老舊高樁碼頭升級(jí)改造技術(shù)研究

孫熙平，闞 津，張 勇，尹紀(jì)龍

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水工構(gòu)造物檢測(cè)、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2.中國(guó)交通通信信息中心，北京 100011；3.哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001）

老舊高樁碼頭升級(jí)改造技術(shù)研究

孫熙平1，闞 津2，張 勇1，尹紀(jì)龍3

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水工構(gòu)造物檢測(cè)、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2.中國(guó)交通通信信息中心，北京 100011；3.哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001）

我國(guó)港口在經(jīng)過(guò)大規(guī)模建設(shè)期后，存在大量的老舊高樁碼頭。文章結(jié)合實(shí)際工程，研究老舊高樁碼頭升級(jí)改造技術(shù)，并對(duì)依托工程進(jìn)行升級(jí)改造方案設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)改造方案進(jìn)行數(shù)值分析可知，改造后碼頭能夠滿足安全性要求，且改造方案可以使新老結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)工作，保證碼頭結(jié)構(gòu)的受力合理和變形協(xié)調(diào)。

老舊高樁碼頭；升級(jí)改造；承載力；數(shù)值分析；灌注樁

Biography：SUN Xi?ping（1984-）,male,associate professor.

截至2012年底，經(jīng)過(guò)60多年的港口建設(shè)，我國(guó)港口營(yíng)運(yùn)泊位已達(dá)31 862個(gè)，其中萬(wàn)噸級(jí)及以上泊位達(dá)到1 886個(gè)。在這些泊位中存在大量使用了幾十年的老碼頭，如何保持這些老碼頭的安全性、繼續(xù)充分發(fā)揮甚至提高其效能，是需要研究解決的問(wèn)題。而對(duì)老碼頭進(jìn)行升級(jí)改造可以以最小化投入和最快捷方式實(shí)現(xiàn)最大化效益，提升靠泊等級(jí)，是促進(jìn)港口發(fā)展的必然選擇。與新建泊位相比，老碼頭升級(jí)改造能夠突破岸線資源不足、碼頭靠泊能力不足、生產(chǎn)安全隱患加大等問(wèn)題。

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外陸續(xù)有碼頭升級(jí)改造的案例出現(xiàn)，例如1981年英國(guó)倫敦的道克蘭碼頭的升級(jí)改造、2002年馬來(lái)西亞的巴生港一般雜貨碼頭的升級(jí)改造、2009年秘魯圣尼古拉斯碼頭裝船機(jī)的升級(jí)改造［1］、2010年的尼日利亞的Bullnose碼頭的升級(jí)改造［2］、2000年京唐港二港池的升級(jí)改造、2006年的廣州黃埔港碼頭的升級(jí)改造、2010年的天津港北疆16-18段專業(yè)化干散貨碼頭的升級(jí)改造、2011年的天津港石化碼頭的升級(jí)改造及2012年的珠海成品油碼頭升級(jí)改造工程等［3-9］。

由于老碼頭安全性影響因素多、模糊性大，已進(jìn)行的高樁碼頭升級(jí)改造多采用“新建結(jié)構(gòu)承擔(dān)新荷載”方式，具體方案大多為新增前方承臺(tái)，老結(jié)構(gòu)則多為限制使用。這一方式優(yōu)點(diǎn)是分工明確，技術(shù)上可行性大，但缺點(diǎn)也很多，如新建承臺(tái)侵占寶貴的港池水域面積且升級(jí)造價(jià)很高、新老結(jié)構(gòu)聯(lián)合工作問(wèn)題較多、老結(jié)構(gòu)可靠性較低且使用不方便等。因此，若能確定老結(jié)構(gòu)的承載力，在已有老結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造，并能使新老結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)工作，則是較為理想的碼頭改造升級(jí)方案。

本文結(jié)合實(shí)際工程，研究高樁碼頭的升級(jí)改造技術(shù)，在碼頭原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出升級(jí)改造方案。方案注重碼頭新老結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)工作，以及改造后碼頭結(jié)構(gòu)的受力合力和變形協(xié)調(diào)等問(wèn)題。

