曹吉濤

（舟山市交通規(guī)劃設計院,浙江 舟山 316000）

0 引言

近年來，隨著嵊泗縣旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展的持續(xù)升溫和島上基礎設施的大力開發(fā)，進出嵊泗縣及周邊小島的車客流量迅猛增加，旅游開發(fā)使島際交通需求進一步提升，交通船舶也因勢更新?lián)Q代，船型等級不斷提高。嵊泗某車渡碼頭現(xiàn)有結(jié)構等級與實際運營需求及嵊泗地區(qū)主力運營船型已不相匹配。因此，為順應船型發(fā)展，解決嵊泗縣旅游旺季島際交通通過能力不足的難題，充分挖掘碼頭潛力，對現(xiàn)有碼頭結(jié)構展開論證工作，使其適應更大船型靠泊碼頭安全作業(yè)的要求，滿足水上交通發(fā)展需要。

1 論證內(nèi)容

該文主要從論證條件、論證船型、裝卸工藝、碼頭平面布置及水域條件、碼頭結(jié)構及附屬設施等五個方面進行核算，論證3 000總噸級車渡船靠泊該碼頭的可能性。

2 工程概況

2.1 碼頭現(xiàn)狀

項目碼頭建成多年，于2010年7月投產(chǎn)運營。碼頭建設規(guī)模為2個1 000噸級車渡滾裝泊位和1個500噸級客運泊位，碼頭總長度292 m。該次擬在2個1 000噸級滾裝泊位處新增靠泊3 000總噸級車渡船，涉及的碼頭結(jié)構主要為2座車渡靠泊平臺和2座鋼吊橋。

2座車渡靠泊平臺頂標高4.00 m（85高程，下同），呈對稱分布。如圖1所示，靠泊平臺結(jié)構采用高樁梁板式結(jié)構，排架間距7 m，每個排架下設3根φ1 000 mm嵌巖灌注樁。平臺由上橫梁、立柱、樁帽、面板等組成，樁上為樁帽、立柱以及現(xiàn)澆上橫梁，上橫梁上擱置疊合面板。

圖1 靠泊平臺結(jié)構斷面圖

根據(jù)碼頭檢測報告，除少量附屬設施局部損壞外，碼頭整體結(jié)構的安全性、適用性、耐久性均能滿足規(guī)范要求。僅需更換損壞的附屬設施，無需進行其他維修加固工作。該次靠泊能力論證是在充分利用現(xiàn)碼頭主體結(jié)構及其附屬設施，不考慮對現(xiàn)結(jié)構進行提升改造的前提下，依照原碼頭竣工圖紙、檢測報告及現(xiàn)場實際情況對擬靠船舶提出靠泊作業(yè)限制條件的論證工作。

2.2 論證條件

2.2.1 風況

項目所在海區(qū)常風向為N向，次常風向為SE向，強風向為NNW、N向，實測最大風速29.1 m/s，次強風向為SSE向，實測最大風速23.3 m/s。

2.2.2 設計水位

極端高水位：3.12 m；極端低水位：-3.06 m

設計高水位：1.92 m；設計低水位：-2.06 m。

2.2.3 設計流速

該次設計潮流流速取1.1 m/s，潮流流向與碼頭前沿線基本一致。

2.2.4 設計波浪

工程區(qū)域主要受偏東向和偏西北向波浪影響，具體波要素如表1所示。

表1 工程區(qū)域50年一遇波要素

2.2.5 工程地質(zhì)

項目所在區(qū)域鉆探深度內(nèi)地層自上而下依次為2-1淤泥層、2-2淤泥質(zhì)黏土層、3-1黏土層、3-2黏土混礫砂碎石層、4-1全風化凝灰?guī)r層、4-2強風化凝灰?guī)r層、4-3中風化凝灰?guī)r層和4-4微風化凝灰?guī)r層。該項目樁基持力層在4-3中風化凝灰?guī)r層。

2.2.6 使用荷載

靠泊平臺：均布荷載—20 kPa；

鋼引橋：均布荷載—20 kPa，集中荷載—10 t汽車。

2.2.7 論證船型

3 000總噸級車渡船（3267GT實船）：總長×型寬×型深×滿載吃水=74.5×15.0×5.0×3.2 m。

3 核算過程

3.1 裝卸工藝核算

3.1.1 鋼吊橋?qū)挾扰c論證船型的匹配性

3 000總噸級車渡船跳板位于船體中央位置，寬5.4 m，長5.8 m。2座車渡平臺液壓鋼吊橋端部喇叭口長2.0 m，寬度9 m，鋼吊橋中心線距靠泊平臺前沿線8.0 m。3 000總噸級車渡船靠泊碼頭后，其跳板中心線與鋼吊橋中心線偏離0.5 m左右，跳板搭接范圍仍處于鋼吊橋的行車區(qū)內(nèi)，可滿足通車寬度需求。但由于跳板搭設時呈偏置狀態(tài)，因此，應在鋼吊橋端部喇叭口余留空置區(qū)設置車輛限制設置，引導車輛安全通過跳板上下船舶。

