魏志民，楊玉勤

（1.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，湖北武漢 430051；2.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北武漢 430060）

引言

在新的國際形勢及新冠疫情影響下，中國特色社會主義進(jìn)入新時代，社會主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾。同時我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展也進(jìn)入新常態(tài)，已由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，以供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革為主線，堅持?jǐn)U大內(nèi)需戰(zhàn)略。在此背景下，往常以沿海項目為主的游艇碼頭，目前也加速了在內(nèi)河、湖泊中的布局，現(xiàn)有運(yùn)營多年的游艇碼頭也面臨更新改造。

經(jīng)過文獻(xiàn)調(diào)查，目前相關(guān)文獻(xiàn)多為針對游艇碼頭規(guī)劃方案、平面布置以及定位樁的研究，尚未檢索到研究聯(lián)系橋結(jié)構(gòu)的相關(guān)論文。對于游艇碼頭聯(lián)系橋，目前設(shè)計常參考現(xiàn)有市場成熟產(chǎn)品，采用鋁合金結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，長度通常為10～24 m。本文以游艇碼頭聯(lián)系橋為討論對象，分別探討不同材質(zhì)的強(qiáng)度特點、適宜尺度以及應(yīng)用于聯(lián)系橋的優(yōu)缺點，同時針對湖區(qū)特點提出一種具有實用價值的聯(lián)系橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，以便為類似設(shè)計提供參考。

1 聯(lián)系橋功能

現(xiàn)行規(guī)范未對聯(lián)系橋進(jìn)行功能定義，根據(jù)國外資料，“鉸接式聯(lián)系橋是最廣泛使用的從陸地或固定碼頭進(jìn)入浮碼頭或船舶的方式。市場上有各種材料的聯(lián)系橋，包括樹脂、玻璃纖維、碳纖維、木材、鋁、鋼或這些材料的組合。海洋級別的鋁是最普遍的，因為它表現(xiàn)出有利的強(qiáng)度-重量比和耐腐蝕性?！盵1]通常聯(lián)系橋一側(cè)鉸接在岸上結(jié)構(gòu)，另一側(cè)通過滾輪（或?qū)к墸┖痛畎暹B接浮橋側(cè)，其上布置有水電管線以及防腐木走道板、欄桿扶手等附屬設(shè)施。規(guī)范[2]中還對聯(lián)系橋的寬度、坡度、高程和所受荷載進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。

2 不同材料強(qiáng)度指標(biāo)

經(jīng)查閱相關(guān)資料，玻璃纖維復(fù)合材[3]、碳纖維復(fù)合材[4]、膠合木[4]、鋁合金[5-6]及鋼材[7]的密度及強(qiáng)度指標(biāo)見表1。

表1 不同材料密度及強(qiáng)度指標(biāo)

3 不同材料聯(lián)系橋尺度

3.1 采用玻璃纖維、碳纖維復(fù)合材或混合材料

此種聯(lián)系橋（搭板）一般采用混雜纖維復(fù)合材料，通過兩種及以上的纖維匹配來均衡它們的力學(xué)性能，改善單一纖維復(fù)合材料的沖擊韌性、斷裂應(yīng)變以及疲勞強(qiáng)度等[8]，還能夠在滿足使用荷載的前提下，大幅降低材料的成本[9]。結(jié)合表1 分析，玻璃纖維復(fù)合材、碳纖維復(fù)合材的優(yōu)缺點如下[10]：

1）玻璃纖維復(fù)合材。優(yōu)點：拉伸強(qiáng)度高、伸長率小、彈性系數(shù)高、不易燃燒、絕緣性好、耐化學(xué)性佳、吸水性小、耐熱性好、便于加工成復(fù)雜異型構(gòu)件、透明、表面處理劑成熟、價格便宜可實現(xiàn)量產(chǎn)。缺點：性能不如碳纖維、耐磨性差、透波率高、電磁屏蔽性能差。

2）碳纖維復(fù)合材。優(yōu)點：比重小、比強(qiáng)度高、比模量高、耐超高溫、耐疲勞性好、溫差變化或者長時間作業(yè)無蠕變、熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能良好、電磁屏蔽性好、可設(shè)計性強(qiáng)、耐蝕性突出。缺點：定制性較強(qiáng)、量產(chǎn)較難、價格較高、抗剪強(qiáng)度低、屬脆性材料、損壞后無法修復(fù)、二次回收困難、重復(fù)利用率差。

將以上幾種材料進(jìn)行適當(dāng)組合，就能夠生產(chǎn)出滿足市場需求的成熟產(chǎn)品，但考慮到材料本身強(qiáng)度的極限、脆性以及成本因素，此種聯(lián)系橋（搭板）長度一般為2～3 m，寬度一般約為0.39 m，重量約8 kg，最大承載約300 kg，常用于游艇直接與浮橋或岸邊的搭接。

