大浪強(qiáng)震區(qū)高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

范 曄

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032)

近年來，國內(nèi)設(shè)計(jì)單位承接了許多海外工程項(xiàng)目，遇到了更多更復(fù)雜的設(shè)計(jì)自然條件。菲律賓Luna 2×300 MW 電廠配套碼頭工程位于菲律賓呂宋島Luna地區(qū)，自然條件極其惡劣，既有強(qiáng)震又有大浪，還有海嘯。針對強(qiáng)震和大浪，筆者就如何選擇合適的碼頭結(jié)構(gòu)方案，使其既能滿足碼頭使用要求又經(jīng)濟(jì)合理進(jìn)行探討。

1 工程概況

菲律賓Luna 2×300 MW 電廠配套碼頭工程位于菲律賓呂宋島Luna地區(qū)，面向中國南海，屬于全無遮擋的開敞式海域。擬建1座8萬DWT的卸煤碼頭泊位及配套引橋。泊位全長300 m，其中工作平臺長255 m，寬18 m，設(shè)計(jì)前沿水深-17 m，兩側(cè)設(shè)系纜墩各1座。該地區(qū)潮差較小，設(shè)計(jì)高水位為0.674 m，設(shè)計(jì)低水位為-0.476 m，平常期波浪較小，但受臺風(fēng)影響較大，是歷年臺風(fēng)必經(jīng)之地，僅2018年就有超強(qiáng)臺風(fēng)“玉兔”“山竹”直面打擊，臺風(fēng)期波浪達(dá)H1%=12.45 m。另外，根據(jù)菲律賓規(guī)范NationalStructuralCodeofthePhilippines[1]，當(dāng)?shù)氐幕鶐r峰值加速度(PGA)為0.4g，為強(qiáng)震地區(qū)?，F(xiàn)有陸上鉆孔資料顯示，工程區(qū)主要是中密-密砂土，其標(biāo)貫擊數(shù)一般為20～50擊，石灰?guī)r深度為13.3～16.8 m和24.5～30.0 m。高樁結(jié)構(gòu)是比較合適的碼頭結(jié)構(gòu)形式。

2 設(shè)計(jì)荷載

1)恒載。

3)卸船機(jī)荷載：軌距14 m，基距15 m，海測每腿12輪，輪距1 m；岸側(cè)每腿8輪，輪距1.1 m；工作狀態(tài)最大輪壓500 kN輪，極端大風(fēng)期最大輪壓650 kN輪。

4)船舶荷載：碼頭系纜設(shè)施采用1 500 kN系船柱；靠船設(shè)施采用1600H錐型橡膠護(hù)舷(一鼓一板)，單鼓吸能量2 510 kJ，反力2 730 kN。

5)波浪荷載：按BS 6439-1-2:2016[2]中相關(guān)規(guī)定計(jì)算波浪荷載，包括樁上波浪力，上部結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊力和浮托力和下砸力。

6)地震荷載：根據(jù)規(guī)范NationalStructuralCodeofthePhilippines，地震反應(yīng)譜如圖1所示，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)延性變形能力，采用折減系數(shù)R=3.5。

圖1 地震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

3 設(shè)計(jì)難點(diǎn)及對策

3.1 強(qiáng)震

工程區(qū)PGA為0.4g，為強(qiáng)震地區(qū)。按照國際主流的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，如歐洲標(biāo)準(zhǔn)[3-4]，美國ASCESEI[5]、日本港口設(shè)計(jì)規(guī)范[6]、國際航運(yùn)協(xié)會(huì)抗震設(shè)計(jì)指南[7]等基于性能的抗震設(shè)計(jì)(performance based seismic design)理念，強(qiáng)震區(qū)的高樁碼頭設(shè)計(jì)要充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)延性變形能力，主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括：1)傳力路徑應(yīng)盡量簡潔，如采用全直樁的高樁碼頭結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)地震水平力通過彎矩傳遞至樁基礎(chǔ)，且全直樁高樁碼頭結(jié)構(gòu)是柔性結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)基本周期較長，地震影響系數(shù)較低；2)碼頭結(jié)構(gòu)的水平、豎向構(gòu)件包括樁基礎(chǔ)、橫梁、縱梁等，其布置應(yīng)盡量均勻、對稱，使結(jié)構(gòu)的剛心和質(zhì)心的偏心導(dǎo)致的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)有限[8]。