3.1.2 鋼吊橋升降幅度與論證船型的匹配性

鋼吊橋油缸設計行程4.50 m，考慮以下兩種極端情況下論證船型與鋼吊橋的連接情況。

（1）設計高水位（1.92 m）時，油缸行程0 m，使橋面高程保持在3.80 m，可滿足論證船型空載（干舷2.80 m）狀態(tài)下車輛通過跳板與鋼吊橋平順連接，連接后行車面角度10°。

（2）設計低水位（-2.06 m）時，油缸行程3.5 m，使橋面高程降低至-0.3 m左右，也可滿足論證船型滿載（干舷1.80 m）狀態(tài)下車輛通過跳板與鋼吊橋平順連接，連接后行車面角度為6°。

以上兩種極端情況，論證船型與鋼吊橋的連接角度均在合理的坡度范圍內(nèi)。因此現(xiàn)有鋼吊橋升降幅度可滿足論證船型在高、低水位時平順搭接。

3.2 碼頭平面布置及水域條件核算

根據(jù)《海港總體設計規(guī)范》（JTS165—2013）[1]的相關條文，確定該項目論證船型安全靠泊碼頭所需的各項尺度。

3.2.1 泊位長度

現(xiàn)有兩座車渡靠泊平臺均長73.0 m，平臺距吊橋墩15 m，其前沿水域總長度88.0 m，可滿足論證船型靠泊時所需的水域長度（87.5 m）要求。

3.2.2 停泊水域

根據(jù)水深測圖，靠泊平臺前沿水域開闊，水深均在5.0 m以上，可滿足論證船型的停泊（停泊水域?qū)挾热?0 m，水深4.10 m）要求。

3.2.3 回旋水域

根據(jù)水深測圖，靠泊平臺前沿水域開闊，回旋區(qū)域水深在10 m以上，可滿足論證船型回旋作業(yè)（回旋水域橢圓取186×112 m水深取4.30 m）的水域要求。

3.2.4 航道

論證船型為定期船班，航線相對固定，所經(jīng)航道主要為洋山航道，該航道可滿足10萬噸級集裝箱船舶全潮通行，亦可滿足論證船型的通航要求。

3.2.5 錨地

論證船型為定時定班航行，一般情況下不考慮船舶在碼頭區(qū)域過夜錨泊。臺風天氣時，船舶可前往定海港區(qū)避風。

3.3 碼頭結(jié)構及附屬設施核算

該次論證船型較碼頭原設計船型尺寸較大，船舶靠泊碼頭時產(chǎn)生的荷載亦大于原設計值，為保證碼頭結(jié)構安全，需按照最新船舶荷載進行結(jié)構核算。

3.3.1 船舶荷載計算

按照《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 144—1—2010）[2]中的相關公式進行船舶荷載計算。

（1）系纜力計算。船舶靠泊碼頭時，系纜力可按下式計算：

式中，N——系纜力標準值（kN）；ΣFx、ΣFy分別為風和水流對船舶作用產(chǎn)生的橫向分力總和及縱向分力總和；n——計算船舶同時受力的系船柱的數(shù)目；K——系船柱受力不均勻系數(shù)；α——系船纜水平投影與碼頭前沿線所成的夾角；β——系船纜與水平面的夾角。

經(jīng)計算，同時受力系船柱3個，水流流速1.1 m/s的情況下，3 000總噸級車渡船在8級風（v=20.7 m/s）時靠泊碼頭，單個系船柱所受的系纜力N=248.8 kN；在9級風（v=24.4 m/s）時靠泊碼頭，單個系船柱所受的系纜力N=329.4 kN。

（2）撞擊力計算。船舶靠岸時的有效撞擊能量按下式計算：

式中，E0——船舶靠岸時的有效撞擊能量；ρ——有效動能系數(shù)；M——船舶質(zhì)量（按論證船型滿載排水量計算）；Vn——船舶靠岸法向速度。

在橫浪作用下，系泊船舶有效撞擊能力可按下式計算：

式中，EW0——橫浪作用下系泊船舶有效撞擊能量；k——偏心撞擊能量折減系數(shù)；Cm——船舶附加水體影響系數(shù)；m——船舶質(zhì)量；VB——系泊船舶在橫浪作用下的法向撞擊速度。