1 工程概況

天津港某碼頭前方承臺(tái)采用連續(xù)梁板式高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)，分為10個(gè)結(jié)構(gòu)段，標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)59.5m，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段包括9個(gè)基樁排架，排架間距為7m，在沉降（伸縮）縫處樁基排架間距為3.5m。后方承臺(tái)采用簡(jiǎn)支梁板結(jié)構(gòu)，樁基排架數(shù)及間距同前方承臺(tái)。前承臺(tái)原設(shè)計(jì)豎向荷載為30kPa，后承臺(tái)原設(shè)計(jì)豎向荷載為50kPa。現(xiàn)擬在該碼頭前承臺(tái)的向海側(cè)設(shè)計(jì)建設(shè)新的前承臺(tái)，新前承臺(tái)設(shè)計(jì)豎向荷載為50kPa。為方便碼頭使用，擬對(duì)碼頭原前承臺(tái)進(jìn)行升級(jí)改造，使其與原后承臺(tái)、擬新建的前承臺(tái)的豎向設(shè)計(jì)荷載一致，即設(shè)計(jì)豎向荷載均為50kPa。

碼頭斷面圖如圖1所示。

2 碼頭前承臺(tái)結(jié)構(gòu)承載力復(fù)核

圖1 依托工程結(jié)構(gòu)斷面Fig.1 Structural section of supported project

2.1 前承臺(tái)各構(gòu)件承載力規(guī)范法計(jì)算

依據(jù)碼頭原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖、配筋圖及設(shè)計(jì)參數(shù)等，根據(jù)《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 151-2011）等相關(guān)規(guī)范計(jì)算反推出碼頭前承臺(tái)橫梁、縱梁、面板等各個(gè)構(gòu)件極限承載力。由于計(jì)算方法比較成熟，限于篇幅，在此不再給出詳細(xì)計(jì)算過(guò)程，各構(gòu)件抗力值匯總見(jiàn)表1。對(duì)于碼頭基樁的豎向極限承載力，工程進(jìn)行了碼頭整體豎向承載力的原型試驗(yàn)［10］，最終確定了基樁的實(shí)際極限承載力為1 900kN。

2.2 新設(shè)計(jì)荷載作用下各構(gòu)件作用力值計(jì)算

碼頭原前承臺(tái)堆貨荷載擬提高至50kPa，先分析碼頭前承臺(tái)提高荷載標(biāo)準(zhǔn)后的安全性。根據(jù)《高樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTS 167-1-2010），前承臺(tái)豎向設(shè)計(jì)荷載需乘以1.5的分項(xiàng)系數(shù)即為75kPa?，F(xiàn)取該泊位一典型的結(jié)構(gòu)段建立有限元模型，計(jì)算在新設(shè)計(jì)荷載作用下前承臺(tái)各構(gòu)件的作用力值。由于本次計(jì)算主要計(jì)算上部構(gòu)件的受力，土對(duì)樁的約束作用可簡(jiǎn)化成嵌固點(diǎn)理論。本次計(jì)算結(jié)構(gòu)段長(zhǎng)59 m，共八跨，每跨7m，寬13.9m，有限元模型見(jiàn)圖2。

提取中間一排基樁的豎向作用力值，基樁從碼頭前沿向陸域編號(hào)依次為1～5#樁，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

提取橫梁、縱梁的彎矩，橫梁的最大正彎矩為617.2kN·m，最大負(fù)彎矩為633.3kN·m；縱梁最大正彎矩為444.4kN·m，最大負(fù)彎矩為487.2kN·m；面板最大正彎矩為156.9kN·m，最大負(fù)彎矩為301.7 kN·m。橫梁、縱梁和面板的彎矩圖見(jiàn)圖3～圖5。

