鄭清松

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福建 福州 350004)

近年來(lái)，隨著碼頭泊位等級(jí)逐步向大型化發(fā)展，預(yù)應(yīng)力箱形軌道梁越來(lái)越多地應(yīng)用于碼頭工程中，如唐山港曹妃甸港區(qū)礦石碼頭二期工程、廣東惠來(lái)電廠碼頭、國(guó)華惠州大亞灣熱電碼頭、福建LNG站線項(xiàng)目港口工程等。

箱形梁在鐵路、公路工程中運(yùn)用和研究較為成熟。為優(yōu)化箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)多個(gè)單位針對(duì)單箱單室梁、單箱多室梁和多箱多室梁等多種不同箱梁結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行箱梁的整體和局部研究，不斷完善箱梁的結(jié)構(gòu)形式[1]。

箱形梁雖已逐步在碼頭工程中推廣，但港工規(guī)范對(duì)箱形截面梁的構(gòu)造規(guī)定、截面強(qiáng)度計(jì)算和應(yīng)力驗(yàn)算等規(guī)定仍不明確[2]。為解決碼頭工程箱形梁設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，本文以福建某電廠煤碼頭預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支箱形軌道梁為研究對(duì)象，對(duì)軌道梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，為類似工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 結(jié)構(gòu)選型

碼頭軌道梁通常采用T形混凝土梁、矩形混凝土梁、π形混凝土梁或(鋼)箱梁等結(jié)構(gòu)形式。本工程碼頭平臺(tái)為重力沉箱墩式結(jié)構(gòu)，兩個(gè)沉箱中心之間的距離為30 m，墩與墩之間通過(guò)軌道梁和空心板連接，單根軌道梁長(zhǎng)18.7 m。與普通梁相比，本工程軌道梁需要承受較大的跨中彎矩。碼頭結(jié)構(gòu)斷面見圖1。

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)斷面(尺寸：mm; 高程：m)

預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支箱形梁具有以下優(yōu)點(diǎn)[3]：

1)箱形截面梁跨徑大、使用材料少，滿足預(yù)應(yīng)力鋼束的空間布置需要，從而解決軌道梁承受較大彎矩的受力問(wèn)題。

2)由于構(gòu)件事先施加預(yù)壓應(yīng)力，可減小荷載作用下梁的主拉應(yīng)力，減小腹板厚度，減輕構(gòu)件質(zhì)量；縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋能夠提高構(gòu)件的抗剪性能，抵抗箱梁斜截面裂縫的產(chǎn)生。

3)箱梁頂板和底板混凝土面積較大，滿足結(jié)構(gòu)配筋需求，避免應(yīng)力集中。

4)截面抗扭剛度大、變形小，滿足荷載橫向分布需要。

5)施工和使用過(guò)程中均具有良好的穩(wěn)定性和安全性。

6)由于抗裂度提高，混凝土的密實(shí)度也增加，因而構(gòu)件的抗?jié)B和抗腐蝕能力增強(qiáng)，尤其在海港工程的多鹽強(qiáng)腐蝕環(huán)境中更具優(yōu)勢(shì)。

單箱單室和單箱雙室是目前普遍使用的兩種箱形截面。由于外力作用下軌道梁產(chǎn)生較大彎矩，在截面配筋寬度一致且沿梁頂板縱向中心布置門機(jī)鋼軌的情況下，與單箱單室梁相比，雙室梁增加了中腹板作為門機(jī)軌道的直接受力部位，減小了箱梁頂板的橫向計(jì)算跨度，結(jié)構(gòu)性能更加優(yōu)越，特別是其抗剪性能和構(gòu)件整體穩(wěn)定性也相對(duì)較好，中腹板可同時(shí)布置預(yù)應(yīng)力鋼束，故本工程軌道梁采用預(yù)應(yīng)力單箱雙室截面，其由頂板、底板、腹板、中間橫隔板和倒角等5部分組成。根據(jù)碼頭結(jié)構(gòu)需要軌道梁簡(jiǎn)支布置，采用預(yù)應(yīng)力后張法施工工藝，受拉主筋為φj15.2 mm-7鋼絞線。全梁外形尺寸為2.7 m×2.7 m×18.7 m(寬×高×長(zhǎng))，頂板厚均取400 mm，底板厚度根據(jù)影響線走勢(shì)為410～1 400 mm漸變，腹板寬度均取400 mm，中部設(shè)置厚300 mm的橫隔板，三角形倒角邊長(zhǎng)取200 mm。