經(jīng)計算，船舶靠岸時產(chǎn)生的有效撞擊能量E0=36.50 kJ，對應撞擊力為335.8 kN。系泊船舶在橫浪作用下產(chǎn)生的撞擊能量EW0=40.96 kJ，對應撞擊力為376.8 kN。

（3）擠靠力計算。經(jīng)計算，船舶靠泊碼頭時的擠靠力遠小于船舶撞擊力，不作為主要荷載。

3.3.2 靠泊平臺結(jié)構復核[4]

根據(jù)《碼頭結(jié)構設計規(guī)范》（JTS167—2018），采用易工水運工程結(jié)構CAD集成軟件V3.0，按最不利作用效應組合確定靠泊平臺的排架內(nèi)力。

（1）荷載組合。根據(jù)結(jié)構上可能出現(xiàn)的作用，按照承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，結(jié)合相應設計狀況進行作用效應組合，按規(guī)范規(guī)定選取作用的分項系數(shù)和組合系數(shù)。其中正常使用極限狀態(tài)準永久組合同承載能力極限狀態(tài)持久狀況的持久組合，但需考慮準永久值系數(shù)?？坎雌脚_排架荷載組合如下：

碼頭結(jié)構自重作用+船舶作用；

碼頭結(jié)構自重作用+散貨荷載；

碼頭結(jié)構自重作用+波浪力。

（2）樁基內(nèi)力計算?？坎雌脚_樁基承載能力極限狀態(tài)下最大壓樁力1 655.01 kN，最大拉樁力1 046.18 kN；正常使用極限狀態(tài)下最大壓樁力1 113.46 kN，最大拉樁力174.89 kN，均小于靠泊平臺單樁極限承載力設計值（抗壓設計值10 229 kN，抗拔設計值7 038 kN[3]）。樁基1 000 mm嵌巖灌注樁校核配筋2425，實際配筋2425。經(jīng)校核，靠泊平臺灌注樁樁基承載能力、配筋、裂縫開展寬度等結(jié)構指標均滿足規(guī)范要求。

（3）橫梁內(nèi)力計算?？坎雌脚_橫梁承載能力極限狀態(tài)下最大彎矩958.83 kN*m，最大剪力701.20 kN；正常使用極限狀態(tài)下最大彎矩123.48 kN*m，均小于橫梁極限承載能力。橫梁校核配筋與實際配筋一致，極限狀態(tài)下橫梁最大裂縫寬度0.19 m，小于規(guī)范要求的0.20 m。因此橫梁強度、配筋、裂縫開展寬度等結(jié)構指標均滿足規(guī)范要求。

3.3.3 附屬設施復核

（1）系船柱。現(xiàn)碼頭靠泊平臺及吊橋墩配備的250 kN系船柱可滿足論證船型8級風及以下風速（v≤24.4 m/s）時船舶的系纜要求。經(jīng)驗算，兩座車渡靠泊平臺現(xiàn)有排架結(jié)構仍可滿足論證船型在9級風時的安全靠泊要求，若需在風力達到9級（即風速v=24.4 m/s）時碼頭仍靠泊論證船型，則需將車渡泊位現(xiàn)有的250 kN系船柱更換為350 kN系船柱。

（2）橡膠護舷。論證船型以0.20 m/s的速度靠泊碼頭時，其最大有效撞擊能量為36.50 kJ，現(xiàn)靠泊平臺前沿配置的Y500圓筒型橡膠護舷可滿足吸能要求，能保證論證船型以0.20 m/s的速度安全靠泊碼頭。

4 論證結(jié)論

（1）該碼頭現(xiàn)有平面布置、裝卸設備及周邊水域條件可滿足3 000總噸級車渡船的使用要求。

（2）根據(jù)計算，在保持碼頭使用荷載不變及滿足特定限定條件（表2）的情況下，現(xiàn)有碼頭的2座靠泊平臺主要構件承載能力可滿足3 000總噸級車渡船的安全靠泊要求。

表2 現(xiàn)有碼頭條件下論證船型靠離泊碼頭限定條件

5 結(jié)語

受岸線資源制約，大量新建碼頭顯然比較困難，而對現(xiàn)有碼頭進行靠泊能力論證，以求在較短時間內(nèi)提高碼頭靠泊能力是一個不錯的選擇。該文在未對碼頭進行改造的前提下，通過提出限定條件，使現(xiàn)有碼頭實現(xiàn)了安全靠泊更大噸級的船舶。為后續(xù)類似碼頭進行靠泊能力提升論證提供了寶貴的經(jīng)驗。