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第8章泊位结构类型
8.1综述
泊位结构的目的主要是提供一个船舶可以安全停泊的垂直前沿。泊位前沿是根据以下两个主要原则之一建造的：
- 固体泊位结构：填料直接延伸至泊位前沿，在泊位前沿建造垂直前墙，以抵抗填料的水平荷载和停机坪上可能的活荷载。固体泊位结构可分为三大类，根据构筑物前墙以获得足够稳定性的原理：
1）重力墙结构：具有自身自重和底部摩擦的构筑物前墙能够或能够自给自足地抵抗回填产生的荷载，作用于泊位墙结构本身的有效荷载和其他水平和垂直荷载。
2）板桩结构：前墙不足以抵抗作用在结构上的任何水平荷载，因此必须锚定在泊位后面的锚定板、墙或岩石上。
3）带卸荷平台的结构：这是一种带卸荷平台的板桩墙或板桩后面的板桩墙，以减少对板桩结构的水平力。
- 开放式泊位结构：从疏浚或填充斜坡的顶部到泊位前部，在柱或板墙上建造承重板。然而，很难为每种情况下的泊位类型选择制定准确的指南。为了选择技术和经济上最有利的类型，应考虑以下因素。
泊位结构的设计和建造应能安全地抵抗活载、卡车、起重机等引起的垂直荷载，以及船舶撞击、风、结构后面的填土等引起的水平荷载。
一般来说，固体泊位结构比开放式泊位结构更能抵抗荷载，垂直和水平。由于固体泊位结构的自重比开放式泊位结构的自重占结构总重量的比例更大，因此前者对超载的敏感性较低。另一方面，实体结构的安全系数通常低于开放结构。
例如，在远洋船舶的开放式立柱泊位中，梁和板的自重约为15kn/㎡泊位甲板面积，而活载通常为40kn/㎡。这种长50米、宽15米的泊位重量仅为1200吨左右，但必须抵抗来自排水量为30000吨或以上的船舶的冲击。固体结构通常比开放式结构更耐冲击，也就是说，随着结构长细比的增加，船舶的抗冲击能力降低。例如，挡土墙码头的脆弱性远远低于桩上开放式泊位码头。这条规则的一个例外是木桩上的开放式泊位，整个结构是灵活的，当船舶靠岸时，其弯曲变形足以吸收相当一部分冲击能量。
8.1.1泊位板的最大高度
泊位结构的最大高度应根据以下因素确定：
- 泊位的码头区高度
- 最高观测水位和潮位
- 港池内的最大浪高
- 港池内的波浪作用
- 使用泊位的船舶类型
- 港口设施和货物运输。
通常，对于拥有封闭性港池的货物码头建筑，泊位板和围裙的最大高度应至少高于工作水位1.5m。对于直接连接到公海的泊位结构物，泊位板的顶部高程应高于港口观测到的最高波峰0.5-1.0m，具体取决于泊位处理的货物类型。当暴风雨袭击泊位结构时，泊位板的要求高度如图1所示。因此，最好尝试评估港口的最高浪高。
图 1 浪高与泊位高度的比较。
8.2垂直荷载
如图2所示，固体结构上的垂直荷载，包括活荷载、起重机荷载等，除填料荷载外，还将在前部产生水平荷载。
图 2 固体结构荷载
如果泊位前部的高度或活载较大，则可通过将结构建造为实心或半实心平台泊位来减少或消除上述水平荷载的影响。在开放式结构中，所有垂直荷载通过柱或板墙传递到岩石或抗荷载下层土层（图3）。
图 3 在开放式泊位结构上装载
在板/梁结构中，垂直荷载由类似于弹性支承梁系统的系统承担。这种影响的重要性取决于柱子的弹性和长细比，以及海底材料的特性或岩石的深度。由于荷载的分布是由板和梁系统的刚度（相对于柱间距）决定的，因此有时可以建议将梁变得更刚性，从而使荷载分布通过更多的柱来进行。柱子被认为是与梁不可移动地连接，并部分固定在梁上。固定程度取决于梁的抗扭性。根据岩石上方海床材料的厚度和性质，立柱底部有不同程度的固定。在任何情况下都很难保证完全固定。如果海床层只有0-3m厚，则必须假设岩石处存在接缝。如果该层具有相当厚的厚度，根据海床材料的特性，通常假设接缝位于海底以下3-5m处是正确的
8.3水平荷载
水平荷载的承载或吸收可在三个水平面进行：
- 在泊位甲板水平面
- 在甲板和海底水平面之间
- 在底部水平面
在任何情况下，应尽可能简单明了地布置荷载的承载。
8.3.1在泊位甲板水平
在泊位甲板水平上承受水平荷载的最简单方法是支撑和锚定泊位甲板（图4），如果可能的话，锚定泊位后面的岩石。
图 4泊位甲板水平的支撑和锚定
然而，带有细长柱或桩的开放式结构物有时很难在泊位甲板水平锚定。水平荷载必须通过板墙或通过将甲板锚定到泊位结构后面的地面来承担。