2 使用要求

2.1 荷載

軌道梁作用荷載包括恒載和活載兩類。其中，恒載包括預(yù)制軌道梁重力、現(xiàn)澆面層重力；活載分為波浪荷載和門機(jī)荷載兩種。

1)恒載：混凝土密度為2.5 t/m3,預(yù)制軌道梁L0/2(L0為梁長(zhǎng))、L0/4、L0/8、支座截面面積分別為4.615、5.209、5.640、6.070 m2,所對(duì)應(yīng)的荷載分別為115.38、130.23、140.99、151.76 kN/m。

2)波浪荷載：根據(jù)《海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》[4]，極端天氣下作用在軌道梁底部波浪浮托力線荷載q為64.01 kN/m。波浪對(duì)軌道梁側(cè)向水平作用呈三角形分布且作用力較小，設(shè)計(jì)中不起控制作用，可以不予考慮。

3)門機(jī)荷載：碼頭上配置2臺(tái)效率為1 600 t/h的橋式抓斗卸船機(jī)，腿距16 m，軌距26 m，工作狀態(tài)時(shí)，考慮兩臺(tái)門機(jī)同時(shí)作業(yè)，兩臺(tái)門機(jī)輪子最小凈距為1.5 m。最大輪壓為465 kN。

2.2 支座寬度

港工規(guī)范目前未對(duì)箱梁的支座寬度做明確規(guī)定，根據(jù)《墩臺(tái)與基礎(chǔ)》[5]，支座最小寬度按下式確定：

(1)

式中：a為支座墊板順橋向?qū)挾?；e1為軌道梁結(jié)構(gòu)伸過(guò)梁跨中心線的長(zhǎng)度；e0為伸縮縫寬度；c1為支座到沉箱邊緣最小距離；c2為檐口寬度。

經(jīng)計(jì)算，簡(jiǎn)支軌道梁支座擱置寬度取1 400 mm。

3 內(nèi)力計(jì)算

3.1 計(jì)算工況

簡(jiǎn)支軌道梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的典型工況為：1)工況1：恒載(垂直碼頭面向下，含預(yù)應(yīng)力體系)；2)工況2：恒載+波浪荷載(垂直碼頭面向上);3)工況3：恒載+雙機(jī)工作狀態(tài)荷載(垂直碼頭面向下)。

3.2 內(nèi)力設(shè)計(jì)值

軌道梁跨中產(chǎn)生最大彎矩為33.51 MN·m，支座產(chǎn)生最大剪力為8.27 MN，高出常規(guī)碼頭軌道梁設(shè)計(jì)值2倍以上，軌道梁所受荷載中，活載占設(shè)計(jì)荷載的比例超過(guò)75%，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性和受力要求更高。典型截面內(nèi)力設(shè)計(jì)值見表1。

表1 使用期承載能力極限狀態(tài)持久組合內(nèi)力設(shè)計(jì)值

4 鋼束配置

4.1 截面配筋

根據(jù)《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]，軌道梁進(jìn)行強(qiáng)度配筋計(jì)算時(shí)，可按照等面積、等慣性矩原則，將箱形截面簡(jiǎn)化換算成工字形截面。工字形截面受壓區(qū)判定見圖2。

