馮建國(guó),李存興,王君輝

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430060)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，東南亞等國(guó)家對(duì)電力的需求越來(lái)越大，大量的電廠需要興建。由于該區(qū)域潮差不大，懸鏈斗式連續(xù)卸船機(jī)在該區(qū)域廣泛應(yīng)用。該類(lèi)型碼頭由固定裝卸平臺(tái)上的懸鏈斗卸船機(jī)、設(shè)置在移船平臺(tái)上的移船設(shè)備及設(shè)置在碼頭前沿的靠船導(dǎo)向系統(tǒng)組成。碼頭作業(yè)過(guò)程可簡(jiǎn)述為以下過(guò)程：船舶靠泊完成后，移船平臺(tái)上的牽引小車(chē)將船舶牽引至合適位置，懸鏈斗開(kāi)始作業(yè)卸煤，當(dāng)卸煤作業(yè)進(jìn)行到一定程度后，再次啟動(dòng)牽引小車(chē)使船舶沿靠船導(dǎo)向系統(tǒng)移動(dòng)至適當(dāng)位置，使懸鏈斗卸煤效率保持最大化，如此反復(fù)，直至整船煤全部卸完，船舶離港。該類(lèi)型碼頭卸煤時(shí)船舶移動(dòng)而卸船設(shè)備不動(dòng)，所以可簡(jiǎn)稱(chēng)為定機(jī)移船碼頭。

傳統(tǒng)的“定船移機(jī)”碼頭，船舶靠泊后位置是固定的，通過(guò)移動(dòng)裝卸設(shè)備來(lái)完成裝卸作業(yè)，平臺(tái)通常為常規(guī)的高樁梁板結(jié)構(gòu)或高樁墩式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)受力明確，設(shè)計(jì)理論成熟。而柔性靠船樁設(shè)計(jì)規(guī)范[1]主要針對(duì)護(hù)舷在外、靠船樁在內(nèi)的情形，而且靠船樁系統(tǒng)與碼頭平臺(tái)往往是脫離的，其受力模式不適應(yīng)于定機(jī)移船碼頭。而本文所指定機(jī)移船碼頭水工結(jié)構(gòu)主要由卸船機(jī)基礎(chǔ)墩臺(tái)、移船設(shè)備行走平臺(tái)及設(shè)置在二者前沿的靠船樁組成，平臺(tái)前沿的靠船導(dǎo)向則由靠泊導(dǎo)向鋼管樁及橡膠護(hù)舷兩部分組成?？坎磳?dǎo)向鋼管樁之間設(shè)有水平聯(lián)系撐，形成樁排，移船時(shí)，船舶與鋼管樁直接接觸而不與橡膠護(hù)舷接觸，從而避免了橡膠護(hù)舷在移船過(guò)程中被撕裂的可能，同時(shí)移船時(shí)船舶與鋼管樁發(fā)生摩擦，摩擦系數(shù)較小有利于船舶移動(dòng)。鋼管樁在外側(cè)，護(hù)舷在中間，碼頭平臺(tái)在內(nèi)側(cè)，其受力較為復(fù)雜，沒(méi)有現(xiàn)成的規(guī)范和手冊(cè)可供參考，如何確定靠船樁排的尺寸，將關(guān)系到整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，因此需對(duì)其受力特點(diǎn)進(jìn)行仔細(xì)分析和論證。本文主要論述靠船導(dǎo)向樁排的計(jì)算方法和特點(diǎn)。

1 靠船導(dǎo)向樁排的工作過(guò)程

船舶靠泊時(shí)，首先接觸碼頭前沿所設(shè)靠船導(dǎo)向樁排，靠船樁自身將發(fā)生變形，同時(shí)設(shè)于樁頂?shù)南鹉z護(hù)舷也隨之被壓縮，靠船過(guò)程結(jié)束時(shí)，船舶速度降為0，船舶靠泊的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靠船樁和護(hù)舷系統(tǒng)的勢(shì)能。在整個(gè)靠泊過(guò)程中，靠船樁排起到傳力的功能，并吸收部分能量，最終船舶靠泊能量由護(hù)舷和靠船樁共同吸收。

2 靠船樁計(jì)算模型簡(jiǎn)化

2.1 系統(tǒng)作用過(guò)程基本假設(shè)

2.1.1靠船墩臺(tái)不產(chǎn)生變形吸能的假設(shè)

由于墩臺(tái)剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靠船樁，為簡(jiǎn)化計(jì)算，靠船墩臺(tái)簡(jiǎn)化為固定支點(diǎn)，忽略船舶靠泊過(guò)程中墩臺(tái)變形對(duì)靠泊能的影響。墩臺(tái)自身變形吸能，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響較小，作為安全儲(chǔ)備。

2.1.2船體本身不產(chǎn)生變形吸能的假設(shè)

