黄珊珊，陈 达，张晓晨，欧阳峰

(河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098）

高桩码头新型分段缝结构研究

黄珊珊，陈 达，张晓晨，欧阳峰

(河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098）

针对现有高桩码头分段缝结构的不足和工程需要，论文提出了主要由带U形槽的分段横梁和码头结构段端部纵梁组成的新型分段缝结构，并详细介绍了该结构的构造、特点和技术设计方法。结果表明，提出的新型分段缝结构不但满足相邻结构段的自由伸缩要求和不均匀沉降要求，而且可以有效控制相邻结构段之间的横向相对位移，具有受力明确、经济性好、设计施工方便等优点，值得推广应用。

分段缝结构；端部纵梁；分段横梁；U形槽；横向相对位移

高桩码头结构凭借其良好的适用性，在港口工程中得到了广泛的应用。为减少高桩码头上部结构受温差和不均匀沉降的影响，一般采用设置分段缝的方法将上部结构分成若干结构段，使相邻结构段之间可以产生相对变位，从而释放附加应力。分段缝的结构和构造型式直接影响到码头分段之间传递水平力的性质［1］，目前常用的主要有悬臂式分段缝结构（图1）和简支式分段缝结构（图2）。

悬臂式分段缝结构的优点是可将分段缝处面板做成凹凸形，防止码头相邻结构段由于横向（即，垂直码头长度方向）位移不一致而造成的轨道错牙，缺点是凹凸缝的制作较复杂，且设置分段缝一跨的跨度小，横向排架数量多。简支式分段缝结构的优点是横向排架数量少，缺点是抵抗横向水平

力以及控制码头分段横向相对位移的能力差，而且简支结构的支座构造复杂，必须采取适当措施以保证简支梁的梁端能自由滑动和转动。

图1 悬臂式分段缝结构Fig.1 Cantilever segmented joints structure

图2 简支式分段缝结构Fig.2 Simply supported segmented joints structure

码头结构所受到的横向水平荷载主要有船舶荷载、门机水平分荷载、风荷载、水流力等，相邻分段受到的水平荷载差异会导致分段横向相对位移。为此，《高桩码头设计与施工规范》（JTS167-1-2010）［2］中提出：“当码头采用有轨装卸设备时，应防止码头相邻两段水平位移差异影响有轨装卸机械行驶，分段处可采用悬臂结构。悬臂分缝处宜做成凹凸缝。”上述技术实质上是利用悬臂处的面板来控制码头分段横向相对位移。然而面板较薄，其在凹凸缝处通常按照构造要求配置加强钢筋和加强斜筋。当码头分段之间的横向水平力相差较大时，凹凸缝不但不能有效控制横向相对位移，而且由于相邻分段在凹凸缝位置存在较大水平接触力，会导致缝处面板遭受不同程度的损坏［3］。在实际工程中，上述问题屡见不鲜。对天津港部分高桩码头悬臂式分段缝所进行的调查表明，不少码头在分段缝处破坏严重，有问题的分段缝占被调查分段缝总数的90%左右［4］。且有文献［5］表明，高桩码头的现浇面层在使用过程中普遍出现裂缝，在此情况下，由凹凸缝造成的面板损坏则会进一步降低结构的耐久性。另一方面，随着码头向大型化和深水化方向发展，我国成功研制了预应力混凝土大直径管桩，其强大的轴向和侧向承载力使得桩间距及排架间距增大［6］，传统悬臂式分段缝结构的分段跨跨度小，不能充分发挥设置分段缝一跨桩的承载力，造成工程投资增加。

1 新型分段缝的构造及特点

针对现有技术的不足和实际工程的需要，本文在文献［7］的基础上改进并提出了一种高桩码头新型分段缝结构，其主要由带U形槽的分段横梁和码头结构段端部纵梁组成。该结构中分段缝一侧的结构段将端部纵梁搁置在分段横梁所开的U形槽内，另一侧纵横梁的型式和连接方式均与其他跨一致，其示意简图如图3所示。