假设甲板和立柱之间为刚性框架条件，船舶撞击产生的水平荷载不应通过立柱或桩传递至底部。原因是，即使在理论上可以抵抗发生在柱顶的力矩，在柱顶（即可能是结构最脆弱的部分）出现裂缝的危险也很大。因此，结构设计规则规定，立柱不应转移船舶撞击产生的水平荷载。
在独立柱泊位中，水平荷载可按图5所示布置，此处将泊位甲板（板加梁）视为一块刚性板，将船舶撞击力传递到A和B的支架上。从那里，所有水平荷载通过杆1、2和3传递到C、D和E处的不可移动岸岩锚上。岩石中的锚定螺栓必须防止腐蚀，并且其长度必须足以在岩石中提供良好的锚定。即使岩石破裂，杆中的压缩力通常也不会引起任何问题。
图 5孤立的柱式泊位
这种锚固方式的原理是，其中一个支架（A）在泊位甲板的纵向和横向都不可移动，而另一个支架（B）的设计允许温度变化和收缩引起的纵向移动。泊位甲板本身通常能够抵抗由于船舶撞击而在A和B之间产生的水平弯曲力矩，尽管沿着板的较长边的一些额外加固可能被证明是必要的。支架A可以通过两个拉杆连接到锚C和锚D，或者这些拉杆可以由A-F和C-D之间的一个可伸缩桥代替，或者只有拉杆2可以用简支梁代替，保持拉杆1的原样。角度a应该很宽，因为相当大的纵向力可以作用在泊位甲板上。由于拉杆传递大量的力，拉杆和泊位甲板之间的连接应布置成拉杆、泊位梁轴和立柱轴在一个点上相交。这是为了避免设置次力矩。如图5所示，角度b应尽可能小，以便柱传输的垂直分量也变小。拉杆可以很长，它们通常由单独的立柱支撑。它们必须设计成能承受静荷载加上一些活荷载和轴向荷载，并且通常被塑造成T形梁。
8.3.2在甲板和海底之间
如上所述，锚应直接承受水平力，而不将任何力传递到柱或桩。图6显示了不可接受的锚固类型，因为在挡土墙吸收水平力之前，必须在挡土墙前面建立被动土压力。换言之，这堵墙必须先受到某种运动的影响。
图 6 钢拉杆与挡土墙锚固
在近似刚性结构中，如图6所示的柱上泊位，水平力的较大部分将传递到柱上，并可能对柱造成一些损坏。结构中最坚硬的部分往往会吸引作用在结构上的力。因此，锚具应如图7所示，由摩擦片和混凝土拉杆组成，以便将力直接传递到锚具。
图 7 混凝土拉杆和摩擦片锚固
锚定系统必须能够承受平行于和垂直于泊位前沿的水平力，并且还必须考虑到由于收缩和温度变化导致的泊位在纵向的变形。如图5所示，角度b应尽可能小，拉杆、梁和柱的轴线应在一点相交。
8.3.3在最底层
如果泊位结构物不能锚定在甲板水平面或甲板与海底之间，则必须将力传递到底层，并通过以下方式之一进行吸收：
- 斜柱或桩
- 板墙
- 单元。
其中一种方法通常用于支撑墩头。由于结构的宽度相对较小，因此很难获得足以抵抗倾覆力矩的稳定力矩，因此在这种连接中涉及到一些问题。
尤其是，开放式结构具有较小的稳定自重。在由斜桩提供支撑的开放式结构中，仅甲板的稳定重量很少足以承受水平荷载。图8显示了一个开放式桥墩结构，其中船舶可停靠在两侧。水平荷载通过结构自重和桩土之间的粘附力来承担。
图 8 开放式桥墩结构
当无法充分粘附时，可通过在板顶部添加一层砂或使混凝土板更厚来增加自重。如果岩石上方的海床材料厚度太小，无法提供足够的粘附能力，则板桩单元可以提供承受水平荷载的替代方案。在重要泊位的船头，出于安全考虑，应考虑建造两个货舱。
如果海底是岩石，开放式结构物末端的薄层墙是一个很好的替代方案（图9）。墙和甲板自重产生的稳定力矩应大于开放式桥墩结构增加的自重类型，而不是水平荷载产生的倾覆力矩。钻入岩石中的岩石锚杆或后张锚索应提供必要的额外安全，以防倾覆。螺栓或杆的设计应考虑到可能的腐蚀。根据腐蚀后的净截面尺寸和所涉及的岩石量，此类螺栓的安全系数至少应为2。为了简化水下混凝土的浇筑，可将墙设计为框架墙。
当水平荷载由上述方法之一承担时，最经济的方案是尽可能少地涉及荷载传递点，并且仅为轴向荷载设计柱。
图 9 通过板墙锚定
如果在结构的使用寿命内可能发生一次或两次极端严重的冲击，则应予以考虑。例如，海豚可以被设计成承担正常的负载，而它的基础可以被设计成允许海豚在极端载荷下沿着地基滑动。最便宜的解决方案可能是用这种方式建造海豚，在这种情况下，如果发生打滑，则在之后将海豚顶回原来的位置。
在许多情况下，建造整个结构以抵抗泊位结构使用寿命中可能出现的一次或两次极端荷载将是非常昂贵的。