為簡(jiǎn)化計(jì)算，在靠泊過(guò)程中船舶自身變形引起的吸能不計(jì)。

定機(jī)移船碼頭靠船樁布置見(jiàn)圖1。

2.1.3橡膠護(hù)舷的基本假設(shè)

根據(jù)護(hù)舷的變形反力曲線特性，將橡膠護(hù)舷的壓縮過(guò)程簡(jiǎn)化為一個(gè)理想彈塑性體，見(jiàn)圖2。

圖2 橡膠護(hù)舷變形過(guò)程的簡(jiǎn)化

護(hù)舷變形22.5%之前按照理想彈性體考慮，反力與變形成正比，護(hù)舷吸能與變形成平方比關(guān)系增加。護(hù)舷變形22.5%之后按照理想塑性體考慮，變形增加，反力不變，護(hù)舷吸能與變形成線性關(guān)系增加。計(jì)算后，應(yīng)核實(shí)最終護(hù)舷變形量不超過(guò)52.5%。

2.1.4樁基計(jì)算采用假想嵌固點(diǎn)

樁土作用復(fù)雜，張鐵峰等[2]給出了靠船樁入土較短、樁端為鉸接時(shí)的簡(jiǎn)化計(jì)算，當(dāng)覆蓋層較差、持力層埋深較深、樁基入土長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，樁基受彎長(zhǎng)度采用假想嵌固點(diǎn)[3]進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。

2.2 作用過(guò)程簡(jiǎn)化

靠船樁根據(jù)上述假定，最終簡(jiǎn)化為一端固定一端彈性支撐的單跨超靜定梁，見(jiàn)圖3。

圖3 靠泊過(guò)程受力計(jì)算

靠船過(guò)程分為3個(gè)階段：

1)第1階段，從船舶接觸靠船樁開(kāi)始，鋼管樁發(fā)生變形，變形達(dá)到安裝縫隙(假定1 cm)，到鋼管樁接觸到護(hù)舷，護(hù)舷變形為0%(尚未產(chǎn)生彈性變形)。

2)第2階段，從鋼管樁接觸到護(hù)舷開(kāi)始，到護(hù)舷變形達(dá)到22.5%(彈性變形達(dá)到峰值)，此時(shí)護(hù)舷反力已經(jīng)達(dá)到最大。

3)第3階段，從護(hù)舷變形達(dá)到22.5%開(kāi)始(進(jìn)入簡(jiǎn)化塑性變形階段，護(hù)舷反力不增加)，到船舶靠泊能量全部被吸收為止(護(hù)舷變形< 51.5%)。

2.3 計(jì)算受力過(guò)程分析

假設(shè)撞擊點(diǎn)距離嵌固點(diǎn)高度為h，護(hù)舷點(diǎn)距離嵌固點(diǎn)高度為H，護(hù)舷最大反力為Rx，3個(gè)階段護(hù)舷點(diǎn)的位移分別為x0、x1、x2，撞擊點(diǎn)在3個(gè)階段結(jié)束時(shí)的反力分別為F0、F1、F2，撞擊點(diǎn)的位移分別為y0、y1、y2。受力計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3，樁身受力分解見(jiàn)圖4，根據(jù)力學(xué)基本原理[4-5]可知：

第1階段末，撞擊點(diǎn)反力F0，護(hù)舷點(diǎn)反力R=0,撞擊點(diǎn)位移y0和護(hù)舷點(diǎn)位移x0分別計(jì)算如下：

(1)

(2)

第2階段末，撞擊點(diǎn)反力F1，護(hù)舷點(diǎn)反力R=Rx,撞擊點(diǎn)位移y1和護(hù)舷點(diǎn)位移x1分別計(jì)算如下：

(3)

(4)

第3階段末，撞擊點(diǎn)反力F2，護(hù)舷點(diǎn)反力R=Rx,撞擊點(diǎn)位移y2和護(hù)舷點(diǎn)位移x2分別計(jì)算如下：

(5)

(6)

圖4 靠泊過(guò)程樁身受力分解

2.4 系統(tǒng)能量分析

根據(jù)能量守恒定律，一個(gè)系統(tǒng)的能量變化僅與系統(tǒng)的初始狀態(tài)及終止?fàn)顟B(tài)有關(guān)，而與過(guò)程無(wú)關(guān)，故計(jì)算中可忽略相對(duì)復(fù)雜的中間過(guò)程，而僅討論幾個(gè)階段過(guò)程的初始狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài)。

靠泊過(guò)程3個(gè)階段外力對(duì)應(yīng)的力-位移關(guān)系分析見(jiàn)圖5。其中撞擊點(diǎn)壓力-位移關(guān)系，見(jiàn)圖5a)，圖中折線所包含的面積Ec為撞擊外力做功，即船舶靠泊能；護(hù)舷點(diǎn)反力-位移關(guān)系見(jiàn)圖5b)，圖中折線所包含的面積Er為護(hù)舷反力做功，即橡膠護(hù)舷吸能。