表1 碼頭前承臺(tái)上部各構(gòu)件極限承載力匯總Tab.1 Ultimate capacity of wharf front platforms

圖2 典型結(jié)構(gòu)段的有限元模型Fig.2 Finite element model of typical structure

表2 中間排架基樁豎向作用力值Tab.2 Vertical force of the middle bent piles

圖3 橫梁彎矩圖Fig.3 Bending moment of crossbeam

圖4 縱梁彎矩圖Fig.4 Bending moment of longitudinal beam

2.3 抗力與作用力值對(duì)比分析

將規(guī)范法計(jì)算的構(gòu)件抗力值與有限元模型計(jì)算的作用力值結(jié)果匯總，見(jiàn)表3、表4。

通過(guò)表3、表4可知，上部構(gòu)件（包括橫梁、縱梁、面板）的抗力值均大于作用值，均滿足安全性要求；對(duì)于基樁承載力，部分基樁的極限抗力小于設(shè)計(jì)荷載作用下的作用力值，不滿足安全性要求。因此，前承臺(tái)需要進(jìn)行升級(jí)改造才能滿足新的設(shè)計(jì)荷載要求。

表3 上部構(gòu)件抗力和作用力計(jì)算結(jié)果匯總表Tab.3 Calculation results about resistance and acting force of the upper members

表4 基樁抗力和作用力計(jì)算結(jié)果匯總表Tab.4 Calculation results about resistance and acting force of the foundation piles

圖5 面板彎矩圖Fig.5 Bending moment of panel

3 碼頭前承臺(tái)改造方案

3.1 碼頭前承臺(tái)改造方案設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)前承臺(tái)構(gòu)件承載力復(fù)核的計(jì)算結(jié)果可知，在新設(shè)計(jì)碼頭面荷載作用下（豎向荷載50kPa），前承臺(tái)上部構(gòu)件橫梁、縱梁、面板均滿足安全性要求，但基樁不滿足安全性要求。所以本次改造方案以補(bǔ)樁提高結(jié)構(gòu)整體樁基承載力為主，同時(shí)考慮保持結(jié)構(gòu)整體性、受力合理及變形協(xié)調(diào)。改造方案設(shè)計(jì)在每跨中間增加一根灌注樁，同時(shí)增加樁帽和縱梁等結(jié)構(gòu)。增加的灌注樁設(shè)計(jì)直徑0.8m，底標(biāo)高-30.0m，根據(jù)地勘資料計(jì)算可知新增設(shè)的灌注樁豎向承載力為2 013kN；新增設(shè)的縱梁尺寸與碼頭原橫梁一致，新增設(shè)的縱梁與原橫梁連接形成連續(xù)梁。改造后碼頭一個(gè)典型結(jié)構(gòu)段的立面圖見(jiàn)圖6，俯視圖見(jiàn)圖7，灌注樁的剖面圖見(jiàn)圖8。

圖6 碼頭前承臺(tái)改造后典型結(jié)構(gòu)段立面圖Fig.6 Elevation view of typical structure for reformed wharf front platforms

圖7 碼頭前承臺(tái)改造后典型結(jié)構(gòu)段俯視圖Fig.7 Top view of typical structure for reformed wharf front platforms

圖8 1-1斷面灌注樁剖面圖Fig.8 Profile map of bored pile for cross?section 1-1

3.2 前承臺(tái)改造方案數(shù)值計(jì)算分析

依據(jù)改造方案，建立有限元模型，計(jì)算在設(shè)計(jì)荷載作用下（豎向荷載50kPa，考慮分項(xiàng)系數(shù)后為75kPa）碼頭前承臺(tái)改造后各構(gòu)件的受力狀態(tài)。

本次計(jì)算取碼頭前承臺(tái)一個(gè)典型的結(jié)構(gòu)段，結(jié)構(gòu)段長(zhǎng)59m，寬13.8m，構(gòu)件尺寸和材料特性依據(jù)工程地勘資料確定。為消除土體邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，土體長(zhǎng)度方向取120m，寬度方向取80m，土體四周及底部固定約束。樁與土采用接觸模擬，土體本構(gòu)模型采用DP模型。模型采用的土性參數(shù)見(jiàn)表6。

建立的有限元模型見(jiàn)圖9，碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載作用下整體變形變位圖見(jiàn)圖10，碼頭橫梁彎矩見(jiàn)圖11，碼頭原縱梁彎矩見(jiàn)圖12，碼頭新增設(shè)的縱梁彎矩見(jiàn)圖13，碼頭面板彎矩見(jiàn)圖14。