注：x為受壓區(qū)高度；b′f、bf為上、下翼緣寬度；h′f、hf為上、下翼緣高度；h0為截面計(jì)算高度。

圖2工字形截面受彎構(gòu)件受壓區(qū)高度

經(jīng)計(jì)算，本工程屬于第1種受壓工字形截面，即軌道梁按寬度為b′f的矩形截面計(jì)算配筋，采用19束φj15.2 mm-7鋼絞線，滿足彎矩設(shè)計(jì)要求。鋼絞線張拉控制應(yīng)力取0.72fptk(=1 339 MPa)，其中fptk為抗拉強(qiáng)度；錨下張拉控制力1 303 kN(未計(jì)錨口摩阻損失)。

4.2 鋼束布置

軌道梁預(yù)應(yīng)力鋼束采用公稱直徑15.2 mm鋼絞線，管道采用鍍鋅雙波紋管。鋼束的線形應(yīng)平順布置，同時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)受力需要，將預(yù)應(yīng)力鋼筋布置成曲線形狀，與彎矩包絡(luò)圖的趨勢(shì)一致。鋼束縱向布置見圖3。

軌道梁底板布置兩排鋼束，腹板各布置一排，大約在梁L0/4截面和L0/8截面處部分預(yù)應(yīng)力鋼束按結(jié)構(gòu)需要彎起。同時(shí)，端部鋼束還應(yīng)考慮錨具的布置需要，避免端部混凝土應(yīng)力集中產(chǎn)生局部受壓破壞。預(yù)應(yīng)力鋼束采用兩端一次張拉，其張拉順序考慮先中間后兩邊原則，按鋼束編號(hào)順序?qū)ΨQ均勻進(jìn)行。端部鋼束布置、張拉順序見圖4。

注：梁中實(shí)線代表鋼束，虛線代表軌道梁輪廓線。

圖4鋼束布置斷面及張拉順序

軌道梁施工按照預(yù)制、封錨、封端→吊裝軌道梁→安裝面層鋼筋及預(yù)埋件→澆筑面層及磨耗層混凝土→安裝門機(jī)鋼軌等順序進(jìn)行。軌道梁在起吊、運(yùn)輸和安裝過(guò)程當(dāng)中，采用綁扎方式，兩端同步平移，保持梁體簡(jiǎn)支，保持軌道梁水平和平穩(wěn)，防止梁體受扭、傾斜甚至傾覆。軌道梁現(xiàn)場(chǎng)施工見圖5。

圖5 軌道梁現(xiàn)場(chǎng)施工

5 截面驗(yàn)算

5.1 截面邊緣應(yīng)力驗(yàn)算

軌道梁在工況1作用下承受系統(tǒng)恒載和預(yù)加應(yīng)力作用，須驗(yàn)算軌道梁上、下邊緣混凝土的法向應(yīng)力，應(yīng)滿足下列要求：

σct≤0.7γf′tk

(2)

σcc≤0.85f′ck

(3)

(4)

式中：σcc、σct為截面邊緣混凝土壓應(yīng)力、拉應(yīng)力；σpc為預(yù)加應(yīng)力產(chǎn)生的混凝土法向應(yīng)力；M為短暫狀況作用效應(yīng)組合值；W0為驗(yàn)算截面抵抗彎矩；γ為受拉區(qū)混凝土塑性影響系數(shù)；f′tk、f′ck為混凝土軸心抗拉、抗壓強(qiáng)度。

經(jīng)計(jì)算，σct≤2.21 MPa、σcc≤27.2 MPa，使用期軌道梁截面邊緣混凝土法向應(yīng)力滿足規(guī)定要求，見表2。

表2 工況1截面邊緣混凝土法向應(yīng)力

從計(jì)算結(jié)果可看出，在工況1即軌道梁恒載和預(yù)加應(yīng)力作用下，軌道梁處于全截面受壓狀態(tài)，但在軌道梁L0/4截面處至跨中(L0/2)截面處壓應(yīng)力偏小。