3.2 大浪

工程區(qū)臺風(fēng)期波浪H1%=12.45 m。波浪對碼頭的主要荷載作用表現(xiàn)在水平向的沖擊力、向上的浮托力及向下的下砸力。減少波浪對碼頭結(jié)構(gòu)影響的最好方法是建立防波堤，但造價(jià)較高。另外，可以通過在合理范圍內(nèi)抬高碼頭面高程，減少波浪對碼頭上部結(jié)構(gòu)的作用力，以及適當(dāng)增加斜樁數(shù)量來控制碼頭位移。

4 高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

為減少大浪對碼頭上部結(jié)構(gòu)的作用力，以縱梁不受波浪力為標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮碼頭裝卸工藝設(shè)備操作要求，按JTS 165—2013《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]5.4.8.3中相關(guān)規(guī)定，經(jīng)計(jì)算，碼頭面高程暫定為12.5 m。根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件、總平面布置和造價(jià)，高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案按整體式(碼頭工作平臺和靠系纜結(jié)構(gòu)合二為一)和分離式(碼頭工作平臺和靠系纜結(jié)構(gòu)各自獨(dú)立)2種不同的結(jié)合方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1 整體式

高樁碼頭由上部結(jié)構(gòu)和樁基礎(chǔ)組成，上部結(jié)構(gòu)構(gòu)成碼頭面并與樁基連成整體，直接承受作用在碼頭面的垂向及水平荷載，并將其傳遞給樁基。樁基用來支承上部結(jié)構(gòu)，并將上部結(jié)構(gòu)及碼頭面的荷載傳遞到地基深處。常規(guī)的連片式高樁碼頭靠系船設(shè)施直接布置在上部結(jié)構(gòu)橫梁上，因此，主體結(jié)構(gòu)既是工作平臺也是靠系纜平臺，排架間距一般為6～12 m。本工程由于波浪的影響，碼頭面頂高程較大，靠系纜均不便，因此在碼頭前沿間隔24～27 m設(shè)置下層靠系纜平臺，平臺下增設(shè)1根直樁，靠系纜設(shè)施直接設(shè)置在下沉式的靠系纜平臺上(圖2)。

圖2 整體式碼頭斷面(高程：m；尺寸：mm。下同)

樁基布置形式是影響碼頭結(jié)構(gòu)方案合理性和經(jīng)濟(jì)性的決定因素，包括樁基的間距、樁徑大小、樁基傾斜度等。針對本項(xiàng)目強(qiáng)震和大浪這2個(gè)主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)4組不同的樁基布置形式(表1、圖3)。通過模擬計(jì)算，探求較優(yōu)的高樁碼頭樁基布置形式。

表1 樁基布置形式主要參數(shù)

圖3 整體式典型布樁形式

根據(jù)以上不同的樁基布置形式，采用國際通用有限元軟件Robot進(jìn)行空間模擬計(jì)算，結(jié)果見表2。

比較分析以上結(jié)果，可以看出：

1)布置1和布置3：為保證相同用鋼量條件下的不同排架間距比較。計(jì)算結(jié)果顯示，大浪為最不利工況。在該工況下，2種樁基布置形式下鋼管樁均已達(dá)到承載力極限值，但布置1的應(yīng)力偏大，存在壓屈條件下不滿足的情況，位移也較大。

2)布置2、布置3和布置4：為相同排架間距下對樁基斜度的比較。布置2全直樁碼頭在地震工況下樁力較小，但由于本工程中碼頭橫向?qū)挾容^小，樁基自由長度較大，全直樁碼頭橫向剛度太小，導(dǎo)致在大浪作用下，鋼管樁已處于屈服狀態(tài)。布置3和布置4比較，顯示在極端大波水平力控制工況下，可在允許范圍內(nèi)適當(dāng)增加樁基斜度，以減少樁力及位移。

3)布置1～4：根據(jù)4個(gè)不同樁基布置形式的計(jì)算結(jié)果可知，無論是大浪還是強(qiáng)震控制工況，布置4在樁基內(nèi)力和位移方面都是最優(yōu)的。即排架間距9.0 m，標(biāo)準(zhǔn)斷面下采用4根斜度4:1的φ1 500 mm鋼管樁，隔27 m橫梁局部落底前凸作為靠系纜平臺，平臺下增設(shè)1根φ1 500 mm鋼管樁直樁。