圖5 靠泊過(guò)程力-位移關(guān)系

整個(gè)過(guò)程鋼管樁吸能：

(7)

整個(gè)過(guò)程橡膠護(hù)舷吸能：

(8)

船舶的靠泊能量：

(9)

樁底的最大彎矩：

M=F2h-RxH

(10)

樁身最大應(yīng)力：

(11)

根據(jù)力和位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以得到船舶撞擊過(guò)程的動(dòng)能，船舶動(dòng)能等于樁基變形勢(shì)能和護(hù)舷變形的勢(shì)能之和，其中船舶撞擊能量可以計(jì)算，也可以寫(xiě)成下式進(jìn)行驗(yàn)算：

Ec=Es+Er

(12)

船舶撞擊能可以通過(guò)規(guī)范公式計(jì)算：

(13)

式中：EI為樁身剛度；W為樁的抗彎模量；vn為船舶靠泊的法向速度。

在式(1)～(11)中，有F0、F1、F2、x2、y0、y1、y2、Es、Er、M、σ共11個(gè)未知數(shù)，x0假定為1 cm，擬定護(hù)舷之后，x1可由護(hù)舷高度×22.5%+1 cm計(jì)算，護(hù)舷最大反力Rx也為已知,Ec=E0。上述過(guò)程11個(gè)未知數(shù)可以11個(gè)方程聯(lián)合求解。

如果最終結(jié)果x2橡膠護(hù)舷的變形大于22.5%且不超過(guò)51.5%，且鋼管樁變形不超過(guò)允許應(yīng)力，則整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是可行的。

3 工程實(shí)例

為進(jìn)一步了解該結(jié)構(gòu)形式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文選取4個(gè)具有代表性的工程實(shí)例做進(jìn)一步分析闡述。

所選取的4個(gè)工程均位于印尼，碼頭裝卸工藝均采用懸鏈斗式連續(xù)式卸船工藝，工程的設(shè)計(jì)基本資料見(jiàn)表1。

按照本文的計(jì)算方法計(jì)算，計(jì)算基本參數(shù)見(jiàn)表2。

根據(jù)本文所列公式(1)～(11)進(jìn)行計(jì)算求解，結(jié)果見(jiàn)表3。

表1 碼頭基本設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 計(jì)算基本參數(shù)

表3 主要計(jì)算結(jié)果

經(jīng)復(fù)核，對(duì)于廖省和塔卡拉項(xiàng)目的大部分工況，選用高強(qiáng)度鋼材強(qiáng)度基本滿(mǎn)足要求。同時(shí)護(hù)舷點(diǎn)的變位滿(mǎn)足護(hù)舷壓縮變位的假設(shè)，計(jì)算方法是可行的。對(duì)東加和風(fēng)港項(xiàng)目在低水位滿(mǎn)載靠泊時(shí)不滿(mǎn)足，如果不考慮鋼橫撐傳遞到其他靠船樁來(lái)分擔(dān)吸能，也不考慮船舶自身變形的吸能，則需要允許鋼管進(jìn)入塑性狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)工程實(shí)例中碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算可知，當(dāng)船舶的靠船速度一定時(shí)，撞擊點(diǎn)越靠近嵌固點(diǎn)則樁身內(nèi)力值越大，吸能比例越大，樁徑和壁厚加大，經(jīng)濟(jì)性差；反之，撞擊點(diǎn)越靠近護(hù)舷布置位置，則樁身內(nèi)力值最小，吸能比例最小，樁徑和壁厚最小，最具經(jīng)濟(jì)性。故實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)注意分析各個(gè)有可能的撞擊點(diǎn)，受力范圍過(guò)大后，則不具經(jīng)濟(jì)性。

2)靠船排樁可適度擴(kuò)大船舶撞擊作用點(diǎn)范圍，在強(qiáng)度允許的范圍內(nèi)，充分利用鋼管樁變位吸能，減小護(hù)舷布置范圍，相應(yīng)減小墩臺(tái)所受的護(hù)舷反力，從而降低碼頭造價(jià)。

3)本文沒(méi)有考慮船舶自身變形和碼頭變形對(duì)系統(tǒng)吸能的分擔(dān)，也沒(méi)有考慮其他靠船樁對(duì)系統(tǒng)吸能的分擔(dān)，計(jì)算結(jié)果偏保守。如果需要考慮橡膠護(hù)舷和鋼管樁之外因素來(lái)分擔(dān)吸能，則該靠船系統(tǒng)的計(jì)算理論有待進(jìn)一步研究。