图3 新型分段缝结构Fig.3 New joints structure

图4和图5分别是分段横梁与纵梁连接方式俯视图和正视图，图6是其他跨横梁与纵梁连接方式正视图。由图可见，分段横梁为非对称结构，其设置分段缝一侧的下横梁开设U形槽，另一侧则与其他跨一致。将相邻结构段的端部纵梁简支搁置在U形槽内，与上横梁之间预留一定宽度的缝隙，满足相邻结构段沿着码头长度方向的自由伸缩及竖直方向的不均匀沉降的要求，并限制其在垂直码头长度方向的位移，从而控制码头分段间的横向相对位移并实现伸缩缝及沉降缝的功能。其中，新型分段缝结构的支座处理方式既可以参照简支式分段缝结构中简支梁的梁端，即在U形槽的下表面铺设橡胶块、油毛毡等垫层，利用这些材料比较柔软又具有一定强度的特性来适应梁端比较微小的转动与伸缩变形的要求，并承受支点荷载；也可以在U形槽的下表面及端部纵梁的底面预埋钢板，通过钢板之间的滑动以满足纵梁梁端自由伸缩及转动，同时也能提高混凝土的耐久性。开U形槽一侧的下横梁翼缘宽度A′比其他跨下横梁的翼缘宽度A大，主要考虑相邻结构段长度在温度升高时的膨胀需要（c1），以及温度降低时的收缩（c2）对搁置宽度的影响。此外，开U形槽一侧的下横梁高度也比其他跨下横梁的高度B大，增加的高度b即U形槽的高度。该高度需能够满足足够的侧向刚度以及有效地约束纵梁的侧向位移，因此相邻结构段间横向水平力差越大，则b也越大。必要时也可增加开U形槽一侧下横梁的宽度，从而增大U形槽与悬臂纵梁的接触面积，提高相邻结构段间横向相对位移的控制能力。

图4 分段横梁与纵梁连接方式俯视图Fig.4 Vertical view of the connection between lengthways girder and segmented cross beam

图5 分段横梁与纵梁连接方式正视图Fig.5 Front view of the connection between lengthways girder and segmented cross beam

图6 其他跨横梁与纵梁连接方式正视图Fig.6 Front view of the connection between lengthways girder and other cross beams

目前控制高桩码头分段间横向相对位移的技术是将分段缝处面板做成凹凸形，利用面板的强度来限制横向相对位移的发展。上述高桩码头新型分段缝结构则是将端部纵梁搁置在相邻分段横梁的U形槽中，利用端部纵梁的水平抗弯能力和U形槽的限制能力来控制码头分段间横向相对位移。当分段间存在横向水平力差时，端部纵梁在与U形槽的接触处会受到U形槽侧壁施加的横向水平集中力，从而导致端部纵梁有侧向弯曲变形的趋势。同时，U形槽侧壁受到的由端部纵梁施加的反作用力也会在一定程度上增加横梁水平扭转的趋势，但不足以使横梁发生水平扭转破坏，对此可以通过采用将叉桩设置一定扭角的方式来抵抗横梁的这一水平扭转趋势。与传统面板凹凸缝结构处通过构造配筋不同的是，当码头相邻结构段所承受的横向水平力差较大时，可以通过增加端部纵梁侧面的配筋量来提高其水平抗弯能力，也可以通过增加分段横梁的下横梁宽度和U形槽高度及配筋量提高其抵抗能力。此外，由于端部纵梁的一端搁置在U形槽中，稳定可靠，伸缩自由，其跨越能力与悬臂式分段缝结构相比大大提高，跨度设计可与其他跨一致。

当码头相邻结构段承受的横向水平力差过大时，可将以上分段缝结构中的分段横梁改进为半工字形分段横梁（图7），通过在上下翼缘开设U形槽共同约束相邻结构段的端部纵梁，另一侧则与其他跨一致。这种结构不但能够提高对相邻结构段间横向相对位移的控制能力，而且由于上下翼缘U形槽侧壁的共同作用，可以避免端部纵梁仅在下端受到横向水平集中力作用时而发生的受扭变形现象。

图8 分段横梁结构侧视图Fig.8 Side view of segmented cross beam

2 新型分段缝结构的技术设计

新型分段缝结构的技术设计主要体现在U形槽、端部纵梁和分段横梁。

2.1 U形槽

U形槽的长度A′即下横梁在该侧的翼缘宽度（图5），可按式（1）计算。

式中：c1和c2分别为相邻结构段长度在气温达到该地区最高和最低温度时的膨胀量和收缩量；c3为悬臂纵梁的最小搁置宽度，可参考其他纵梁的搁置宽度取值。

U形槽的高度b应根据U形槽侧壁局部受压强度计算确定（图8），既要满足足够的侧向刚度及结构稳定性，同时又要考虑配筋要求。

2.2 端部纵梁

高桩码头中的纵梁主要承受自重、面板自重以及码头面上的各种竖向荷载，而新型分段缝结构中的悬臂纵梁除承受以上荷载之外，还要承受由于相邻结构段横向水平力不一致而在U形槽侧壁引起的横向水平集中力。因此，端部纵梁要分别进行竖向及横向的抗弯和抗剪设计。其中，竖向抗弯和抗剪设计可按照一端固定，一端简支的梁进行计算，竖向荷载取值可参考其他跨处的纵梁。横向抗弯和抗剪设计可按照悬臂梁进行计算。假设分段缝两侧横向排架承受的横向水平力差的最大值为F，端部纵梁的长度为l。在F的作用下，U形槽侧壁施加给端部纵梁的横向水平力可简化为集中荷载考虑，其取值为F，计算跨度l′可按式（2）计算。