8.4影响结构选择的因素
8.4.1土壤条件
土壤条件因场地不同而变化很大，这导致了泊位结构类型的广泛发展。如果土壤松散且承载力较低，则考虑建造实心砌块墙结构将毫无用处。在这种情况下，最好考虑在打入岩石的桩上或另一个足够坚固的地层上建造开放式。
换言之，必须在新泊位结构的现场进行可靠和完整的土壤调查。通常要征询土工工程师关于所选地基类型的意见。
8.4.2水下作业
避免必须在水下进行的施工作业是现代泊位设计的重要目标。强调施工方法的应用，使尽可能多的工作可以从水上的位置进行，从而将潜水量保持在最低限度。板桩结构和基于钢管桩的结构在这方面是理想的。
要杜绝潜水作业的一个原因是，只有一两名潜水员承担重要的结构要素，很难对他们的工作进行严密的监督。水下作业的能力与水上作业相比往往有限；这同样适用于能见度。因此，必须由潜水员进行的工作（如果有的话）应具有简单的性质。当水下作业不可避免时，结构工程师应事先向有经验的潜水员咨询拟采用的作业方法。
8.4.3波浪作用
开放式泊位结构物通常比固体结构物在入射波对泊位前沿的反射方面更为有利。在一个开放的结构中，海浪会在很大程度上被淹没在崎岖的碎石坡上。在固体泊位的垂直壁上，任何波浪反射和其他干扰都可能产生有害影响，特别是当港池的形状足以支撑波浪反射时。
8.4.4设计经验
受委托负责海洋结构物设计和建造的人员必须具备特殊资格。大部分建筑工程都与水有关，因此，施工技术、设备和机械在很大程度上不同于陆地上的建筑。
因此，必须为海事部门的工程师和其他人员提供相关经验。挪威混凝土协会2003年《海洋环境中混凝土结构设计和施工指南》强调了这一要求。
8.4.5施工设备
在设计泊位结构时，应考虑可为相关现场合理采购何种类型的施工设备和机械。人们还应记住，为了确保真正的竞争。应该使多名承包商都有能力采购必要的设备。
有时有人认为，不同的承包商拥有不同类型的设备，因此往往采用偏离合同规范的施工方法。然而，对最有经验的承包商使用的方法进行的一项较详细的研究表明，他们的方法非常相同。结构工程师应考虑到这一事实，并可能导致该行业的某种程度的标准化。
另一方面，基础工程中使用的重型设备很容易将其标准化。这种设备通常需要很高的运输和安装成本。因此，有时考虑替代基本方法，以利用本地发现的设备。在每个具体工程中，基础工程的大小也是考虑这方面的一个因素。
8.4.6材料
泊位结构可以用木材、钢材或混凝土或这些材料的组合建造。采用的建筑材料的一般选择将取决于结构的用途和经济考虑。海洋环境条件下的耐久性对海洋结构物尤为重要。海水的侵蚀作用需要特别注意。
实际将指定材料运至现场的可能性是一个必须仔细调查的问题。对结构系统的修改可以是这种调查的结果。
图10所示为桥墩的横截面，其中水平荷载P通过在打入岩石的500mm钢桩上稳定板墙来抵抗。使用延伸至铺位板的800mm桩和增加板厚度以获得足够的重量可能更便宜。但是，在这种情况下，不可能从任何来源及时获得800mm的管道，必须使用500mm的管道和板墙。
图 10 桥墩横截面：设计取决于材料的可用性
8.4.7施工时间
如果新的轮渡泊位与仍在运营的旧泊位在同一地点建造，或者在现有泊位附近建造新的泊位结构，在施工期间会妨碍其运营，那么即使建造成本较高，也应强调一种省时的建造方法。
8.4.8未来扩建
通常，应为未来可能在一个或多个方向上扩建泊位作出规定。由于近年来船舶尺寸的增加，可能需要增加现有泊位结构前方的水深，以提供更大的前方水深。这会给泊位结构前部的稳定性带来问题。以下方法说明了在尽可能多地利用现有泊位结构（图11）的同时获得更大前方深度的一些解决方案：
- 船舶和泊位结构之间的大型浮式挡泥板。从施工的角度来看，解决方案是廉价的，但起重机的距离等方面可能存在问题。
- 用新的灌浆锚对现有板桩结构进行额外锚固，或减少码头装载区的活荷载，或用较轻的材料替换码头前沿后面的现有填料。
- 现有泊位结构前面的板桩。
- 在现有泊位结构前面的新泊位结构。
这种解决方案比情况（a），（b）和（c）提供了更多的可能性，因为它为停机坪提供了额外的面积，并且可以为更高的活荷载设计。非常重要的是要记住，由于许多具有非常强的
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