表5 土體參數(shù)Tab.5 Soil parameters

圖9 碼頭前承臺(tái)改造后有限元模型Fig.9 Finite element model of reformed wharf front platforms

圖10 碼頭前承臺(tái)改造后設(shè)計(jì)荷載作用下整體位移圖Fig.10 Global displacement of reformed wharf front platforms by design load

圖11 碼頭前承臺(tái)改造后設(shè)計(jì)荷載作用下橫梁彎矩Fig.11 Crossbeam moment of reformed wharf front platforms by design load

圖12 碼頭前承臺(tái)改造后設(shè)計(jì)荷載作用下原縱梁彎矩Fig.12 Original longeron moment of reformed wharf front platforms by design load

圖13 碼頭前承臺(tái)改造后設(shè)計(jì)荷載作用下新增縱梁彎矩Fig.13 Added longeron moment of reformed wharf front platforms by design load

圖14 碼頭前承臺(tái)改造后設(shè)計(jì)荷載作用下面板彎矩Fig.14 Panel moment of reformed wharf front platforms by design load

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，提取基樁作用力及各構(gòu)件彎矩值，并結(jié)合前承臺(tái)構(gòu)件承載力復(fù)核結(jié)果，匯總見(jiàn)表6、表7。

3.3 結(jié)論

通過(guò)表6、表7可知，碼頭前承臺(tái)各構(gòu)件（包括橫梁、縱梁、面板、新增加縱梁）在設(shè)計(jì)荷載作用下，作用力值均小于構(gòu)件抗力值，基樁在設(shè)計(jì)荷載作用下的作用力值均小于試驗(yàn)抗力值。同時(shí)，通過(guò)有限元模型的變形變位計(jì)算結(jié)果可知，設(shè)計(jì)荷載作用下碼頭結(jié)構(gòu)整體變形較小，提取基樁沉降，最大沉降為6.5mm，未出現(xiàn)較大沉降。所以綜合分析可知，通過(guò)本方案改造后的結(jié)構(gòu)滿足安全性要求。

表6 改造后上部構(gòu)件抗力和作用力計(jì)算結(jié)果匯總表Tab.6 Calculation results about resistance and acting force of the upper members after reformed

表7 改造后基樁抗力和作用力計(jì)算結(jié)果匯總表Tab.7 Calculation results about resistance and acting force of the foundation piles after reformed

4 結(jié)語(yǔ)

老碼頭升級(jí)改造可以以最小化投入和最快捷方式實(shí)現(xiàn)最大化效益，對(duì)突破岸線資源不足、提升靠泊等級(jí)、促進(jìn)港口可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文結(jié)合實(shí)際工程，研究老舊高樁碼頭升級(jí)改造技術(shù)，對(duì)依托工程進(jìn)行了碼頭升級(jí)改造方案設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)改造方案進(jìn)行數(shù)值分析可知，改造后碼頭能夠滿足安全性要求，且改造方案可以使新老結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)工作，保證碼頭結(jié)構(gòu)的受力合理和變形協(xié)調(diào)。

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Research on upgrade and reform technology of old high?piled wharf

SUN Xi?ping1,KAN Jin2,ZHANG Yong1,YIN Ji?long3
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Harbor&Marine Structure Safety,Ministry of Transport,Tianjin300456,China；2.China Transport Telecommunications&Information Center，Beijing100011,China;3.Harbin Engineering University,Harbin150001,China）

After the period of large?scale construction,there are lots of old high?piled wharves in China.In this paper,combined with actual engineering,the upgrading and reforming technology and project of the old high?piled wharf were studied and designed.The numerical analysis of the reformed project shows that the reformed wharf can meet the safety requirements.The project harmonizes the new structures with the old ones and ensures the wharf structure with reasonable load and deformation compatibility.

old high?piled wharf;upgrade and reform;bearing capacity;numerical analysis;bored pile

U 656.1+13

A

1005-8443（2014）02-0165-06

2013-07-23；

2013-09-22

孫熙平（1984-），男，山東省人，副研究員，主要從事水工構(gòu)造物檢測(cè)、診斷與加固技術(shù)研究。