表2 整體式碼頭結(jié)構(gòu)方案樁基內(nèi)力及位移結(jié)果

4.2 分離式

基于受力清晰的考量，將碼頭工作平臺和靠系纜結(jié)構(gòu)各自獨(dú)立。工作平臺主要承受上部結(jié)構(gòu)垂直荷載，靠系纜墩作為獨(dú)立的靠系纜結(jié)構(gòu)布置在碼頭工作平臺兩側(cè)及底下。工作平臺采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，排架間距12 m，每榀排架布置4根φ1 400 mm鋼管樁，斜度6:1。上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆橫梁、預(yù)制預(yù)應(yīng)力縱梁及疊合面板的結(jié)構(gòu)。靠系纜墩共計(jì)10座，采用高樁墩式結(jié)構(gòu)，每個(gè)墩臺布置8根φ1 400 mm鋼管樁，斜度4:1(圖4)。

經(jīng)計(jì)算，樁基內(nèi)力及位移均滿足要求。計(jì)算結(jié)果見表3。

圖4 分離式碼頭結(jié)構(gòu)方案

表3 分離式碼頭結(jié)構(gòu)方案樁基內(nèi)力及位移結(jié)果(工作平臺)

4.3 整體式和分離式方案比選

整體式和分離式2個(gè)方案均能滿足使用要求。從經(jīng)濟(jì)上看，分離式較貴；從施工看，由于分離式靠系纜墩落在工作平臺下，樁基相互影響較大，打樁時(shí)須頻繁調(diào)整打樁船方位、做好施工組織計(jì)劃，且由于工作平臺跨度較大，采用預(yù)應(yīng)力縱梁，須設(shè)置預(yù)制場地；從使用性能看，分離式方案靠系纜平臺和工作平臺各自分離，受力明確，互不干擾，更具優(yōu)勢。

5 結(jié)語

1)通過對菲律賓Luna 2×300 MW 電廠配套碼頭工程的模擬計(jì)算得知，在強(qiáng)震工況PGA為0.4g和大浪工況波高H1%為12.45 m中，大浪是本工程的控制荷載。

2)在強(qiáng)震區(qū)基于性能的高樁碼頭抗震設(shè)計(jì)中，為發(fā)揮結(jié)構(gòu)延性變形能力，推薦較為柔性的全直樁碼頭，但并不適合本工程。在本工程中波浪力為控制荷載，而地震力不控制，無論是我國還是國際通用的規(guī)范，波浪力均為較常規(guī)的荷載，不像地震荷載可按結(jié)構(gòu)延性變形能力采用折減系數(shù)對樁基內(nèi)力進(jìn)行折減設(shè)計(jì)。在同等條件直樁和斜樁對比試算中，較柔的全直樁碼頭結(jié)構(gòu)在極端大浪作用下，早已進(jìn)入屈服狀態(tài)，位移無法控制，且在允許方位內(nèi)樁基斜度越大，樁基的內(nèi)力及結(jié)構(gòu)位移更小。

3)通過不同排架間距的試算，按充分利用樁基承載力大排架用大樁、小排架用小樁的原則，在同等樁基用鋼量條件下，小排架樁基的應(yīng)力及位移較大。而且由于本工程樁基自由長度較大，小樁存在壓屈不穩(wěn)定的狀況。

4)碼頭工作平臺和靠系纜結(jié)構(gòu)合二為一的整體式碼頭結(jié)構(gòu)方案及碼頭工作平臺和靠系纜結(jié)構(gòu)各自獨(dú)立的分離式碼頭結(jié)構(gòu)方案均能滿足使用要求。

綜合造價(jià)、施工及使用性能，在菲律賓Luna 2×300 MW 電廠配套碼頭工程強(qiáng)震大浪的設(shè)計(jì)條件下，推薦采用大排架+大樁(大斜度)的整體式碼頭結(jié)構(gòu)方案，即排架間距9.0 m，標(biāo)準(zhǔn)斷面下采用4根斜度4:1的φ1 500 mm鋼管樁，隔27 m橫梁局部落低前凸作為靠系纜平臺，平臺下增設(shè)1根φ1 500 mm鋼管樁直樁的整體式碼頭結(jié)構(gòu)方案。