摘要：随着我国对外贸易的迅速发展，当前的港口以小型、浅水为主，已经不能满足如此巨大的进出口贸易量，码头未来的发展也必将以大型化和深水化为方向，但是我国的港口选址存在自然地理条件方面的局限性，在我国沿海地区修建港口成为了一件越来越困难的事情。为适应贸易活动，港口设计时可选择重力式码头结构，这种结构的特点是稳定性强，可以承受较大的压力，施工难度较小，适用于一些地面超载或者装卸过程对工艺的要求较为灵活的大型码头。这种结构能够适应软地基、深水化、大型化的要求，受到了大多数设计人员的偏好。本文针对某港口重力式码头项目设计时，对自然地理条件、结构优化、后轨道梁优化、门机后轨道梁有限元等方面进行逐步分析，从理论方面探究重力式码头设计的重点。
关键词：重力式码头；软弱地基；沉箱；优化分析
引言
该工程以推动当地的经济发展为目的，是大型公共通用码头的一期起步工程。工程初步设计码头岸线长为551m，建设有一个通用泊位和一个多用途泊位，分别是5万吨级和3万吨级，但是这两种泊位预留的吨级都是相等的，为10万吨级，码头的底高程初步设计为-16.1m；陆地修建面积大约为51.95万m²，修建陆地需要填海大约21.7万m²；通过系列的测试预测年吞吐量，其中杂货87.1万吨，散货225.8万吨，集装箱6.7万TEU。该工程的施工地点自然条件较为恶劣，岩面高低不平，落差较大，从靠近岸边的一侧到沿海的一侧，岩面的高度呈现递减的趋势，根据岩石的高低程度，最强风与最弱风之间标准高度相差大约23m，全风化花岗岩岩面的高度差大约为18m。在初步设计施工方案和进行可行性研究的过程中，针对该地的自然地理条件选择合适的结构。
1、水文条件
水位数据：水位的上限为2.94m，水位的下限为0.20m，极端值时，高位值为5.11m，低位值为-0.58m。
2、地质条件
该工程施工地点的地理条件为南面低北面高，岩面高低不一，土层的结构从上到下依次为：淤泥、粉细砂、黏土或粉质黏土、残积土、强风化花岗岩、中风化花岗岩。
3、结构优化分析
3.1地基承载力优化分析
码头的设计要遵循我国的可持续发展经济性原则，在一般的工程施工中，会在基础宽度和抛石基床的厚度上进行拓宽，这样会在无形中增加施工的成本，建议从以下几个方面进行地基承载力的优化：（1）选择合适的基础持力层和回填料。（2）设计好挖掘换填基槽的宽度和底部的宽度，根据国家相关标准规范，该宽度要大于等于码头墙底部的宽度和基床原本厚度的两倍的加和，由于填充的材料存在差异性，因此，基槽底部的宽度可以利用非圆弧滑动面来确定，具体操作是，首先确定码头的宽度，依据为基槽开挖面，然后计算基槽底部的宽度，圆弧是在最后的工序起到稳定结构的作用。（3）对比基槽开完前后的相关数据，结果显示，经过优化，基槽的宽度可以显著减少大约6m，疏浚量减少57.646m³，对应的回填量减少52.761m³，通过这一系列的优化，有效降低了施工成本。（4）优化胸墙高度。码头的标准高度设计为6.5m，沉箱顶部的标准高度设计为2.0m，胸墙的高度差控制在4.5m，每延米胸墙本身的重量在600KN左右。要优化胸墙，就要将其高度适当降低，那么对应的沉箱顶部的标准高度需要增加。
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3.2后轨道梁优化分析