圖1 一種混雜纖維復(fù)合材料聯(lián)系橋（搭板）

3.2 木材

通過分析表1 可知，木材能有效地抗壓、抗彎和抗拉，且具有很好的塑性，其容重小、強(qiáng)度-容重比高、加工簡便、原材料較易獲得。但木材的彈性模量低，其長期強(qiáng)度明顯低于短期強(qiáng)度且存在各向異性，其木節(jié)、斜紋和裂縫等天然缺陷對木材的力學(xué)性能也有較大影響，在使用過程中還需注意防蛀、防腐、防火和防高溫等影響材料性能和安全的問題。故在游艇碼頭中，若使用木材作為聯(lián)系橋的主材，則會具有很多的局限性。

目前市場上，對于不帶側(cè)向主桁架結(jié)構(gòu)的木質(zhì)聯(lián)系橋，其尺度、功能和適用范圍與混雜纖維復(fù)合材料聯(lián)系橋（搭板）相當(dāng)，對于帶側(cè)向主桁架結(jié)構(gòu)的木質(zhì)聯(lián)系橋，其寬度一般為1.2～1.8 m，長度一般為3～6 m。

3.3 鋁合金

目前市場上聯(lián)系橋常用的材質(zhì)即鋁合金，通過表1 可知，鋁合金強(qiáng)度與鋼材相近，但密度約為鋼材的1/3，強(qiáng)度-容重比高。同時鋁合金熔點很低，生產(chǎn)商可以通過擠壓成型工藝迅速、經(jīng)濟(jì)地將鋁合金加工成各種復(fù)雜截面，這對于埋設(shè)水電管線具有很大的便利性。在空氣中，鋁合金表面能迅速形成高度抗氧化膜，具有很好的耐腐蝕性。同時在較低溫度下，鋁合金仍能保持較高的強(qiáng)度。但是鋁合金彈性模量也只有鋼材的1/3，易發(fā)生屈曲破壞，在焊接區(qū)的強(qiáng)度也會發(fā)生強(qiáng)度折減?？紤]到游艇碼頭特殊的景觀要求，聯(lián)系橋的高度及桿件截面不宜做太大，故鋁合金聯(lián)系橋所能設(shè)計的長度較鋼結(jié)構(gòu)橋要短，一般不超過30 m，常見為10～20 m。

3.4 鋼材

鋼材是水運(yùn)工程、橋梁工程中的常用材料，具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點，其材料特性常與鋼筋混凝土進(jìn)行對比，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗算內(nèi)容與鋁合金結(jié)構(gòu)基本一致[7]，本文不進(jìn)行贅述。使用鋼材作為聯(lián)系橋的主材，可實現(xiàn)的跨度較大，但與鋁合金聯(lián)系橋相比，在跨度小于24 m 時，因側(cè)向桁架因兼顧欄桿作用需滿足最低高度要求，鋼結(jié)構(gòu)引橋的強(qiáng)度得不到較大發(fā)揮。而跨度大于24 m 之后，鋼結(jié)構(gòu)聯(lián)系橋自重較大，又會使施工難度增加，同時浮橋側(cè)聯(lián)系橋支座處浮箱還需進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計，甚至浮箱設(shè)計難以滿足支承和穩(wěn)定要求，還需考慮結(jié)構(gòu)上的特殊設(shè)計方案。另外，鋼結(jié)構(gòu)加工性不如鋁合金結(jié)構(gòu)，水電管線只能用橋架的型式布置，結(jié)構(gòu)不如鋁合金結(jié)構(gòu)美觀，后期維護(hù)也較鋁合金結(jié)構(gòu)麻煩。

4 工程應(yīng)用實例分析

4.1 工程概況及難點

湖北省黃岡市某游艇碼頭位于湖區(qū)岸邊，陸域側(cè)為已建影視城，水域為湖區(qū)（圖2），項目擬建游艇碼頭供游湖使用。碼頭設(shè)計高水位20.50 m（85高程，下同）、設(shè)計低水位14.95 m，設(shè)計湖底高程13.25 m，岸側(cè)游客集散中心平臺高程21.00 m，距水域浮橋水平距離約35 m，聯(lián)系橋需適應(yīng)高差為5.55 m。