5.2 正截面抗裂驗(yàn)算

軌道梁按裂縫控制等級(jí)為一級(jí)構(gòu)件設(shè)計(jì)，在工況2、3作用下應(yīng)進(jìn)行正截面抗裂驗(yàn)算，正常使用極限狀態(tài)持久狀況短期效應(yīng)組合下應(yīng)滿足下列要求：

σck-σpc≤0

(5)

式中：σck為正常使用極限狀態(tài)短期效應(yīng)組合下截面邊緣混凝土法向拉應(yīng)力；σpc為第二階段截面邊緣混凝土預(yù)壓應(yīng)力。

軌道梁典型截面的σck-σpc均小于0，滿足規(guī)范要求，見表3。

表3 正截面抗裂驗(yàn)算結(jié)果

5.3 斜截面抗裂驗(yàn)算

軌道梁截面突變或形狀變化較大時(shí)，應(yīng)進(jìn)行斜截面抗裂驗(yàn)算，混凝土主應(yīng)力應(yīng)滿足：

σtp≤0.85ftk

(6)

σcp≤0.6fck

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：σtp、σcp為混凝土主拉、主壓應(yīng)力；σx為預(yù)應(yīng)力和彎矩值在計(jì)算點(diǎn)產(chǎn)生的混凝土法向應(yīng)力；σy為集中荷載作用產(chǎn)生的混凝土豎向壓應(yīng)力；τ為剪力值和鋼絲預(yù)應(yīng)力在計(jì)算點(diǎn)產(chǎn)生的混凝土剪應(yīng)力；σpc為張拉第二階段在計(jì)算纖維處由鋼絲產(chǎn)生的混凝土法向應(yīng)力；Mk為按作用的標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的彎矩；y0為換算截面重心至所計(jì)算點(diǎn)的距離；I0為換算截面慣性矩；Vk為荷載效應(yīng)短期組合剪力值；σpe為預(yù)應(yīng)力鋼絲的有效預(yù)應(yīng)力；Apb為計(jì)算截面上同一彎起平面內(nèi)的彎起鋼絲的截面面積；αp為構(gòu)件縱向軸線與計(jì)算截面彎起鋼絲切線的夾角；S0為構(gòu)件換算截面重心與計(jì)算點(diǎn)以上換算截面面積的面積矩；b為腹板寬度。

工況3作用下軌道梁出現(xiàn)最大剪力值，軌道梁典型截面主拉和主壓應(yīng)力滿足規(guī)定要求，見表4。

表4 工況3斜截面抗裂驗(yàn)算結(jié)果

注：當(dāng)σtp≥0時(shí)，須滿足σtp≤2.34 MPa;當(dāng)σcp< 0時(shí)，須滿足|σcp|≤19.2 MPa。

6 結(jié)語(yǔ)

1)碼頭軌道梁采用后張預(yù)應(yīng)力單箱雙室簡(jiǎn)支梁，對(duì)大型深水泊位的方案選擇、平面布置、結(jié)構(gòu)選型等能夠起到一定的優(yōu)化作用，從而節(jié)省碼頭造價(jià)、節(jié)約工程建設(shè)工期。

2)港工規(guī)范對(duì)箱梁的內(nèi)力、正截面強(qiáng)度、斜截面抗剪和應(yīng)力驗(yàn)算等規(guī)定，按照等面積、等慣性矩原則，將箱形截面簡(jiǎn)化換算成工字形截面進(jìn)行設(shè)計(jì)。但對(duì)于簡(jiǎn)支箱梁的細(xì)部構(gòu)造，如梁頂?shù)装濉⒏拱?、倒角厚度等未有系統(tǒng)說(shuō)明，設(shè)計(jì)中借鑒《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]有關(guān)規(guī)定，工程實(shí)踐證明基本可行，建議在港工規(guī)范修訂時(shí)予以補(bǔ)充。

3)簡(jiǎn)支箱梁的支座擱置寬度，本文借鑒公路有關(guān)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，從軌道梁的整體力學(xué)性能分析，該方法基本可行，建議港工規(guī)范進(jìn)行明確規(guī)定。