拱形结构在深水高桩码头中应用的研究现状
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摘要：近年来，我国水运事业发展迅速，船舶大型化趋势日益明显，深水化和大型化已经成为码头未来发展的主要趋势。于是提出一种既能适应大型船舶靠泊，又能充分发挥基桩承载能力的大型深水码头结构型式，已成为港口工程界的一个重要研究课题。本文在充分了解国内外码头结构形式的基础上，对可适用于深水大码头发展需求的拱形结构码头的研究现状进行了总结，并提出建议。
Abstract: This paper put out the research summary and recommendations for the deep water terminal development needs of the arch piers on the basis of full understanding of the wharf structure at home and abroad.Key words: deep; large-scale; high-pile pier; arch
中图分类号：U65文献标识码： A 文章编号：
1、研究的背景及意义
1.1 港口发展趋势
海运在我国的对外贸易中占有很重要的位置。我国拥有1.8万公里的海岸线，承担了近10%的国内货物运输和85%以上的外贸货物运输任务。港口作为海运体系的枢纽，对社会经济的发展起到了举足轻重的作用。
尽管我国港口建设已经取得这样的成绩，但是港口吞吐能力仍然满足不了货运量增长的需要。2001年我国沿海港口的吞吐能力为11.6亿吨，但实际承担的吞吐量却达到13.8亿吨；集装箱码头吞吐能力约为1500万TEU，而实际承担的量高达2200万TEU；大型原油接卸码头以及矿石码头的吞吐能力同样亦小于实际承担的吞吐量。我国港口吞吐能力与需求之比达1：1.2，与国际上1：0.7相去颇远。
为了更好地解决这种矛盾，船舶向大型化发展的趋势日益明显。为适应大型船舶的靠泊，码头的建设也提出了更高的要求，码头建设日益向着深水化、大型化方向发展。深水码头的设计、施工等已成为港口工程界重要的研究课题。
收稿日期： 修回日期:
作者简介：廉芳芳（1983-），女，天津市人，助理工程师，从事港口规划和土地岸线管理工作。
Biography: LIAN Fang-fang (1983-), female, assistant engineer.
同时随着港口数量的增多，有着优质地质、水深、气象等自然条件的岸线资源已经大多被开发。新建码头一般建设在自然条件相对复杂的区域，为了克服这些不利因素，新建码头一般选择建造在离岸较远的深水区中。深水化和大型化已经成为高桩码头未来发展的主要趋势，但同时也对码头桩基础的承载力提出了更高的要求。
1.2 高桩码头发展趋势
高桩码头的发展趋势可归纳为以下几个个方面：
（1）减小构件自重，节约材料。如：在码头中采用拱形结构。例如拱形梁和双曲板等。
（2）提高桩基承载力，减少桩基数量。如：采用大直径管桩，通过增大桩尖底面积和桩侧表面积来增大桩尖承载力和桩侧摩阻力。以此达到提高桩基承载力，减少桩基数量，节约成本的目的。
（3）简化桩基。如：减少桩的种类、简化布置。
（4）简化上部结构，加快施工速度。如：通过加大构件尺寸，统一构件规格来减少构件数量。目前国内每跨码头的预制构件数量已经从23件减少到10件作用，大大地缩短了工期。
（5）码头排架之间跨度增大。如：随着船舶向大型化发展的趋势日益明显，为适应大型船舶的靠泊，码头建设日益向着深水化、大跨度方向发展；随着排架间距的加大，所需桩基的数量降低，从而大幅降低码头造价。
近年大直径混凝土管桩和大直径钢管桩在工程中的推广应用和施工技术的成熟，确保了高桩码头深水化和大型化的可行性。大直径混凝土管桩和大直径钢管桩的承载力比一般的桩都有很大的提升，从而在确保码头深水化和大型化的基础上，还使得用加大码头排架间距来减少码头成本的办法变成可能。加大码头排架间距可以大幅减少桩基数量，并以此节省码头建设经费。但这同时也带来码头上部结构跨度变大，上部结构内力急剧增大，普通梁板式结构无法承受的问题。