一般来讲，当门机的轨距为10.5米时，它的轮压将会在350KN/轮以下。基于这个数据，我们在对门机后轨的基础结构进行选择时，通常选用沉箱。而近年来，为适应该领域的发展需要，沉箱开始变得越来越大，现代化设施的研发普及也推动了施工能力的发展，门机后轨座落于沉箱后壁，导致前后轨道沉降位移不一致。针对这一问题，现行的解决办法大多为将轨道梁固定在沉箱后壁上。在本工程中，基于地基承载力的要求，需要将胸墙高度降低，并抬高沉箱前仓格壁板至3.5米标高。针对这一要求，有以下几种基本解决方案以及对部分方案可能出现问题的讨论：（1）可在轨道梁下方加设混凝土板。但由于混凝土板与胸墙无法连接为一个有效的整体结构，可能无法达到预期受力要求；（2）可通过减少胸墙跟前仓格壁板高度的方法降低后轨道梁的高度；（3）可通过增加沉箱后壁板以及隔墙壁板高度的方法降低轨道梁的高度。但由于沉箱高度升高，同时自重增加（一个沉箱混凝土增加的重量约为740kN），将会影响基床应力以及地基承载能力，基于以上讨论，并结合本工程的地基承载力要求，最后选取了沉箱前仓格未填满的方案以满足地基承载力要求。上部结构重量或载荷的增加将会对地基承载力有着敏感的影响。
3.3门机后轨道梁有限元计算分析
针对后轨道梁的有关数据进行计算。分析后轨道梁投入使用和停止运作的情况，发现水平受力和防风拉索的上拔力共同作用于腹板时，腹板最不稳定。在防风拉索的上拔力作用于支撑板上时，其拉力的极值为586.27KN，当顶升力作用于支撑板上时，其压力的极值为564.676KN。通过精密的计算，需要为每米提供9根受拉钢筋以达到最优的效果，钢筋的直径为16。为了提高连接的稳定性，要使沉箱隔墙、侧壁及后壁板的钢筋插入到支撑板中。鉴于上述分析，后轨道梁的支撑优化可以由沉箱隔墙、侧壁及后壁共同来完成。经过相应的优化，后轨道梁能带来更大的经济效用，提高了资源的利用率，强度也得到了大幅的提高。
4、结论
经过本文对该问题的分析计算，我们能够得出以下结论：（1）当对开挖较深码头进行施工时，可以在其抛石基床以下换填块石或砂，具体采用哪种材料可以根据使用需求以及当地砂石料的来源情况进行选定。对于开挖宽度，可通过非圆弧滑动方式跟整体稳定的方式进行控制，并根据地基承载力最终确定。（2）为达到工程的要求，可选用调整沉箱各仓格高度的方法，最后仓格高度可以不一致。在本工程中，为满足地基承载力的要求，选用了缩小胸墙断面并抬高沉箱前仓格高度的方法。这种方法的弊端是：施工过程中较为麻烦、抵抗船舶意外撞击能力也较差。不过另一方面也能降低混凝土用量并在施工期间控制胸墙裂缝，总体来说利大于弊。（3）在对码头10.5米左右轨距的门机后轨进行考虑时，可以将沉箱后壁一同纳入考虑范围，这样既能解决前后导轨沉降不一的问题，又能参考具体情况优化与沉箱后壁连接在一起的后轨道的结构。在本工程的沉箱与后轨道梁连接问题上，采用了扶壁结构原理，利用肋板支撑后轨道梁。这种处理方法由于其结构特性，在使用上存在一定局限性，一般只用于轮压载荷不大即不超过350kN/轮的情况。而且对于后轨位置也有要求：应位于沉箱后壁。本文通过对于特定工程实例的分析讨论，对于处理软弱地基上大型重力式码头的地基承载力等问题进行了讨论计算，基于多方面考虑，提出了可行的设计思路，可供港区后续工程参考借鉴，在其它类似工程项目上也有着一定的参考价值。由于各个工程有着不同的特性要求，因此在参考借鉴过程中要具体问题具体分析。
参考文献
[1]赵辉.沉箱码头后方棱体结构的优化设计及主要施工工艺[J].港工技术. 2011(02)：165-167.
[2]张胜强.门式起重机轨道梁的设计[J].港工技术. 1997(02)：120.
论文作者:曹鹏
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/4/30
标签：沉箱论文; 胸墙论文; 码头论文; 轨道论文; 高度论文; 宽度论文; 结构论文; 《基层建设》2019年第5期论文;