勘察资料，码头水工建筑物在多个方案论证的基础上，筛选出二个方案比选。方案一为钢筋混凝土薄壁大圆筒方案，方案二为钢筋混凝土沉箱方案。

根据总平面布置方案，每种结构型式均可与两个平面布置方案相对应。

1.1.1方案一（钢筋混凝土薄壁大圆筒方案）

根据装卸工艺及总平面布置特点，结合项目所在地地质条件，本项目码头前沿水工采用钢筋砼薄壁大圆筒结构。圆筒外径18m，圆筒壁厚34cm，圆筒下为抛石基床，抛石基床下持力层为中风化岩石（抛石基床厚不小于1.0m），5万吨级多用途泊位圆筒底高程-13.60m，7万吨级汽车滚装泊位圆筒底高程-12.60m，圆筒顶高程均为3.0m，圆筒外趾悬挑80cm，圆筒内回填砂及砾卵石反滤料，回填砂要求振冲达到中密以上。圆筒上为现浇钢筋砼盖板和胸墙，盖板为梁肋式结构，最小悬挑长度0.80m。本工程共有圆筒54个，盖板及胸墙各54段。

2号、3号泊位集装箱岸桥后轨道梁下采用PHC-AB800-120管桩，桩直径80cm，桩间距为5m，桩顶设钢筋砼桩帽，桩帽上设钢筋砼轨道梁。

详见钢筋混凝土薄壁大圆筒方案（结构方案一）。

1.1.2方案二（钢筋混凝土有底沉箱方案）

5万吨级多用途泊位沉箱底高程-13.60m，沉箱外型尺寸为：长×宽×高=15.95m×18.15m×16.6m（宽度含前趾）。沉箱前壁厚为0.45m，侧壁厚为0.35m，隔板厚为0.25m，底板厚0.70m。抛石基床下持力层为强风化岩石（抛石基床厚不小于2.0m）、中风化岩石（抛石基床厚不小于1.0m）。沉箱内回填砂，回填砂要求振冲达到中密以上。5万吨级多用途泊位沉箱上为现浇钢筋砼轨道梁和胸墙，沉箱后沿的轨道梁悬挑1.0m（悬出沉箱外壁）。

集装箱岸桥后轨道结构与方案一相同。

详见钢筋混凝土有底沉箱方案（结构方案二）。

1.2 码头结构计算结果（见表1～表3）

综上所述，经对各方案的技术、经济分析比较，本工程水工结构推荐大圆筒结构方案，即方案一。

2.2 结构方案优化分析

2.2.1 方案一（钢筋混凝土薄壁大圆筒方案）

大圆筒结构的受力特征在于水平抗滑能力很强，抗倾稳定性比较差，大圆筒前趾的压应力比较大。

针对埋入式大圆筒结构，考虑在大圆筒的后部，设置抗倾加强结构。抗倾加强结构由大圆筒的侧面伸出环形板和加强梁构成，环形板和加强梁连接在大圆筒的侧壁上。抗倾加强结构可以设置在大圆筒的外侧或内侧，也可以设置在内侧和外侧，有条件应尽量内侧和外侧同时布置，以减小大圆筒侧壁的弯曲应力。内侧和外侧的抗倾加强结构可以设置在不同高度上。抗倾加强结构设置在不影响大圆筒下沉的高度上，并尽量往下设置，以提高抗倾效果。抗倾加强结构下方的填料可以采用振冲密实、高压射水等方法充填饱满密实。

设置抗倾加强结构，增加大圆筒上的有效质量，提高大圆筒和填料之间的摩擦力，提高大圆筒结构的抗倾稳定性，减小大圆筒底板前趾应力，减小大圆筒的位移，效果良好。

2.2.2 方案二（钢筋混凝土有底沉箱方案）

为了提高码头的装卸效率，往往需要将门机后轨道梁设置在沉箱的后部，某些情况下由此加宽了沉箱的宽度，针对这种情况，提出沉箱后倾的码头结构方案。

实现沉箱的后倾有3种途径：①采用底面倾斜的沉箱安装在水平的基床上形成后倾；②采用普通沉箱安装在后倾的基床上形成后倾；③采用底面倾斜的沉箱安装在后倾的基床上实现更大的后倾角度。

后倾的沉箱码头结构的优缺点如下：①减少土压力，增加结构稳定性，基床受力合理，减少船舶意外撞击沉箱的风险；②有利于将门机后轨设置在沉箱上减少差异沉降；③提高抵抗波浪吸力；④倾斜沉箱的预制、运输、安装以及倾斜基床的抛填、密实比普通沉箱结构和基床的施工要求更高，施工需要增加一定成本。在适用条件下后倾沉箱的总体效益会达到更低的造价。

2.2.3 沉箱和圆筒结构方案对比分析

在保持主要安全技术指标与原案基本一致的前提下，通过改变原沉箱结构为圆筒结构可降低工程造价。从技术角度分析，沉箱结构有较大的质量，抗滑能力强。对于相同底宽的圆筒结构而言，可从两方面提高圆筒的抗滑能力，其一是保留临时底板为固定底板，增大上部混凝土结构，以使自重力增加；其二是在增大上部混凝土结构的同时，采用无底板圆筒，筒内填二片石与抛石基床接面，按现行规范规定提高基床面抗滑动摩擦系数到0.65。

经过对比沉箱和圆筒方案后得出的结论是：圆筒结构方案，在极端高水位控制情况下沿抛石基床面水平滑动的验算结果均与原沉箱方案基本一致，但其每延米造价则均有明显下降。就结构案例而言，采用圆筒结构具有明显的技术经济优势。

3.结语

①从沉箱和圆筒结构设计方案来看，在保持结构设计安全的前提下，圆筒结构方案有明显的经济优势。②坐床式圆筒结构值得进一步推广应用。③某些重力式码头的设计条件和使用要求有其特殊性，结构设计方案需要因地制宜进行设计优化。本文提出设置沉箱尾部结构、沉箱后倾、大圆筒设置抗倾加强结构技术创新，在适用条件下具有较大的应用价值。

参考文献：

[1]交通部水运司.水运工程现行建设技术标准.北京：人民交通出版社，2005.

[2]中华人民共和国交通运输部.重力式码头设计及施工规范（JTS167-2-2009）.北京：人民交通出版社，2009.

[3]中华人民共和国交通运输部.水运工程混凝土结构设计规范（JTS151-2011）.北京：人民交通出版社，2011.

[4]交通部水运工程定额站.沿海港口建设工程概算预算编制规定及配套定额（2004）.