为了解决以上问题，有关学者借鉴桥梁工程中的拱桥提出了拱形圬工纵梁、拱形桁架纵梁等结构。但对码头结构中拱形纵梁的研究才刚刚起步，还没有一个统一的规范和通用的设计方法。本文在充分了解国内外码头结构形式的基础上，对可适用于深水大码头发展需求的大跨度拱形纵梁码头的研究现状进行了总结，并提出建议。
2、拱形结构在码头上应用的研究现状
2.1 拱形结构的特点
拱结构与梁结构的区别，不仅在于外形不同，更重要的是两者受力性能有着本质的区别。梁式结构在竖向荷载作用下，支承处仅产生竖向支承反力，梁体主要承受弯矩和剪力；而拱式结构在竖向荷载作用下，两端支承除了有竖向反力外，还将产生水平推力。正是这个水平推力，使拱体的弯矩大大减小，拱截面主要承受轴向压力，主拱圈以受压为主，使之成为以受压为主的压弯构件。由此使之成为大跨度结构的优选型式。
拱形的主要优点是：（1）跨越能力大；（2）抗风稳定性强，结构整体性好；（3）能就地取材，造价较低；（4）耐久性能好，维修、养护费用低；（5）建筑艺术造型简介优美。
拱形结构用于高桩码头的主要缺点是：自重较大，自重和受力会对桩基产生较大水平推力。
拱形结构在码头上的应用主要借鉴于桥梁工程上的拱桥。拱形结构因其良好的抗压能力，被运用在码头结构中可增加码头的承载力，减少构件数，达到节省码头成本的效果。
华东水利学院水港系双曲拱码头研究小组于1978年提出了有双曲拱板的高桩码头的设计构想，具体设计如图1所示。本码头面板采用双曲拱板，其结构借鉴于桥梁工程中常见的双曲拱桥。双曲拱形较之一般拱形可以更加均匀的传递压力给桩基，有更 等地得到小规模推广，但因为施工麻烦，设计理论也不够成熟，未在全国范围内得到大规模推广。
图1高桩双曲面板码头典型断面图
浙江省交通局于1978年在浙江省6905码头工程中，使用了设置拉杆的拱形横梁结构。具体设计如图2所示。拱形结构可以将上部荷载更好的传递给桩基，同时减小横梁上的弯矩，更好地发挥混凝土的抗压性能。相对普通的梁板式码头，采用本结构可以节省混凝土和钢材20%以上。但是这种结构因为施工较一般梁板式码头复杂，未能得到大规模推广。
图2高桩拱形横梁码头典型断面图
2007年曹源在传统的高桩梁板式码头结构中，应用拱式纵梁代替传统的简支纵梁，提出了大跨度悬链线拱式纵梁码头的新型结构型式（如图3所示）。但是由于该结构将拱脚固结在桩台上，所以桩基础要承受很大的水平承载力。为了提供足够大的水平承载力，桩基础被设计成由多根直桩和叉桩组成的桩台。这种设计加大了施工难度，并且较大地提高了施工成本，并不能很好地达到减少码头造价的目的。
图3悬链线拱式纵梁码头正面图
2007年于忠伟在普通梁板式高桩码头结构型式的基础上，借鉴桥梁工程中的拱梁，在高桩码头结构中，应用拱式纵梁代替传统的简支纵梁，提出了由拱梁、拉杆、吊杆、立柱组成的新型结构型式（如图4所示）。本结构在拱梁之间设置了一个拉杆，虽然可以部分的平衡两拱脚对桩基础的水平荷载，但剩余的水平荷载依然需要通过多根桩组成的桩台来抵消。这样就提高了施工成本，并且拉杆和吊杆的设置加大了施工难度。拉杆在极端环境下的破坏也会给整个码头结构带来安全上的隐患。
图4桁架式拱形纵梁码头断面图
2009年翟秋针对码头结构的特殊性，借鉴拱桥结构，提出了适用于外海深水条件的拱式纵梁新型码头结构型式，并进行了结构整体布置，从材料特性、截面类型、构件尺寸范围等方面阐述了主要构件的设计要求,具体结构如图5所示。并首次将拓扑优化的概念及方法引入码头结构的优化中，基于拓扑优化方法对拱圈梁的合理拱轴线进行研究。但本结构和图4中的结构存在着同样的问题。
图5桁架式拱形纵梁码头断面图
3 总结及建议
虽然拱形结构有跨越能力大、耐久性能好、构造简单等优点，但运用在码头结构上时，依然存在以下问题：（1）设计理论不够成熟。（2）施工较一般梁板式码头复杂。（3）对桩基础的水平承载力要求较高，难以很好地达到减少码头造价的目的。所以建议：1、采用有限元软件:对拱形纵梁内力进行计算。包括拱形纵梁在不同约束下的最大承载力、挠度变化、内力分布、最大应力位置等。并以此为依据对拱形梁进行结构优化，在承载力达到实际工程需求的基础上解决拱脚对桩基础的水平推力过高的问题；2、参照实际工程中的桩基布置，设计出适合拱形纵梁结构的桩基构造，并从工程造价的角度将本方案与原设计方案进行比较分析。
参考文献
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