根据悬臂梁相应公式计算得到梁中的弯矩和剪力分布后，可依据相关规范［9］对其进行钢筋的配置。

2.3 分段横梁

分段横梁作为重要的受力构件，不仅要承受横向水平力，还要承受码头上部结构传来的竖向力。由于端部纵梁搁置在分段横梁下横梁所开的U形槽内，导致下横梁翼缘承受的横向荷载和竖向荷载也相应增加。为确保下翼缘与整个横梁共同受力，避免沿翼缘与腹板交线的剪切破坏，同时也为了防止下翼缘与端部纵梁的接触面上发生混凝土的局部受压破坏，需对下横梁进行抗剪以及局部承压设计。其中，分段横梁的下翼缘在端部纵梁施加的集中荷载作用下的抗剪设计方法，由剪跨比λ的大小来决定。根据λ的大小判断下横梁翼缘的破坏形态，再依据相关规范［8］对其进行横向箍筋的配置。下横梁翼缘搁置纵梁的混凝土接触面局部压应力应满足式（3）。

式中：σc为接触面局部压应力；Fvk为作用于翼缘上按荷载标准组合计算的竖向集中力值；A为局部受压面积；fc为混凝土轴心抗压强度设计值。若不满足局部承压要求，则需另外配置钢筋网片或螺旋筋等间接钢筋予以加强。

同样地，也需要保证下横梁上的U形槽侧壁在受横向集中力时的局部承压能力，因此也先按照式（3）进行初步验算，若满足要求，则不需配置间接钢筋；若不满足，则也要另外配置钢筋网片或螺旋筋等间接钢筋，并进行验算。

3 结论

本文提出的高桩码头新型分段缝结构主要由带U形槽的分段横梁和码头结构段端部纵梁组成，通过在分段横梁设置U形槽，将相邻结构段的端部纵梁搁置其中，从而实现分段结构在温度作用下沿着码头长度方向的自由伸缩，克服分段结构沉降不均匀的影响，而且达到有效控制相邻结构段间横向相对位移的目的。该结构克服了传统悬臂式分段缝结构抵抗横向水平力和控制码头分段横向相对位移能力差，横向排架数量多，凹凸形面板制作复杂且易损坏等缺点，具有以下优点：（1）受力明确，可根据码头实际横向水平受力特点进行计算，满足横向相对位移的设计要求；（2）经济性好，设置分段缝一跨无需减小跨度，降低工程投资；（3）施工方便，除了U形槽局部构造有所特殊以外，其他部分均与正常跨处一致。因此，本文提出的新型分段缝结构可以普遍用于高桩码头分段设计，值得推广应用。

［1］张志明，白景涛.全直桩码头伸缩缝（沉降缝）构造的特殊处理方法及其传递水平力的分析［J］.水运工程，2002（3）：25-29. ZHANG Z M，BAI J T.Special Treament Method for the Expansion Jionts（Settlement Jionts）of All⁃Vertical⁃Piled Wharf and Anal⁃ysis to Horizontal Force Transmission［J］.Port&Waterway Engineering，2002（3）：25-29.

［2］JTS167-1-2010，高桩码头设计与施工规范［S］.

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［6］翟秋.大跨度码头结构型式探讨及计算方法研究［D］.南京：河海大学，2006.

［7］陈达，沈才华.高桩码头结构分段设计理论和方法［M］.北京：科学出版社，2012.

［8］JTS 151-2011，水运工程混凝土结构设计规范［S］.

Research on new joints structure of high⁃piled wharf

HUANG Shan⁃shan,CHEN Da,ZHANG Xiao⁃chen,OUYANG Feng
（College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China）

Aiming at the shortcomings of the existing high⁃piled wharf joints structure and engineering need, new joints structure consisting of segmented beam with U⁃shaped slot and end girder were proposed in this paper. Characteristics and technology design method of the structure were introduced in details.Results show that the pro⁃posed new joints structure can not only satisfy the requirement of free expansion and uneven settlement between ad⁃jacent structures,but the transverse relative displacement between adjacent ones can also be controlled.It has sev⁃eral advantages of clear force,good economy,convenient design and construction and so on.

joints structure;end girder;segmented cross beam;U⁃shaped slot;transverse relative displace⁃ment

U 656.1+13

A

1005-8443（2016）03-0284-04

2015-11-05；

2016-01-18

黄珊珊（1992-），女，江苏省南通人，硕士研究生，主要从事港口海岸及近海工程方面的研究。

Biography：HUANG Shan⁃shan（1992-），female，master student.