圖2 游艇碼頭平面布置示意

根據(jù)規(guī)范[2]要求，“步行坡度不宜陡于1:4，無法滿足時需設(shè)置活動踏步”?？紤]活動踏步在使用期較難調(diào)整，且市場未見成熟產(chǎn)品，故不考慮設(shè)置活動踏步。則做一跨聯(lián)系橋時，若按1:4、1:5 或1:6坡度設(shè)計，則聯(lián)系橋長度約22.2 m、27.75 m、33.3 m，綜合考慮將坡度控制在不陡于1:5。在該長度下，若采用鋁合金結(jié)構(gòu)，則生產(chǎn)廠家較少、結(jié)構(gòu)桿件較粗不美觀、在控制結(jié)構(gòu)高度時活載下?lián)隙却螅蝗舨捎娩摻Y(jié)構(gòu)，則鋼結(jié)構(gòu)加工性不如鋁合金結(jié)構(gòu)，水電管線只能用橋架的型式布置，結(jié)構(gòu)不如鋁合金結(jié)構(gòu)美觀，后期維護(hù)也較鋁合金結(jié)構(gòu)麻煩。同時考慮陸域影視城的現(xiàn)有道路結(jié)構(gòu)，不能滿足20 m以上鋁合金或鋼結(jié)構(gòu)聯(lián)系橋的重件運(yùn)輸，水域因低水位施工時吃水有限，僅能采用簡易浮箱浮吊進(jìn)行運(yùn)輸，其起重能力也有限，故本工程采用一種新的結(jié)構(gòu)型式以解決以上問題。

4.2 結(jié)構(gòu)選型及優(yōu)化方案

本項目所采取結(jié)構(gòu)方案見圖3、圖4。在浮橋與游客集散中心平臺之間設(shè)置一處跳躉及跳躉支架，跳躉支架為4 根通過聯(lián)系撐連接的定位樁，其上設(shè)置有橡膠護(hù)舷，跳躉在支架限位下隨水位浮動。跳躉兩側(cè)通過鋁合金聯(lián)系橋分別與陸域、浮橋連接，當(dāng)水位低于17.00 m 后，跳躉擱置在跳躉支架之上，僅浮橋側(cè)聯(lián)系橋繼續(xù)轉(zhuǎn)動。在此方案下，聯(lián)系橋采用鋁合金結(jié)構(gòu)，且長度不超過15 m，其最大坡度為1:5.3～1:6.1，能夠解決以下難點：①因水位差及坡比要求，或為了達(dá)到更好舒適性，浮橋與陸域水平距離大于25 m，利用此種結(jié)構(gòu)減少了設(shè)計及施工難度；②水域、陸域重件吊裝能力受限，不能滿足20 m 以上長度聯(lián)系橋的吊裝，利用此種結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)絕大多數(shù)湖區(qū)的施工條件；③聯(lián)系橋撓度較小，舒適性較高；④對于聯(lián)系橋的坡度進(jìn)行了分級控制，且無需提升樓結(jié)構(gòu)中額外的機(jī)電設(shè)備；⑤跳躉支架能有效對跳躉進(jìn)行水平向限位并保護(hù)聯(lián)系橋上的鋁合金連接件，同時無需額外設(shè)置拋錨設(shè)施。

圖3 設(shè)計高水位時結(jié)構(gòu)示意

圖4 設(shè)計低水位時結(jié)構(gòu)示意

通過以上分析，本項目中所設(shè)計的方案能夠解決諸多難點，具有一定的實用價值。

5 結(jié)語

本文以游艇碼頭聯(lián)系橋的材質(zhì)為討論對象，分別探討了玻璃纖維復(fù)核材料、碳纖維復(fù)核材料、膠合木材、鋁合金和鋼材的強(qiáng)度特點、適宜尺度，以及上述材料應(yīng)用于聯(lián)系橋的優(yōu)缺點。其中玻璃纖維復(fù)核材料、碳纖維復(fù)核材料聯(lián)系橋長度一般為2～3 m，木材聯(lián)系橋長度一般為3～6 m，鋁合金聯(lián)系橋長度一般為10～24 m，鋼聯(lián)系橋長度可大于30 m，但其不能很好滿足游艇碼頭的美觀需求，后期維護(hù)較麻煩，且需考慮支撐端的特殊設(shè)計。本文提出一種具有實用價值的結(jié)構(gòu)型式，即通過“鋁合金聯(lián)系橋+跳躉/跳躉支架+鋁合金聯(lián)系橋”的結(jié)構(gòu)型式，解決工程中以下難點：1）因水位差及坡比要求，或為了達(dá)到更好舒適性，浮橋與陸域水平距離大于25 m，利用此種結(jié)構(gòu)減少了設(shè)計及施工難度；2）水域、陸域重件吊裝能力受限，不能滿足20 m 以上長度聯(lián)系橋的吊裝，利用此種結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)絕大多數(shù)湖區(qū)的施工條件；3）聯(lián)系橋撓度較小，舒適性較高；4）對于聯(lián)系橋的坡度進(jìn)行了分級控制，且無需提升樓結(jié)構(gòu)中額外的機(jī)電設(shè)備；5）跳躉支架能有效對跳躉進(jìn)行水平向限位并保護(hù)聯(lián)系橋上的鋁合金連接件，同時無需額外設(shè)置拋錨設(shè)施。